殘餘應力沿深度分布分析儀的製作方法

2023-10-08 10:59:29 1

專利名稱：殘餘應力沿深度分布分析儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於無損檢測技術領域，具體涉及一種光學無損檢測儀器。
背景技術：
殘餘應力及其沿深度方向分布的測試一直是實驗固體力學研究的難點和熱點。殘餘應力的存在使得結構不穩定甚至破壞的例子屢見不鮮，無損檢測領域也將殘餘應力檢測列為極為重要的研究領域。例如，對於港口瞬變負荷，在大容量電網可穩定運行；但在應急狀況下，採用較小容量備用電站供電時，一般做法是通過增大電站容量來滿足港口這類特殊用電負荷的要求；但是機組頻繁突加突卸，機組轉速頻繁大幅波動，機組軸系扭矩衝擊劇烈，將大幅降低軸系疲勞壽命，造成嚴重問題。開展港口瞬變負荷備用柴油發電機組技術研究，採用蓄能機組應對衝擊瞬變負荷，機組軸系串接了蓄能飛輪，軸系衝擊較普通機組小，通過「殘餘應力沿深度分布分析儀」來測試殘餘應力及其沿深度方向分布，從而研究軸系長期衝擊和疲勞狀態下材料的殘餘應力，以保證軸系使用壽命和安全。專利為ZL200510027941. 5的發明中公布了一種面內三方向雲紋幹涉儀，該儀器應用高密度衍射光柵和雷射幹涉技術進行位移和變形的測量，因為殘餘應力的成因很複雜，造成它的大小及分布也非常複雜，尤其是沿深度方向。鑽孔測試殘餘應力是最常見的方法，美國ASTM專門制訂了電阻應變花結合鑽孔測量殘餘應力及其沿深度分布的標準。由於電阻應變花在測量鑽孔過程的釋放應變存在難以克服的缺陷，限制了該方法的測量精度。目前，國內外還未有上述「電阻應變花結合鑽孔測量殘餘應力及其沿深度分布」的裝置，只是應用粘貼應變片(又叫電阻應變花)的電測方法來間接和逐點測量，貼到應變片的地方有數據，沒有貼到的沒有數據，所以這是一種逐點測量技術，且受到環境、溫度等限制，既不穩定，還很不準確。

發明內容
本發明的目的是提供一種光學無損檢測儀器，該儀器能直接獲得試件沿深度上的殘餘應力分布數據。本發明的技術方案是一種殘餘應力沿深度分布分析儀，它包括雷射器、空間濾波器、三方向雲紋儀本體、試件平臺、相移器全反射部件、鑽孔裝置、圖像採集裝置及控制處理系統；雷射器固定在支撐架上；空間濾波器包括高倍物鏡、針孔、物鏡調節座、物鏡調節座支撐、滑動平板、固定平板、針孔調節座支撐、針孔調節座、螺柱A、調平板、固定板和螺柱B ;高倍物鏡的一端外圍帶有螺紋，將高倍物鏡擰入物鏡調節座中，物鏡調節座通過物鏡調節座支撐與固定平板固定連接；針孔固定在針孔調節座上，針孔調節座由兩個套接的圓盤組成，針孔固定在裡側圓盤中，裡側圓盤與外側圓盤間通過一個彈簧與兩個調節螺栓固定，彈簧與兩個調節螺栓對裡側圓盤進行三點支撐，孔調節座通過針孔調節座支撐與滑動平板固定連接，滑動平板放置在固定平板上，針孔調節座支撐底部安有螺柱A，螺柱A的一端旋入固定平板中，固定平板位於調平板的上表面；固定板與調平板通過螺柱B連接，在固定板與調平板之間放有彈子與彈簧，空間濾波器通過固定板安裝在支撐架上；三方向雲紋儀本體包括大面積全反射鏡、非球面鏡及其調節座、三方向雲紋組合板以及支架；非球面鏡及其調節座包括兩塊中心帶有等直徑通孔的平板，非球面鏡、彈簧與鋼球，非球面鏡嵌入一塊平板中，兩塊平板通過螺栓連接，在兩個平板之間放置彈簧與鋼球；三方向雲紋組合板包括上下設置的兩塊圓板，上面的圓板a以其圓心為原點，在其X軸、y軸以及45°軸上，對稱的設有6個方孔，下面的圓板b以其圓心為原點，在其y軸上，對稱的設有2個方孔；大面積全反射鏡、非球面鏡及其調節座、三方向雲紋組合板依次安裝在支架上,其中大面積全反射鏡與水平面呈45°夾角；以相移器全反射部件的圓心為原點，沿其X軸、y軸以及45