專利名稱：面內(nèi)三方向云紋干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測試技術(shù)領(lǐng)域的儀器，具體是一種面內(nèi)三方向云紋干涉儀。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外測試平面面內(nèi)位移場的云紋干涉儀都是四個(gè)入射光路，形成兩個(gè)互相垂直方向的位移場，即通常所說的水平方向上的u場和豎直方向上的v場。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號為200410000005.0，名稱為“多功能三維位移激光干涉測量系統(tǒng)”，該專利在面內(nèi)位移的測試中，是采用A、B、C、D四束光以固定的角度對稱地入射在被測試結(jié)構(gòu)的同一區(qū)域，該區(qū)域上粘貼有正交光柵。每束照射在光柵上將產(chǎn)生衍射，調(diào)整A、B、C、D四束相干光以某一相同角度再對稱地入射到試件表面，使它們的+1、-1衍射光分別沿試件表面的同一方向傳播，即沿試件法線方向傳播。A、B兩束相干光的+1、-1衍射光在空間會(huì)產(chǎn)生干涉，也就是在它們交匯的區(qū)域上形成明暗交錯(cuò)的干涉條紋，這種條紋相當(dāng)于一個(gè)空間光柵。它在試件表面與試件上的光柵疊加形成Moiré條紋，即水平方向的位移場u場，同理C、D兩束相干光則會(huì)形成豎直方向的位移場v場。該專利屬于傳統(tǒng)的云紋干涉儀，只能測試這兩個(gè)面內(nèi)位移場。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)只能測試兩個(gè)位移場的情況下，提供一種能夠測試到面內(nèi)三個(gè)獨(dú)立的位移場面內(nèi)三方向云紋干涉儀，使其具有同時(shí)測試面內(nèi)x軸方向、y軸方向以及它們的45°夾角三個(gè)方向位移場u場、v場和s場，或者其中任意一、二個(gè)方向的位移場。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括激光器、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡、十二個(gè)全反鏡、反射鏡、可調(diào)節(jié)工作臺(tái)、相移驅(qū)動(dòng)裝置、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)和支架。其連接關(guān)系為激光器、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡、全反鏡、反射鏡、相移驅(qū)動(dòng)裝置固定在同一支架上，可調(diào)節(jié)工作臺(tái)、攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)則作為圖像采集與處理裝置是獨(dú)立單元。由He-Ne激光器發(fā)出波長為6328的激光經(jīng)過40×擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后，到達(dá)準(zhǔn)直鏡，其直徑為Φ＝206mm，焦距f＝600mm；準(zhǔn)直鏡把擴(kuò)束后的發(fā)散光變成平行等直徑(Φ＝206mm)的平面波前光；它照射在六塊面積為50×35mm2的全反鏡上，這六面全反鏡的中心安裝在直徑為140mm的圓周上，并固定在準(zhǔn)直鏡鏡架上，它們把原來的一束準(zhǔn)直平行光分成六束方向不同的準(zhǔn)直平行光。這六束方向不同的準(zhǔn)直平行光經(jīng)過另外六塊全反鏡的反射作用，以兩兩對稱的入射到可調(diào)節(jié)工作臺(tái)上。全反鏡固定在支撐準(zhǔn)直鏡的支架上，鏡面方向可以微調(diào)。通過調(diào)整全反鏡的位置以保證所需的六束光路有合適的入射方向；可調(diào)節(jié)工作臺(tái)的位置可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，安裝調(diào)試試件；攝像機(jī)，獲取干涉條紋的視頻信號；計(jì)算機(jī)，信號采集與數(shù)據(jù)處理。
所述的相移驅(qū)動(dòng)裝置，共有三個(gè)，大小、規(guī)格相同。每一個(gè)是由一個(gè)外徑為20mm，壁厚為2mm的壓電陶瓷管和電源組成。壓電陶瓷管的一個(gè)端部與全反鏡相連，另一端與支架固定。電源的正、負(fù)極分別接在壓電陶瓷管的內(nèi)、外管壁上。當(dāng)電源電壓變化時(shí)，壓電陶瓷管沿其軸向伸長或縮短，移動(dòng)的位移量與電壓的變化量成正比。電源電壓在0-10V之間可變，位移分辨率為0.01波長，精度為±0.5％。
