專利名稱：殘余應(yīng)力沿深度分布分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)無(wú)損檢測(cè)儀器。
背景技術(shù)：
殘余應(yīng)力及其沿深度方向分布的測(cè)試一直是實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。殘余應(yīng)力的存在使得結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定甚至破壞的例子屢見(jiàn)不鮮，無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域也將殘余應(yīng)力檢測(cè)列為極為重要的研究領(lǐng)域。例如，對(duì)于港口瞬變負(fù)荷，在大容量電網(wǎng)可穩(wěn)定運(yùn)行；但在應(yīng)急狀況下，采用較小容量備用電站供電時(shí)，一般做法是通過(guò)增大電站容量來(lái)滿足港口這類特殊用電負(fù)荷的要求；但是機(jī)組頻繁突加突卸，機(jī)組轉(zhuǎn)速頻繁大幅波動(dòng)，機(jī)組軸系扭矩沖擊劇烈，將大幅降低軸系疲勞壽命，造成嚴(yán)重問(wèn)題。開(kāi)展港口瞬變負(fù)荷備用柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)研究，采用蓄能機(jī)組應(yīng)對(duì)沖擊瞬變負(fù)荷，機(jī)組軸系串接了蓄能飛輪，軸系沖擊較普通機(jī)組小，通過(guò)“殘余應(yīng)力沿深度分布分析儀”來(lái)測(cè)試殘余應(yīng)力及其沿深度方向分布，從而研究軸系長(zhǎng)期沖擊和疲勞狀態(tài)下材料的殘余應(yīng)力，以保證軸系使用壽命和安全。專利為ZL200510027941. 5的發(fā)明中公布了一種面內(nèi)三方向云紋干涉儀，該儀器應(yīng)用高密度衍射光柵和激光干涉技術(shù)進(jìn)行位移和變形的測(cè)量，因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的成因很復(fù)雜，造成它的大小及分布也非常復(fù)雜，尤其是沿深度方向。鉆孔測(cè)試殘余應(yīng)力是最常見(jiàn)的方法，美國(guó)ASTM專門制訂了電阻應(yīng)變花結(jié)合鉆孔測(cè)量殘余應(yīng)力及其沿深度分布的標(biāo)準(zhǔn)。由于電阻應(yīng)變花在測(cè)量鉆孔過(guò)程的釋放應(yīng)變存在難以克服的缺陷，限制了該方法的測(cè)量精度。目前，國(guó)內(nèi)外還未有上述“電阻應(yīng)變花結(jié)合鉆孔測(cè)量殘余應(yīng)力及其沿深度分布”的裝置，只是應(yīng)用粘貼應(yīng)變片(又叫電阻應(yīng)變花)的電測(cè)方法來(lái)間接和逐點(diǎn)測(cè)量，貼到應(yīng)變片的地方有數(shù)據(jù)，沒(méi)有貼到的沒(méi)有數(shù)據(jù)，所以這是一種逐點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，且受到環(huán)境、溫度等限制，既不穩(wěn)定，還很不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)無(wú)損檢測(cè)儀器，該儀器能直接獲得試件沿深度上的殘余應(yīng)力分布數(shù)據(jù)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種殘余應(yīng)力沿深度分布分析儀，它包括激光器、空間濾波器、三方向云紋儀本體、試件平臺(tái)、相移器全反射部件、鉆孔裝置、圖像采集裝置及控制處理系統(tǒng)；激光器固定在支撐架上；空間濾波器包括高倍物鏡、針孔、物鏡調(diào)節(jié)座、物鏡調(diào)節(jié)座支撐、滑動(dòng)平板、固定平板、針孔調(diào)節(jié)座支撐、針孔調(diào)節(jié)座、螺柱A、調(diào)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(diào)節(jié)座中，物鏡調(diào)節(jié)座通過(guò)物鏡調(diào)節(jié)座支撐與固定平板固定連接；針孔固定在針孔調(diào)節(jié)座上，針孔調(diào