°軸方向開有6個斜孔，斜孔的斜面與水平夾角為a，在每個斜孔的斜面上安裝2塊全反射鏡，其中，內側斜面上的全反射鏡與三方向雲紋組合板中圓板a的方孔上下對應，在外側斜面的X軸、y軸以及45°軸上每組全反射鏡的其中一塊的背面安裝相移器；試件安裝在試件平臺內，其中心對應相移器全反射部件外圈反射鏡的聚點，在試件的正上方的試件平臺上設有與水平夾角45°的全反射鏡A，圖像採集裝置用於採集全反射鏡A反射的圖像，並將採集到的圖像傳送至控制處理系統，控制處理系統同時對鑽孔裝置及相移器全反射部件中的相移器進行控制，三方向雲紋儀本體與相移器全反射部件安裝在試件上方的試件平臺的上方。本發明的有益效果是1)本發明採用空間濾波器有效的濾除光場邊緣雜質，並提高了擴束面積，還使得光場更加均勻和純淨，從而提高了條紋的對比度；2)本發明採用採用非球面準直鏡形成高質量的準直光，使得儀器更加緊湊；3)本發明空間濾波器的特殊結構設計，可以多角度的調節高倍物鏡與針孔之間的相對位置，以保持基準。


圖1為本發明結構示意圖；圖2為本發明中空間濾波器結構示意圖；圖3為本發明中本發明中針孔調節座結構示意圖；圖4為本發明中非球面鏡及其調節座結構示意圖；圖5為本發明中三方向雲紋組合板結構示意圖；圖6為本發明中相移器全反射部件的主視圖；圖7為本發明實驗結果圖；其中，1-雷射器、2-空間濾波器、3-三方向雲紋儀本體、4-試件平臺、5-相移器全反射部件、6-鑽孔裝置、7-圖像採集、8-控制處理系統、2.1-高倍物鏡、2. 2-針孔、2. 3-物鏡調節座、2. 4-物鏡調節座支撐、2. 5-滑動平板、2. 6-固定平板、2. 7-針孔調節座支撐、
2.8-針孔調節座、2. 9-螺柱A、2. 10-調平板、2. 11-固定板、2. 12-螺柱B、3.1-大面積全反射鏡、3. 2-非球面鏡及其調節座、3. 3-三方向雲紋組合板。
具體實施例方式參見附圖1，一種殘餘應力沿深度分布分析儀，它包括雷射器1、空間濾波器2、三方向雲紋儀本體3、試件平臺4、相移器全反射部件5、鑽孔裝置6和圖像採集裝置7及控制處理系統8 ；雷射器I固定在支撐架上；參見附圖2、3，空間濾波器2包括高倍物鏡2.1、針孔2. 2、物鏡調節座2. 3、物鏡調節座支撐2. 4、滑動平板2. 5、固定平板2. 6、針孔調節座支撐2. 7、針孔調節座2. 8、螺柱A2. 9、調平板2. 10、固定板2. 11和螺柱B2. 12 ;高倍物鏡2.1的一端外圍帶有螺紋，將高倍物鏡2.1擰入物鏡調節座2. 3中，根據旋入的深度，可調節高倍物鏡2.1距針孔2的距離，物鏡調節座2. 3通過物鏡調節座支撐2. 4與固定平板2. 6固定連接；針孔2. 2固定在針孔調節座2. 8上，針孔調節座2. 8由兩個套接的圓盤組成，針孔2. 2固定在裡側圓盤中，裡側圓盤與外側圓盤間通過一個彈簧與兩個調節螺栓固定，彈簧與兩個調節螺栓對裡側圓盤進行三點支撐，通過調節兩個螺栓就可以調節針孔2. 2上下、左右的位置，孔調節座2. 8通過針孔調節座支撐2. 7與滑動平板2. 5固定連接，滑動平板2. 5放置在固定平板2. 6上，通過調節安裝於針孔調節座支撐2.7底部的螺柱A2.9，可調節高倍物鏡2.1距針孔2.2的距離；固定平板2. 6位於調平板2. 10的上表面，固定板2. 11與調平板2. 10通過螺柱B2. 12連接，在固定板2. 11與調平板2. 10之間放有彈子與彈簧，通過旋轉螺柱B2. 12，可使調平板2. 10相對於固定板2. 11沿彈子上下繞動，產生傾斜，空間濾波器2通過固定板2. 11下方安裝在支撐架上；參見附圖3、4、5，三方向雲紋儀本體3包括大面積全反射鏡3.1、非球面鏡及其調節座3. 2、三方向雲紋組合板3. 3以及支架；非球面鏡及其調節座3. 