本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)位移的高精度實(shí)時(shí)測量，位移測量靈敏度可達(dá)波長量級。系統(tǒng)配有相移裝置，經(jīng)過相移技術(shù)處理后的位移測量精度可達(dá)納米量級。
本發(fā)明可以在一次加載中測試平面內(nèi)三個(gè)方向獨(dú)立的位移場，而目前現(xiàn)有的云紋干涉儀或同類的位移測試裝置最多只能測試兩個(gè)位移場。通過對每一個(gè)位移場變化的計(jì)算，可以得到相應(yīng)的一個(gè)正應(yīng)變場，這樣三個(gè)位移場就可以得到三個(gè)正應(yīng)變場。對于平面問題，有了三個(gè)方向的正應(yīng)變場，就可以完全確定它的應(yīng)變狀態(tài)。目前面內(nèi)兩方向云紋干涉儀，是利用兩個(gè)位移場得到兩個(gè)正應(yīng)變場，再對這兩個(gè)位移場微分，求得一個(gè)剪應(yīng)變場，以確定它的應(yīng)變狀態(tài)。雖然上述兩者理論上都可以確定應(yīng)變狀態(tài)，但實(shí)際測試中，由于被測試物的移動(dòng)等因素，如應(yīng)用云紋干涉技術(shù)結(jié)合鉆孔法測試殘余應(yīng)力時(shí)，除了鉆孔帶來的附加變形產(chǎn)生的誤差外，鉆孔前、后試件的準(zhǔn)確復(fù)位問題是一個(gè)主要的誤差來源，此外，在鉆孔過程中，試件會(huì)有不同程度的移動(dòng)，這種移動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響鉆孔前、后兩個(gè)位移場Moiré條紋所描述的位移量不是同一個(gè)點(diǎn)，即造成在比較兩個(gè)Moiré條紋的變化時(shí)有誤差。
用本發(fā)明結(jié)合鉆孔法測試殘余應(yīng)力時(shí)，可以根據(jù)鉆孔前的Moiré條紋來調(diào)節(jié)鉆孔后的Moiré條紋，以準(zhǔn)確定位試件在鉆孔前、后處在同一位置，從而消除鉆孔帶來的位置改變造成的誤差。同時(shí)，由于六光路云紋干涉儀所測試的是三個(gè)位移場，相應(yīng)得到的是三個(gè)正應(yīng)變場，而不需要計(jì)算剪應(yīng)變，在計(jì)算正應(yīng)變時(shí)，也是沿著Moiré條紋的法線方向，減小了計(jì)算誤差。


圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明v場和s場示意3本發(fā)明相移驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括激光器1、擴(kuò)束鏡2、準(zhǔn)直鏡3、全反鏡4、5、4′、5′、4″、5″以及6、7、6′、7′、6″、7″、反射鏡8、可調(diào)節(jié)工作臺(tái)9、相移驅(qū)動(dòng)裝置10、攝像機(jī)11和計(jì)算機(jī)12、支架13。其連接關(guān)系為激光器1、擴(kuò)束鏡2、準(zhǔn)直鏡3、全反鏡4、全反鏡5、全反鏡6、全反鏡7、反射鏡8、相移驅(qū)動(dòng)裝置10固定在同一支架13上，可調(diào)節(jié)工作臺(tái)9、攝像機(jī)11和計(jì)算機(jī)12則作為圖像采集與處理裝置獨(dú)立設(shè)置。由激光器1發(fā)出波長為6328的激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡2擴(kuò)束后，到達(dá)準(zhǔn)直鏡3，準(zhǔn)直鏡3把擴(kuò)束后的發(fā)散光變成平行等直徑Φ＝206mm的平面波前光，它照射在六塊全反鏡4、5以及4′、5′、4″、5″上，這六面全反鏡的中心設(shè)置在直徑為140mm的圓周上，并固定在準(zhǔn)直鏡3鏡架上，它們把原來的一束準(zhǔn)直平行光分成六束方向不同的準(zhǔn)直平行光。另外六塊可移動(dòng)全反鏡6、7以及6′、7′、6″、7″的中心也在同一圓周上，圓周的直徑是根據(jù)Moiré條紋的分辨率可調(diào)節(jié)，它們分別與4、5以及4′、5′、4″、5″面對面安裝在支架13上，即4與6、5與7、4′與6′、5與′7′、4″與6″、5″與7″面對面，并保持等距離。攝像機(jī)11獲取干涉條紋的視頻信號；計(jì)算機(jī)12，信號采集與數(shù)據(jù)處理。
所述的準(zhǔn)直鏡3，其直徑為Φ＝206mm，焦距f＝600mm。
所述的全反鏡4、5、4′、5′、4″、5″、6、7、6′、7′、6″、7″以及反射鏡8的面積均為50×35mm2。
