智能干涉雲紋儀的製作方法

2023-04-26 18:48:21

專利名稱：：智能干涉雲紋儀的製作方法
技術領域：
：本發明屬於實際工程材料和構件強度測試及監控儀器。現有的雲紋幹涉法測試技術，使用氦氖雷射時，柵頻為200～3000線/毫米。可用於工程材料和構件的非接觸式全場位移、應變的測試，但由於如下的原因，基本上限於實驗室應用。1.它是用散裝的光學、機械零部件在工作時臨時布置、調整成所需光路，用人工方法反覆調整達到所需柵頻。佔據面積大，費時間，要求專門知識和技能。2.必須在暗室進行。3.必須在設有防震系統的工作檯上進行。4.獲得反映測試結果的雲紋圖像後，必須通過照像或攝像機採集，經洗相或計算機屏幕再現後，用人工或計算機通過灰度掃描方法提取位移分布數據。前者費時費力，後者在噪聲幹擾較多時誤差較大。因此長期以來，工程材料和構件的現場測試只能使用電測儀器。高靈敏度的雲紋幹涉法難於在工程現場應用。而電測方法為點測法，要求按應力場的分布規律正確地布點。而應力場的分布規律往往又是企望通過測試得到的結果，這一矛盾有可能造成危險點的漏檢，導致錯誤的結論。美國IBM公司94年推出了手提式工程雲紋幹涉儀(PortableEngneeringmoireinterferometer即PEMI)並宣稱為獨家產品。它的測試靈敏度只有2400線/毫米(即417nm/條紋)一種，且不可調。因此只能使用1200線/毫米試件柵，測試距離小於150毫米。此儀器由主體部分(光柵形成系統)與接收系統、顯示系統、光源系統四部分組合而成。使用時重新組合和調整，初始狀態亦需人工調節，要求專門技術人員才能使用。鑑於上述情況，本發明的目的是提供一種光、機、電一體化能方便於現場應用的智能干涉雲紋儀。這種幹涉儀可適用於不同測試靈敏度和不同測試距離，並且有處理和判斷功能。它可在不避光的情況下工作，不需要專用防震臺，其測試基準光柵頻率為500線/毫米～3000線/毫米，至測試對象距離可達1100毫米。本發明的結構及工作原理如附圖所示。(本圖並作為說明書摘要附圖)智能干涉雲紋儀具有雷射器(1)，擴束鏡(2)，準直鏡(3)，主分光鏡(4)，副分光鏡(5)，反射鏡組(6)、(7)，攝像機(9)，監視器(10)，電路板(11)，步進電機(12)，及錄相機(13)，微機(14)等。將上述部件除錄相機(13)微機(14)外，組裝在一個封閉的多層框架(15即附圖中點劃線的部分)內。它可以阻止散射光的進入。雷射器(1)發出的雷射束經擴束鏡(2)和準直鏡(3)成為準直光。又經主分光鏡(4)分為透射和反射光兩束，每一束又經一對副分光鏡(5)各分為兩束。由反射鏡組(6)、(7)出射的兩組準直光束射向預製有正交柵的測試對象(8)，形成反映水平和鉛垂方向兩維位移的等位移線——二組雲紋圖。兩組雲紋圖象由二維光柵的±1階衍射束相干涉形成並射向攝象系統，即進入框架(15)。該衍射束的幹涉圖象經屏幕或直接被攝象機(9)攝入，可在監視器(10)實時顯示或微機(14)進行處理，或由錄相機(13)錄下其全過程待用。在反射鏡組(6)、(7)中各設置了兩個步進電機(12)驅動的旋轉和俯仰機構，實現柵頻由微機(14)控制的小步距大範圍調節，以及初始雲紋和載波雲紋的調節。即其尚可調節初始狀態接近零場，或者施加載波條紋，並實現對測試對象距離的調節，以適應工程測試現場的不同要求。多層框架(15)可分為三層，這種分層結構既是功能的需要，也是為了減小體積。可轉動的反射鏡組(6)設置在同一平面即中層上，其中心與測試對象中心同高。而形成水平方向光柵的反射鏡組(7)設置在上、下層，其中心位於儀器縱向對稱面內，各反射鏡中心至測試對象(8)的中心距離相同。而且4個反射鏡中心在同一橫斷面內，與儀器縱向對稱面對稱分布。由於形成虛光柵的兩光束是由同一雷射器(1)和擴束鏡(2)準直鏡(3)等射向測試對象的，其振源基本相同。因此環境或機體振動對雲紋圖的影響較不敏感。本發明所採用的攝像機要求每秒鐘能拍攝20—50幀以上圖象，並要求有仝樣快速的凍結速度，使≤50次/秒環境振動下的雲紋圖，仍能清晰成象，從而實現了低頻振動環境下的現場測試，而不需專用的防震臺。在攝像機(9)的下部裝有升降和左右移動機構(16)。由於這一系統安裝在封閉的框架(機體)內，漫反射的環境光照大部分被遮擋不能進入，而且在雷射束聚焦的焦點處經小孔才能進入成象系統，進一步限制了剩餘雜散光束的射入。成功地實現了在正常光照(照度允許達150勒克斯，即200W電燈照明以上)環境的現場測試，完全可以脫離暗室。