)節(jié)座由兩個(gè)套接的圓盤組成，針孔固定在里側(cè)圓盤中，里側(cè)圓盤與外側(cè)圓盤間通過(guò)一個(gè)彈簧與兩個(gè)調(diào)節(jié)螺栓固定，彈簧與兩個(gè)調(diào)節(jié)螺栓對(duì)里側(cè)圓盤進(jìn)行三點(diǎn)支撐，孔調(diào)節(jié)座通過(guò)針孔調(diào)節(jié)座支撐與滑動(dòng)平板固定連接，滑動(dòng)平板放置在固定平板上，針孔調(diào)節(jié)座支撐底部安有螺柱A，螺柱A的一端旋入固定平板中，固定平板位于調(diào)平板的上表面；固定板與調(diào)平板通過(guò)螺柱B連接，在固定板與調(diào)平板之間放有彈子與彈簧，空間濾波器通過(guò)固定板安裝在支撐架上；三方向云紋儀本體包括大面積全反射鏡、非球面鏡及其調(diào)節(jié)座、三方向云紋組合板以及支架；非球面鏡及其調(diào)節(jié)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(guò)螺栓連接，在兩個(gè)平板之間放置彈簧與鋼球；三方向云紋組合板包括上下設(shè)置的兩塊圓板，上面的圓板a以其圓心為原點(diǎn)，在其X軸、y軸以及45°軸上，對(duì)稱的設(shè)有6個(gè)方孔，下面的圓板b以其圓心為原點(diǎn)，在其y軸上，對(duì)稱的設(shè)有2個(gè)方孔；大面積全反射鏡、非球面鏡及其調(diào)節(jié)座、三方向云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(diǎn)，沿其X軸、y軸以及45°軸方向開(kāi)有6個(gè)斜孔，斜孔的斜面與水平夾角為a，在每個(gè)斜孔的斜面上安裝2塊全反射鏡，其中，內(nèi)側(cè)斜面上的全反射鏡與三方向云紋組合板中圓板a的方孔上下對(duì)應(yīng)，在外側(cè)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(tái)內(nèi)，其中心對(duì)應(yīng)相移器全反射部件外圈反射鏡的聚點(diǎn)，在試件的正上方的試件平臺(tái)上設(shè)有與水平夾角45°的全反射鏡A，圖像采集裝置用于采集全反射鏡A反射的圖像，并將采集到的圖像傳送至控制處理系統(tǒng)，控制處理系統(tǒng)同時(shí)對(duì)鉆孔裝置及相移器全反射部件中的相移器進(jìn)行控制，三方向云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(tái)的上方。本發(fā)明的有益效果是1)本發(fā)明采用空間濾波器有效的濾除光場(chǎng)邊緣雜質(zhì)，并提高了擴(kuò)束面積，還使得光場(chǎng)更加均勻和純凈，從而提高了條紋的對(duì)比度；2)本發(fā)明采用采用非球面準(zhǔn)直鏡形成高質(zhì)量的準(zhǔn)直光，使得儀器更加緊湊；3)本發(fā)明空間濾波器的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以多角度的調(diào)節(jié)高倍物鏡與針孔之間的相對(duì)位置，以保持基準(zhǔn)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中空間濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中本發(fā)明中針孔調(diào)節(jié)座結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明中非球面鏡及其調(diào)節(jié)座結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明中三方向云紋組合板結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明中相移器全反射部件的主視圖；圖7為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；其中，1-激光器、2-空間濾波器、3-三方向云紋儀本體、4-試件平臺(tái)、5-相移器全反射部件、6-鉆孔裝置、7-圖像采集、8-控制處理系統(tǒng)、2.1-高倍物鏡、2. 2-針孔、2. 3-物鏡調(diào)節(jié)座、2. 4-物鏡調(diào)節(jié)座支撐、2. 5-滑動(dòng)平板、2. 6-固定平板、2. 7-針孔調(diào)節(jié)座支撐、