所述的擴(kuò)束鏡2為40倍擴(kuò)束。
如圖3所示，所述的相移驅(qū)動(dòng)裝置10，共有三個(gè)，每一個(gè)都是由一個(gè)外徑為20mm，壁厚為2mm的壓電陶瓷管14和電源15組成，壓電陶瓷管14的一個(gè)端部與全反鏡4、4′、4″相連，另一端與支架13固定，電源15的正、負(fù)極分別接在壓電陶瓷管14的內(nèi)、外管壁上。電源15電壓在0-10V之間可變，位移分辨率為0.01波長，精度為±0.5％。
如圖2所示，全反鏡4和5兩束光可以在水平方向產(chǎn)生云紋干涉，形成水平方向位移場(u場)，而4′和5′、4″和5″則可以分別在垂直方向、45°方向產(chǎn)生云紋干涉，形成垂直方向、45°方向位移場(v場和s場)°將表面帶有三方向光柵的試件S安放在可調(diào)節(jié)工作臺(tái)的中心，調(diào)整光柵的位置，使其三個(gè)方向分別處在水平、豎直及它們的45°夾角方向。從激光器發(fā)出的激光，經(jīng)過擴(kuò)束、準(zhǔn)直后成為直徑為206mm的平行光分別入射到全反鏡4、5以及4′、5′、4″、5″；經(jīng)過這六個(gè)分光全反鏡后的六束光再入射到可移動(dòng)全反鏡6、7以及6′、7′、6″、7″進(jìn)行二次全反射，調(diào)整各個(gè)反射鏡的位置與角度，使它們的中心以相同的角度(與試件表面的法線方向的夾角)入射到可調(diào)節(jié)工作臺(tái)9上的試件上的同一點(diǎn)，同時(shí)保證它們的+1或-1級衍射光與試件表面的法線方向一致。這樣6、7的+1或-1級衍射光在空間疊加產(chǎn)生干涉條紋，這個(gè)干涉條紋相當(dāng)于一個(gè)虛光柵，它與試件上水平方向光柵方向一致，并疊加產(chǎn)生Moiré條紋，即零場；同理，6′、7′、6″、7″可以分別產(chǎn)生垂直方向、45°方向的零場。當(dāng)試件發(fā)生某種形變時(shí)，會(huì)帶動(dòng)其表面的試件柵一起變化，而處在空間的全反鏡6、7以及6′、7′、6″、7″并沒有發(fā)生變化，即虛光柵沒有變化，它與變化了的試件柵疊加在一起時(shí)，會(huì)分別在水平、豎直及它們的45°夾角方向都產(chǎn)生Moiré條紋，即產(chǎn)生三個(gè)位移場u場、v場和s場，這三個(gè)位移場可以記錄下試件的位移變化、變形情況。
權(quán)利要求
1.一種面內(nèi)三方向云紋干涉儀，包括激光器(1)、擴(kuò)束鏡(2)、準(zhǔn)直鏡(3)、全反鏡(4、5、4′、5′、6、7、6′、7′)、反射鏡(8)、可調(diào)節(jié)工作臺(tái)(9)、相移驅(qū)動(dòng)裝置(10)、攝像機(jī)(11)和計(jì)算機(jī)(12)、支架(13)，其特征在于，還包括全反鏡(4″、5″、6″、7″)，激光器(1)、擴(kuò)束鏡(2)、準(zhǔn)直鏡(3)、全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″、6、7、6′、7′、6″、7″)、反射鏡(8)、相移驅(qū)動(dòng)裝置(10)固定在同一支架(13)上，可調(diào)節(jié)工作臺(tái)(9)、攝像機(jī)(11)和計(jì)算機(jī)(12)則作為圖像采集與處理裝置獨(dú)立設(shè)置，由激光器(1)發(fā)出激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡(2)擴(kuò)束后，到達(dá)準(zhǔn)直鏡(3)，準(zhǔn)直鏡(3)把擴(kuò)束后的發(fā)散光變成平行的平面波前光，照射在六塊全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″)上，經(jīng)過這六個(gè)分光全反鏡后的六束光再入射到可移動(dòng)全反鏡(6、7、6′、7′、6″、7″)進(jìn)行二次全反射，六塊全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″)、六塊可移動(dòng)全反鏡(6、7、6′、7′、6″、7″)的中心分別在同一圓周上，全反鏡(4與6)、(5)與(7)、(4′)與(6′)、(5)與(7′)、(4″)與(6″)、(5″)與(7″)面對面設(shè)置在支架(13)上，并保持等距離，攝像機(jī)(11)獲取干涉條紋的視頻信號，傳送計(jì)算機(jī)(12)進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面內(nèi)三方向云紋干涉儀，其特征是，全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″)把原來的一