2包括兩塊中心帶有等直徑通孔的平板，非球面鏡、彈簧與鋼球，非球面鏡嵌入一塊平板A中，平板A與平板B通過螺栓連接，在平板A與平板B之間放置彈簧與鋼球，平板B固定在支架上，而旋轉螺栓可調節非球面準直鏡相對於平板B的角度，從而達到調整光路準直性的目的；三方向雲紋組合板3. 3包括上下設置的兩塊圓板，上面的圓板a以其圓心為原點，在其X軸、y軸以及45°軸上，對稱的設有6個方孔，下面的圓板b以其圓心為原點，在其y軸上，對稱的設有2個方孔；圓板a和圓板b上下同心布置，圓板a固定在支架上，從非球面鏡照射下來的準直光線通過其上的6個方孔，形成6塊區域光場；圓板b可以繞中心旋轉，當其方孔轉到X軸方向時，對圓板a的y軸及45°方向的光場進行了遮擋，只讓x軸方向的2個方孔光場通過，此時，光場對應X場的測量，同理,當b板旋轉到y軸，則對應y場測量，b旋轉到45°軸方向，可測量45°方向的光場；大面積全反射鏡3.1、非球面鏡及其調節座3. 2、三方向雲紋組合板3. 3依次安裝在支架上，其中大面積全反射鏡3.1與水平面呈45°夾角；參見附圖6，以相移器全反射部件5的圓心為原點，沿其X軸、y軸以及45°軸方向開有6個斜孔，斜孔的斜面與水平夾角為a，在每個斜孔的斜面上安裝2塊全反射鏡，其中，內側斜面上的全反射鏡與三方向雲紋組合板3. 3中圓板a的方孔上下對應，在外側斜面的X軸、y軸以及45°軸上每組全反射鏡的其中一塊的背面安裝相移器；試件安裝在試件平臺4內，其中心對應相移器全反射部件5外圈反射鏡的聚點，在試件的正上方的試件平臺4上設有與水平夾角45°的全反射鏡A，圖像採集裝置7用於採集全反射鏡A反射的圖像，並將採集到的圖像傳送至控制處理系統8，控制處理系統8同時對鑽孔裝置6及相移器全反射部件5進行控制，三方向雲紋儀本體3與相移器全反射部件5安裝在試件上方的試件平臺4上；殘餘應力沿深度分布分析儀的工作流程為雷射器I射出的雷射經空間濾波器2後，投射到大面積全反射鏡3. 1，大面積全反射鏡3.1將雷射反射到非球面鏡，使光場成為均勻的準直光場，光場經三方向雲紋組合板
3.3及相儀器全反射部件5的折射後，照射至試件表面，控制處理系統8相儀器全反射部件5外圈上的相移器，對光程進行幹預，圖像採集裝置7通過全反射鏡A採集到試件上因光場幹預而形成的條紋圖像，並傳送至控制處理系統8，控制處理系統8控制鑽孔裝置6對試件鑽孔，鑽孔後，將鑽孔裝置6移出光路，圖像採集裝置7採集鑽孔後的試件表麵條紋圖片，並傳送至控制處理系統8，控制處理系統8通過對比鑽孔前後的相移圖片，計算出殘餘應力，附圖7為圖像採集裝置7採集到的試件條紋圖像。
權利要求
1.一種殘餘應力沿深度分布分析儀，其特徵是，它包括雷射器(I)、空間濾波器(2)、三方向雲紋儀本體(3)、試件平臺(4)、相移器全反射部件(5)、鑽孔裝置(6)、圖像採集裝置(7)及控制處理系統(8)； 雷射器(I)固定在支撐架上； 空間濾波器(2)包括高倍物鏡(2.1)、針孔(2. 2)、物鏡調節座(2. 3)、物鏡調節座支撐(2. 4)、滑動平板(2. 5)、固定平板(2. 6)、針孔調節座支撐(2. 7)、針孔調節座(2. 8)、螺柱A (2. 9)、調平板(2. 10)、固定板(2. 11)和螺柱B (2. 12);高倍物鏡(2.1)的一端外圍帶有螺紋，將高倍物鏡(2.1)擰入物鏡調節座(2. 3)中，物鏡調節座(2. 3)通過物鏡調節座支撐(2. 4)與固定平板(2. 6)固定連接；針孔(2. 2)固定在針孔調節座(2. 8)上，針孔調節座(2.8)由兩個套接的圓盤組成，針孔(2.2)固定在裡側圓盤中，裡側圓盤與外側圓盤間通過一個彈簧與兩個調節螺栓固定，彈簧與兩個調節螺栓對裡側圓盤進行三點支撐，孔調節座(2.8)通過針孔調節座支撐(2.7)與滑動平板(2. 