2.8-針孔調(diào)節(jié)座、2. 9-螺柱A、2. 10-調(diào)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(diào)節(jié)座、3. 3-三方向云紋組合板。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)附圖1，一種殘余應(yīng)力沿深度分布分析儀，它包括激光器1、空間濾波器2、三方向云紋儀本體3、試件平臺(tái)4、相移器全反射部件5、鉆孔裝置6和圖像采集裝置7及控制處理系統(tǒng)8 ；激光器I固定在支撐架上；參見(jiàn)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(diào)節(jié)座2. 3、物鏡調(diào)節(jié)座支撐2. 4、滑動(dòng)平板2. 5、固定平板2. 6、針孔調(diào)節(jié)座支撐2. 7、針孔調(diào)節(jié)座2. 8、螺柱A2. 9、調(diào)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(diào)節(jié)座2. 3中，根據(jù)旋入的深度，可調(diào)節(jié)高倍物鏡2.1距針孔2的距離，物鏡調(diào)節(jié)座2. 3通過(guò)物鏡調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)座2. 8上，針孔調(diào)節(jié)座2. 8由兩個(gè)套接的圓盤組成，針孔2. 2固定在里側(cè)圓盤中，里側(cè)圓盤與外側(cè)圓盤間通過(guò)一個(gè)彈簧與兩個(gè)調(diào)節(jié)螺栓固定，彈簧與兩個(gè)調(diào)節(jié)螺栓對(duì)里側(cè)圓盤進(jìn)行三點(diǎn)支撐，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)螺栓就可以調(diào)節(jié)針孔2. 2上下、左右的位置，孔調(diào)節(jié)座2. 8通過(guò)針孔調(diào)節(jié)座支撐2. 7與滑動(dòng)平板2. 5固定連接，滑動(dòng)平板2. 5放置在固定平板2. 6上，通過(guò)調(diào)節(jié)安裝于針孔調(diào)節(jié)座支撐2.7底部的螺柱A2.9，可調(diào)節(jié)高倍物鏡2.1距針孔2.2的距離；固定平板2. 6位于調(diào)平板2. 10的上表面，固定板2. 11與調(diào)平板2. 10通過(guò)螺柱B2. 12連接，在固定板2. 11與調(diào)平板2. 10之間放有彈子與彈簧，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺柱B2. 12，可使調(diào)平板2. 10相對(duì)于固定板2. 11沿彈子上下繞動(dòng)，產(chǎn)生傾斜，空間濾波器2通過(guò)固定板2. 11下方安裝在支撐架上；參見(jiàn)附圖3、4、5，三方向云紋儀本體3包括大面積全反射鏡3.1、非球面鏡及其調(diào)節(jié)座3. 2、三方向云紋組合板3. 3以及支架；非球面鏡及其調(diào)節(jié)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(guò)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(zhuǎn)螺栓可調(diào)節(jié)非球面準(zhǔn)直鏡相對(duì)于平板B的角度，從而達(dá)到調(diào)整光路準(zhǔn)直性的目的；三方向云紋組合板3. 3包括上下設(shè)置的兩塊圓板，上面的圓板a以其圓心為原點(diǎn)，在其X軸、y軸以及45°軸上，對(duì)稱的設(shè)有6個(gè)方孔，下面的圓板b以其圓心為原點(diǎn)，在其y軸上，對(duì)稱的設(shè)有2個(gè)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(lái)的準(zhǔn)直光線通過(guò)其上的6個(gè)方孔，形成6塊區(qū)域光場(chǎng)；圓板b可以繞中心旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其方孔轉(zhuǎn)到X軸方向時(shí)，對(duì)圓板a的y軸及45°方向的光場(chǎng)進(jìn)行了遮擋，只讓x軸方向的2個(gè)方孔光場(chǎng)通過(guò)，此時(shí)，光場(chǎng)對(duì)應(yīng)X場(chǎng)的測(cè)量，同理,當(dāng)b板旋轉(zhuǎn)到y(tǒng)軸，則對(duì)應(yīng)y場(chǎng)測(cè)量，b旋轉(zhuǎn)到45°軸方向，可測(cè)量45°方向的光場(chǎng)；大面積全反射鏡3.1、非球面鏡及其調(diào)節(jié)座3. 