束準(zhǔn)直平行光分成六束方向不同的準(zhǔn)直平行光，入射到可移動(dòng)全反鏡(6、7、6′、7′、6″、7″)進(jìn)行二次全反射，調(diào)整各個(gè)反射鏡的位置與角度，使它們的中心以相同的角度入射到可調(diào)節(jié)工作臺(tái)(9)上的試件上的同一點(diǎn)，同時(shí)保證它們的+1或-1級衍射光與試件表面的法線方向一致，全反鏡(4″、5″、6″、7″)組成45°方向的干涉光路，它形成第三個(gè)位移場s場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的面內(nèi)三方向云紋干涉儀，其特征是，所述的全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″)，其中心設(shè)置在直徑為140mm的圓周上，并固定在準(zhǔn)直鏡(3)鏡架上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的面內(nèi)三方向云紋干涉儀，其特征是，所述的全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″、6、7、6′、7′、6″、7″)以及反射鏡(8)的面積為50×35mm2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面內(nèi)三方向云紋干涉儀，其特征是，所述的準(zhǔn)直鏡(3)，其直徑為Φ＝206mm，焦距f＝600mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面內(nèi)三方向云紋干涉儀，其特征是，所述的擴(kuò)束鏡(2)為40倍擴(kuò)束的擴(kuò)束鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面內(nèi)三方向云紋干涉儀，其特征是，所述的相移驅(qū)動(dòng)裝置(10)，共有三個(gè)，每一個(gè)都是由壓電陶瓷管(14)和電源(15)組成，壓電陶瓷管(14)的一個(gè)端部與全反鏡(4、4′、4″)相連，另一端與支架(13)固定，電源(15)的正、負(fù)極分別接在壓電陶瓷管(14)的內(nèi)、外管壁上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的面內(nèi)三方向云紋干涉儀，其特征是，所述的電源(15)電壓在0--10V之間，位移分辨率為0.01波長，精度為±0.5％。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的面內(nèi)三方向云紋干涉儀，其特征是，所述的壓電陶瓷管(14)，外徑為20mm，壁厚為2mm。
全文摘要
一種測試技術(shù)領(lǐng)域的面內(nèi)三方向云紋干涉儀，包括激光器、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡、十二個(gè)全反鏡、反射鏡、可調(diào)節(jié)工作臺(tái)、相移驅(qū)動(dòng)裝置、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)和支架。激光器、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡、全反鏡、反射鏡、相移驅(qū)動(dòng)裝置固定在支架上，可調(diào)節(jié)工作臺(tái)、攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)獨(dú)立設(shè)置，激光器發(fā)出激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后，到達(dá)準(zhǔn)直鏡，準(zhǔn)直鏡把擴(kuò)束后的發(fā)散光變成平行的平面波前光，照射在六塊全反鏡上，經(jīng)過這六個(gè)分光全反鏡后的六束光再入射到另六塊全反鏡進(jìn)行二次全反射。用本發(fā)明結(jié)合鉆孔法測試殘余應(yīng)力時(shí)，可消除鉆孔帶來的位置改變造成的誤差，而且由于得到的是三個(gè)正應(yīng)變場，不需要計(jì)算剪應(yīng)變，在計(jì)算正應(yīng)變時(shí)，也是沿著Moiré條紋的法線方向，減小了計(jì)算誤差。
文檔編號G01B11/00GK1740738SQ20051002794
公開日2006年3月1日 申請日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月21日
發(fā)明者陳巨兵, 余征躍, 張熹, 陸鵬, 辛全成 申請人:上海交通大學(xué)