5)固定連接，滑動平板(2.5)放置在固定平板(2. 6)上，針孔調節座支撐(2. 7)底部安有螺柱A(2. 9)，螺柱A(2. 9)的一端旋入固定平板(2. 6)中，固定平板(2. 6)位於調平板(2. 10)的上表面；固定板(2. 11)與調平板(2. 10)通過螺柱B (2. 12)連接，在固定板(2. 11)與調平板(2. 10)之間放有彈子與彈簧，空間濾波器(2)通過固定板(2. 11)安裝在支撐架上； 三方向雲紋儀本體(3 )包括大面積全反射鏡(3.1)、非球面鏡及其調節座(3. 2 )、三方向雲紋組合板(3. 3)以及支架；非球面鏡及其調節座(3. 2)包括兩塊中心帶有等直徑通孔的平板，非球面鏡、彈簧與鋼球，非球面鏡嵌入一塊平板中，兩塊平板通過螺栓連接，在兩個平板之間放置彈簧與鋼球；三方向雲紋組合板(3. 3)包括上下設置的兩塊圓板，上面的圓板a以其圓心為原點，在其X軸、y軸以及45°軸上，對稱的設有6個方孔，下面的圓板b以其圓心為原點，在其y軸上，對稱的設有2個方孔；大面積全反射鏡(3.1)、非球面鏡及其調節座(3. 2)、三方向雲紋組合板(3. 3)依次安裝在支架上，其中大面積全反射鏡(3.1)與水平面呈45°夾角； 以相移器全反射部件(5)的圓心為原點，沿其X軸、y軸以及45°軸方向開有6個斜孔，斜孔的斜面與水平夾角為a，在每個斜孔的斜面上安裝2塊全反射鏡，其中，內側斜面上的全反射鏡與三方向雲紋組合板(3. 3)中圓板a的方孔上下對應，在外側斜面的X軸、y軸以及45°軸上每組全反射鏡的其中一塊的背面安裝相移器； 試件安裝在試件平臺(4)內，其中心對應相移器全反射部件(5)外圈反射鏡的聚點，在試件的正上方的試件平臺(4)上設有與水平夾角45°的全反射鏡A，圖像採集裝置(7)用於採集全反射鏡A反射的圖像，並將採集到的圖像傳送至控制處理系統(8)，控制處理系統(8 )同時對鑽孔裝置(6 )及相移器全反射部件(5 )中的相移器進行控制，三方向雲紋儀本體(3)與相移器全反射部件(5)安裝在試件上方的試件平臺(4)的上方。
2.如權利要求1所述的一種殘餘應力沿深度分布分析儀，其特徵是，所述雷射器(I)與空間濾波器(2)下方的支撐架高度可調。
3.如權利要求1或2所述的一種殘餘應力沿深度分布分析儀，其特徵是，所述高倍物鏡(2.1)可選擇8X、10X、20X、40X或60X，所述針孔(2. 2)的孔徑可選擇IOu U5u或20 y。
4.如權利要求1或2所述的一種殘餘應力沿深度分布分析儀，其特徵是，雷射器(I)採用固體泵浦綠雷射器。
全文摘要
本發明屬於無損檢測技術領域，具體涉及一種光學無損檢測儀器，一種殘餘應力沿深度分布分析儀，雷射器(1)射出的雷射經空間濾波器(2)後，投射到大面積全反射鏡(3.1)，大面積全反射鏡(3.1)將雷射反射到非球面鏡，使光場成為均勻的準直光場，光場經三方向雲紋組合板(3.3)及相移器全反射部件(5)的折射後，照射至試件表面，控制處理系統(8)控制儀器全反射部件(5)外圈上的相移器，對光程進行幹預，圖像採集裝置(7)通過全反射鏡A採集到試件上因光場幹涉而形成的條紋圖像，並傳送至控制處理系統(8)，控制處理系統(8)控制鑽孔裝置(6)對試件鑽孔；利用本發明可以直接獲得試件沿深度上的殘餘應力分布數據。
文檔編號G01L1/24GK103033297SQ20121052959
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者陸鵬, 陳巨兵, 張熹, 吳君毅, 羅飛 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所