2、三方向云紋組合板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(jiàn)附圖6，以相移器全反射部件5的圓心為原點(diǎn)，沿其X軸、y軸以及45°軸方向開(kāi)有6個(gè)斜孔，斜孔的斜面與水平夾角為a，在每個(gè)斜孔的斜面上安裝2塊全反射鏡，其中，內(nèi)側(cè)斜面上的全反射鏡與三方向云紋組合板3. 3中圓板a的方孔上下對(duì)應(yīng)，在外側(cè)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(tái)4內(nèi)，其中心對(duì)應(yīng)相移器全反射部件5外圈反射鏡的聚點(diǎn)，在試件的正上方的試件平臺(tái)4上設(shè)有與水平夾角45°的全反射鏡A，圖像采集裝置7用于采集全反射鏡A反射的圖像，并將采集到的圖像傳送至控制處理系統(tǒng)8，控制處理系統(tǒng)8同時(shí)對(duì)鉆孔裝置6及相移器全反射部件5進(jìn)行控制，三方向云紋儀本體3與相移器全反射部件5安裝在試件上方的試件平臺(tái)4上；殘余應(yīng)力沿深度分布分析儀的工作流程為激光器I射出的激光經(jīng)空間濾波器2后，投射到大面積全反射鏡3. 1，大面積全反射鏡3.1將激光反射到非球面鏡，使光場(chǎng)成為均勻的準(zhǔn)直光場(chǎng)，光場(chǎng)經(jīng)三方向云紋組合板
3.3及相儀器全反射部件5的折射后，照射至試件表面，控制處理系統(tǒng)8相儀器全反射部件5外圈上的相移器，對(duì)光程進(jìn)行干預(yù)，圖像采集裝置7通過(guò)全反射鏡A采集到試件上因光場(chǎng)干預(yù)而形成的條紋圖像，并傳送至控制處理系統(tǒng)8，控制處理系統(tǒng)8控制鉆孔裝置6對(duì)試件鉆孔，鉆孔后，將鉆孔裝置6移出光路，圖像采集裝置7采集鉆孔后的試件表面條紋圖片，并傳送至控制處理系統(tǒng)8，控制處理系統(tǒng)8通過(guò)對(duì)比鉆孔前后的相移圖片，計(jì)算出殘余應(yīng)力，附圖7為圖像采集裝置7采集到的試件條紋圖像。
權(quán)利要求
1.一種殘余應(yīng)力沿深度分布分析儀，其特征是，它包括激光器(I)、空間濾波器(2)、三方向云紋儀本體(3)、試件平臺(tái)(4)、相移器全反射部件(5)、鉆孔裝置(6)、圖像采集裝置(7)及控制處理系統(tǒng)(8)； 激光器(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(diào)節(jié)座(2. 3)、物鏡調(diào)節(jié)座支撐(2. 4)、滑動(dòng)平板(2. 5)、固定平板(2. 6)、針孔調(diào)節(jié)座支撐(2. 7)、針孔調(diào)節(jié)座(2. 8)、螺柱A (2. 9)、調(diào)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(diào)節(jié)座(2. 3)中，物鏡調(diào)節(jié)座(2. 3)通過(guò)物鏡調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)座(2. 8)上，針孔調(diào)節(jié)座(2.8)由兩個(gè)套接的圓盤組成，針孔(2.2)固定在里側(cè)圓盤中，里側(cè)圓盤與外側(cè)圓盤間通過(guò)一個(gè)彈簧與兩個(gè)調(diào)節(jié)螺栓固定，彈簧與兩個(gè)調(diào)節(jié)螺栓對(duì)里側(cè)圓盤進(jìn)行三點(diǎn)支撐，孔調(diào)節(jié)座(2.8)通過(guò)針孔調(diào)節(jié)座支撐(2.7)與滑動(dòng)平板(2. 5)固定連接，滑動(dòng)平板(2.5)放置在固定平板(2. 