二維相移雲紋幹涉儀的製作方法
2023-04-26 05:15:41
專利名稱：二維相移雲紋幹涉儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電子和光測量儀器，更具體地指一種二維相移雲紋幹涉儀。
背景技術：
雲紋幹涉(Moire Interferometry)，是計算機圖像處理、雷射雲紋及幹涉相結合的一種綜合技術。
雲紋幹涉法具有靈敏度高、條紋反差好、解析度高、可實時觀測等優點，已在斷裂力學、複合材料力學、結構強度及溫度應力及殘餘應力測試等力學實驗研究方面得到了推廣和應用，成功地解決了許多實際問題。近些年來，人們的研究已深人到更深的層次。包括高溫和動態狀況下各種力學量的測試、長時間疲勞、蠕變測試等。特別是隨著細觀力學研究的深入和新材料的不斷出現，雲紋幹涉法作為一種重要的實驗力學方法正發揮著重要的作用。尤其是近年來，雲紋幹涉法在高溫實驗技術方面的發展，已能解決許多與高溫或溫度應力有關的課題、複合材料層間固化殘餘應變、微電子封裝件的熱應變、主蒸汽管道的蠕變應變以及雷射焊接試件焊縫附近的殘餘應變場等力學問題。國內的清華大學、北京大學以及同濟大學在此方面都做了大量工作。通常雲紋幹涉法都建立在直接觀測面內位移場的二個分量(u、v)基礎上。
雲紋在光測力學領域應用、研究和教學實驗中用途廣泛，非接觸測量可獲得被測物面內場位移場(U、V場)的條紋；為有限元提供可靠的邊界條件；可用於結構優化；能應用在細觀力學；殘餘應力測量、複合材料研究。尤其在結構分析及非破壞性檢測上應用廣泛。通過必要的後處理獲得設計者所需要的信息(數位化)。結束了傳統光力學研究所必須配備暗房、顯定影溼處理、繁複搭建光路等大量工作。
由此可見，雲紋幹儀有著良好的應用前景，但到目前為止，大多數雲紋幹涉儀的測量靈敏度較低，而且結構均非常複雜、體積龐大而不便於攜帶，在應用上也因此而受到限制，影響到該項技術的推廣使用。
發明內容
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案該二維相移雲紋幹涉儀，包括底座、雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物，雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物均依次置於光路中，雷射器發出的光依次經過擴束鏡、非球面分光裝置後投射到被測物上，雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物均設於底座上。
所述的非球面分光裝置還包括一非球面鏡、八隻全反射鏡、外框，八隻全反射鏡置於非球面鏡之後並固定於外框上。
所述的八隻全反射鏡均呈兩兩相對固定於非球面鏡後。。
所述的八隻全反射鏡中，垂置固定於全反射鏡後的的兩隻全反射鏡分別通過步進電機驅動裝置來調節全反射鏡的俯仰角，以及通過時間相移裝置來調節該全反射鏡的位移量。
所述的幹涉儀還包括一光路提升機構，光路提升機構含有提升架和提升反射鏡，提升架置於底座上，光路提升機構置於雷射器與擴束鏡之間。
所述的提升反射鏡包括兩隻反射鏡，兩隻反射鏡的位置和角度均是可調的。
所述的擴束鏡通過升降杆置於底座上。
在本發明的技術方案中，雲紋幹涉儀包括了底座、雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物，雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物均依次置於光路中，雷射器發出的光依次經過擴束鏡、非球面分光裝置後投射到被測物上，雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物均設於底座上；此外非球面分光裝置中的非球面鏡的採用，以及步進電機驅動裝置對全反射鏡俯仰角的調節和相移裝置對光程的調節，使得雲紋幹涉儀較傳統的雲紋幹涉儀的測量靈敏度有較大的提高，同時，使得儀器的結構更為緊湊，便於攜帶；若再配合計算機進行圖像處理，使得該幹涉儀能直接用於現場非接觸測量，而且不用暗房和顯定影溼處理。能解決工程中的靜態、準動態及動態問題，具有良好地應用前景。
圖1為本發明幹涉儀結構原理示意圖。
圖2為非球面分光裝置示意圖。
圖3為本發明幹涉儀光路原理示意圖。
具體實施例方式
為進一步說明本發明的上述目的、技術方案和效果，以下通過實施例結合上述各圖對本發明進行詳細的描述。
請先參閱圖1所示，該二維相移雲紋幹涉儀包括底座10、雷射器11、擴束鏡12、非球面分光裝置13、被測物14，雷射器11、擴束鏡12、非球面分光裝置13、被測物14均依次置於光路中，雷射器11發出的光依次經過擴束鏡12、非球面分光裝置13後投射到被測物14上，雷射器11、擴束鏡12、非球面分光裝置13、被測物14均設於底座10上。
請再結合圖2、圖3所示，所述的非球面分光裝置13還包括一非球面鏡131、八隻全反射鏡132、外框133，八隻全反射鏡132置於非球面鏡131之後並固定於外框上133。
所述的八隻全反射鏡132均呈兩兩相對固定於非球面鏡後，其中四隻全反射鏡M1、M2、M3、M4呈兩兩相對固定於非球面鏡131後，四隻全反射鏡M1、M2、M3、M4形成的平面面積小於等於非球面鏡131的平面面積，另外四隻全反射鏡Ma、Mb、Mc、Md也呈兩兩相對固定於非球面鏡131後，但形成的平面面積大於非球面鏡131的平面面積。
所述的八隻全反射鏡132中，豎直方向固定於非球面鏡131後的兩隻全反射鏡Ma、Mc分別通過步進電機驅動裝置134來調節全反射鏡的俯仰角，以及通過時間相移裝置135來調節該全反射鏡的位移量。
需要說明的是，圖3中的非球面分光裝置僅反了四隻全反射鏡Ma、Mc、M1、M3，另四隻全反射鏡Mb、Md、M2、M4應該在垂直於紙的平面中，所以未能示意出。