攝像機移動機構(16)的運動及攝像機的光圈、焦距，拍攝距離均由微機(14)或按鍵控制。它可以對雲紋圖象全景採集，不同位置的局部放大攝像，進一步保證了條紋圖的清晰度和測試精度。為了實現上述功能，微機(14)內裝有步進系統的專用線路卡和圖象處理卡及配套使用的軟體包。步進系統的傳動採用了普通的精密螺紋或蝸輪方式，驅動線路板(11)是裝在封閉框架(15)內，在微機中裝有步進系統的專用線路卡與之相連，專用線路卡是微機(14)發出不同指令時接通指定接口的集成電路板。圖象處理卡為512×512×8bit以上的圖象卡。配套使用的軟體包可凍結並存儲圖象在硬碟，隨時由微機(14)進行保持邊緣濾波，錐形濾波，黑、白條紋邊緣檢測，條紋二值化、細化等預處理，從所採集的圖象中提取位移，應變、應力或應力強度因子等物理量，確定其分布規律，並將結果與設定的臨界值相比較，在到達臨界值時發出警報或執行預定措施命令。本發明利用雷射束直線傳播特性，通過設置直線通道和小光圈接收辦法，將全部光機零部件組合封閉在一起，實現正常光照下的測試。實現視場達Φ100毫米直徑圓面積的二維位移場的全場測試。由於在反射鏡組上安裝了由微機或按鍵控制的步進系統，實現了基準光柵和載波條紋等自動、半自動調節，步距達每步0.0042°即每步15″，每步改變柵頻數小於3線/毫米，僅為柵線頻率的0.6％(500線/毫米時)～0.1％(3000線/毫米時)。全部光、機、電系統包括監視器(10)在內，整個儀器主體部份體積為0.5×0.6×0.8M3，是通常同類試驗裝置的1/6左右。還帶行走輪，水平360°旋轉，俯仰±30°旋轉，液壓升降調節及鎖緊裝置，便於現場調節及使用。本儀器不僅可在教學、科研單位應用於全場應力應變分析等教學，科研工作中，而且可廣泛應用於實際工程材料，工程構件，包括各向異性的固體生物材料，複合材料等複雜的或新興材料，在工業現場的強度測試，或危險部位的監控中得到應用；還可以在高溫、高壓的石油管道的監控系統、某些複合材料的無損檢測和無損評估中應用；如果採用脈衝雷射器和高速攝象裝置，還可以應用於動態和衝擊測試、振動測試。權利要求1.智能干涉雲紋儀，具有雷射器(1)，擴束鏡(2)，準直鏡(3)，主分光鏡(4)，副分光鏡(5)，反射鏡組(6)、(7)、攝像機(9)，監視器(10)，驅動線路板(11)，步進電機(12)及錄相機(13)微機(14)等，其特徵是將上述部件除錄相機(13)微機(14)外，組裝在一個封閉的多層框架(15)內，由反射鏡組(6)、(7)出射的兩組準直光束射向預製有正交柵的測試對象(8)，其±1階衍射束進入框架(15)，該衍射束的幹涉圖象經屏幕或直接被攝象機(9)攝入，可在監視器(10)實時顯示或為錄像機(13)錄入，在反射鏡(6)、(7)中各設置了兩個步進電機(12)驅動的旋轉和俯仰機構，實現柵頻由微機(14)控制的小步距大範圍調節及初始雲紋和載波雲紋的調節。2.按照權利要求1所述的智能干涉雲紋儀，其特徵是所述的多層框架(15)可分為三層，可轉動的反射鏡組(6)設置在同一平面(中層)，其中心與測試對象中心同高，可轉動的反射鏡組(7)設置在上、下層，其中心位於儀器縱向對稱面內，各反射鏡中心至測試對象(8)的中心距離是相同的，而且4個反射鏡中心在同一橫斷面內，與儀器縱向對稱面成對稱分布。3.按照權利要求1所述的智能干涉雲紋儀，其特徵是所述的攝像機(9)每秒種能拍攝20—50幀以上圖象，在攝像機(9)的下部裝有升降和左右移動機構(16)，此機構的運動及攝像機的光圈、焦距、拍攝距離均由微機(14)或按鍵控制。4.按照權利要求1所述的智能干涉雲紋儀，其特徵是所述的微機(14)內裝有步進系統的專用線路卡，和圖象處理卡及配套使用的軟體包，除執行控制外，當位移，應變等物理量達臨界值時可發出警報或執行預定措施命令。全文摘要本發明屬工程材料、構件強度測試及監控儀器，包括雷射器1擴束鏡2準直鏡3，主分光鏡4副分光鏡5，反射鏡組6、7，攝象機9，監視器10，線路板11，步進電機12，錄相機13和微機14，移動和升降9機構16。除13、14外，組合在封閉的框架15內，由微機驅動6、7，產生旋轉和俯仰運動，實現柵頻的小步距，大範圍調節及初始雲紋和載波雲紋的調節，適應不同距離的調試。微機內裝有步進線路卡，圖象處理卡和配套軟體，可執行控制、處理、判斷功能。文檔編號G01B11/02GK1114746SQ9411874公開日1996年1月10日申請日期1994年12月1日優先權日1994年12月1日發明者羅至善,吉貴軍,張紹義,胡小唐申請人:天津大學