6)上，針孔調(diào)節(jié)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)位于調(diào)平板(2. 10)的上表面；固定板(2. 11)與調(diào)平板(2. 10)通過(guò)螺柱B (2. 12)連接，在固定板(2. 11)與調(diào)平板(2. 10)之間放有彈子與彈簧，空間濾波器(2)通過(guò)固定板(2. 11)安裝在支撐架上； 三方向云紋儀本體(3 )包括大面積全反射鏡(3.1)、非球面鏡及其調(diào)節(jié)座(3. 2 )、三方向云紋組合板(3. 3)以及支架；非球面鏡及其調(diào)節(jié)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(guò)螺栓連接，在兩個(gè)平板之間放置彈簧與鋼球；三方向云紋組合板(3. 3)包括上下設(shè)置的兩塊圓板，上面的圓板a以其圓心為原點(diǎn)，在其X軸、y軸以及45°軸上，對(duì)稱的設(shè)有6個(gè)方孔，下面的圓板b以其圓心為原點(diǎn)，在其y軸上，對(duì)稱的設(shè)有2個(gè)方孔；大面積全反射鏡(3.1)、非球面鏡及其調(diào)節(jié)座(3. 2)、三方向云紋組合板(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(diǎn)，沿其X軸、y軸以及45°軸方向開(kāi)有6個(gè)斜孔，斜孔的斜面與水平夾角為a，在每個(gè)斜孔的斜面上安裝2塊全反射鏡，其中，內(nèi)側(cè)斜面上的全反射鏡與三方向云紋組合板(3. 3)中圓板a的方孔上下對(duì)應(yīng)，在外側(cè)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(tái)(4)內(nèi)，其中心對(duì)應(yīng)相移器全反射部件(5)外圈反射鏡的聚點(diǎn)，在試件的正上方的試件平臺(tái)(4)上設(shè)有與水平夾角45°的全反射鏡A，圖像采集裝置(7)用于采集全反射鏡A反射的圖像，并將采集到的圖像傳送至控制處理系統(tǒng)(8)，控制處理系統(tǒng)(8 )同時(shí)對(duì)鉆孔裝置(6 )及相移器全反射部件(5 )中的相移器進(jìn)行控制，三方向云紋儀本體(3)與相移器全反射部件(5)安裝在試件上方的試件平臺(tái)(4)的上方。
2.如權(quán)利要求1所述的一種殘余應(yīng)力沿深度分布分析儀，其特征是，所述激光器(I)與空間濾波器(2)下方的支撐架高度可調(diào)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種殘余應(yīng)力沿深度分布分析儀，其特征是，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(quán)利要求1或2所述的一種殘余應(yīng)力沿深度分布分析儀，其特征是，激光器(I)采用固體泵浦綠激光器。
全文摘要
本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)無(wú)損檢測(cè)儀器，一種殘余應(yīng)力沿深度分布分析儀，激光器(1)射出的激光經(jīng)空間濾波器(2)后，投射到大面積全反射鏡(3.1)，大面積全反射鏡(3.1)將激光反射到非球面鏡，使光場(chǎng)成為均勻的準(zhǔn)直光場(chǎng)，光場(chǎng)經(jīng)三方向云紋組合板(3.3)及相移器全反射部件(5)的折射后，照射至試件表面，控制處理系統(tǒng)(8)控制儀器全反射部件(5)外圈上的相移器，對(duì)光程進(jìn)行干預(yù)，圖像采集裝置(7)通過(guò)全反射鏡A采集到試件上因光場(chǎng)干涉而形成的條紋圖像，并傳送至控制處理系統(tǒng)(8)，控制處理系統(tǒng)(8)控制鉆孔裝置(6)對(duì)試件鉆孔；利用本發(fā)明可以直接獲得試件沿深度上的殘余應(yīng)力分布數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G01L1/24GK103033297SQ20121052959
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者陸鵬, 陳巨兵, 張熹, 吳君毅, 羅飛 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所