所述的幹涉儀還包括一光路提升機構15，光路提升機構15含有提升架151和提升反射鏡152，提升架151置於底座10上，光路提升機構15置於雷射器與11擴束鏡12之間。
所述的提升反射鏡152包括兩隻反射鏡，兩隻反射鏡的位置和角度均是可調的。
所述的擴束鏡12通過升降杆121置於底座10上。
本幹涉儀的光路原理解釋如下雷射器11出射光經光路提升機構15的兩個全反射鏡152提升到一定高度，即是幹涉儀中非球面鏡131的中心高；雷射光束打在擴束鏡12中心，經擴束後照射在非球面鏡131上，調節擴束鏡12和非球面鏡131的距離，即為非球面鏡131的焦距，這樣的擴束光經過非球面鏡131後變成了準直光；在非球面鏡131後部垂直和水平方向各放置一全反射鏡，再次反射到被測物14表面，被測物14表面貼有正交柵，當其變形時，雷射本身幹涉產生的虛柵和被測物表面的柵幹涉出雲紋條紋；在被測物的正前方布置一全反射鏡16將變形信息(條紋)反射出來，通過觀察或攝像機17拍攝到計算機中進行處理；加上時空間相移功能，可以實現採集圖像的位相變化，從而得到數值化的變形場；圖3僅顯示的是一個方向(設v場)，由於非球面鏡後部還有四塊全反射鏡，故同時也能得到u場的信息，只要將v場的光路遮擋住即可。
請再參閱圖2所示，擴束光直接照射在非球面鏡131上，經過非球面鏡時變成準直光；非球面鏡131後部對稱分部四隻全反射鏡M1、M2、M3、M4，這樣準直光分成四路，反射到對應的另四隻全反射鏡上Ma、Mb、Mc、Md；其中Ma、Mb兩路光測量的是v場，而Mc、Md兩路光測量的是u場。
八塊全反射鏡均固定在非球面分光裝置13的框架133上，角度可以調節，以適應被測物的位置；其中Ma、Md上裝設的相移裝置135驅動Ma、Md作微小平移產生光波位相的均勻細微改變，在時間序列上採集多幅圖像，即為時間相移過程，而Mb、Mc上裝有步進電機驅動裝置134，能完成空間相移(轉動步進電機時，帶動Mb、Mc作微小偏轉，產生均勻的空間載波，利用載波調製變形條紋，即為空間相移過程)。
本發明的幹涉儀中，採用632.8nm紅光氣體雷射器作為光源，體積小巧，可固定在儀器底座上，可以使整臺儀器結構更為緊湊。
採用小直徑高折射率的過球面擴束鏡，從而可使雷射擴散面積較大，如1m處，可以測量的面積為300mm。
採用機械旋轉擋格裝置，使得U和V場獨立分離出來。
直接獲取U和V場變形信息，所用軟體可以實現計算機自動採集、計算及圖像後處理。
此外，採用了200大直徑、精密非球面鏡代替傳統的球面準直鏡作為獲取高質量準直光的光學部件，成功的消除了像差，提高了幹涉儀的測量精度和靈敏度。整臺幹涉儀器顯得輕型、緊湊，剛度高，便於攜帶。
當然，本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，而並非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神範圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明權利要求書的範圍內。
權利要求
1.一種二維相移雲紋幹涉儀，其特徵在於該雲紋幹涉儀包括底座、雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物，雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物均依次置於光路中，雷射器發出的光依次經過擴束鏡、非球面分光裝置後投射到被測物上，雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物均設於底座上。
2.如權利要求1所述的二維相移雲紋幹涉儀，其特徵在於所述的非球面分光裝置還包括一非球面鏡、八隻全反射鏡、外框，八隻全反射鏡置於非球面鏡之後並固定於外框上。
3.如權利要求2所述的二維相移雲紋幹涉儀，其特徵在於所述的八隻全反射鏡均呈兩兩相對固定於非球面鏡後。
4.如權利要求2或3所述的二維相移雲紋幹涉儀，其特徵在於所述的八隻全反射鏡中，垂置固定於全反射鏡後的的兩隻全反射鏡分別通過步進電機驅動裝置來調節全反射鏡的俯仰角，以及通過時間相移裝置來調節該全反射鏡的位移量。
5.如權利要求1所述的二維相移雲紋幹涉儀，其特徵在於所述的幹涉儀還包括一光路提升機構，光路提升機構含有提升架和提升反射鏡，提升架置於底座上，光路提升機構置於雷射器與擴束鏡之間。
6.如權利要求5所述的二維相移雲紋幹涉儀，其特徵在於所述的提升反射鏡包括兩隻反射鏡，兩隻反射鏡的位置和角度均是可調的。
7.如權利要求1、2、5任一項所述的二維相移雲紋幹涉儀，其特徵在於所述的擴束鏡通過升降杆置於底座上。
全文摘要
本發明公開了一種二維相移雲紋幹涉儀，包括了底座、雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物，雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物均依次置於光路中，雷射器發出的光依次經過擴束鏡、非球面分光裝置後投射到被測物上，雷射器、擴束鏡、非球面分光裝置、被測物均設於底座上。該幹涉儀較傳統的雲紋幹涉儀的測量靈敏度有較大的提高，同時，使得儀器的結構更為緊湊，便於攜帶，能解決工程中的靜態、準動態及動態問題，具有良好地應用前景。
文檔編號G01N21/41GK1687748SQ20051002544
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月27日 優先權日2005年4月27日
發明者張熹, 陸鵬, 吳君毅, 夏遠富 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所