用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀及使用方法
【專利摘要】一種用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀及使用方法，滑臺組由一個長行程滑臺和兩個短行程滑臺組成，長行程滑臺固定在安裝面板上，兩個短行程滑臺相互垂直，所述安裝面板為一個T字型面板，用于安裝滑臺組、支撐圓管、角度指針以及干涉儀底座；兩個支撐圓管分別位于滑臺組兩側且與滑臺組距離相等；所述光纖準直器輸入端與光纖連接，在輸出端獲得光束直徑50mm的準直平行光；所述鏡筒夾固定于支撐管的端部，用于安裝光纖準直器；所述干涉儀底座用于調整和固定干涉儀的空間位置，干涉儀底座與安裝面板通過螺栓連接；所述支撐圓管的一端連接面板和角度指針，支撐圓管的另一端連接鏡筒夾；所述工業(yè)CCD相機通過連接板固定在滑臺組的短行程滑臺上。
【專利說明】
用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀及使用方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀及使用方法，屬于激光干涉儀技術領域。
【背景技術】
[0002]材料在受到外加載荷作用時，其表面將會產生變形和應變。而通過測試獲得材料表面應變場分布信息，可計算獲得材料局部位置受力狀態(tài)以及材料內部缺陷信息，為材料制造質量評定以及結構服役可靠性評價提供重要依據(jù)。
[0003]針對材料變形及應變的測量，目前比較常用的方法是電測法，即在被測位置粘貼電阻應變片，通過應變儀測試材料變形后應變片敏感柵電阻值的變化量，進而獲得變形和應變測試結果。
[0004]現(xiàn)有的散斑干涉測試方法缺少有效可靠的系統(tǒng)裝置，通常的測試方法是采用分束鏡、反光鏡等光學鏡片搭建空間光路，需要專門的隔震平臺來布置所需的光學元件，不僅調節(jié)光路的過程繁瑣復雜，而且靈活性差，僅能用于實驗室測量分析，無法對尺寸龐大、空間形狀復雜的實際構件進行現(xiàn)場測量。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的激光散斑測試系統(tǒng)存在的調節(jié)光路的過程繁瑣復雜、靈活性差，僅能用于實驗室測量分析，無法對尺寸龐大、空間形狀復雜的實際構件進行現(xiàn)場測量的問題，進而提供一種用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀及使用方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0007]—種用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀，包括:滑臺組、安裝面板、兩個光纖準直器、兩個鏡筒夾、干涉儀底座、兩個支撐圓管、兩個角度指針和工業(yè)CCD相機，所述滑臺組由一個長行程滑臺和兩個短行程滑臺組成，長行程滑臺固定在安裝面板上，用于調節(jié)光學相機z方向位置;兩個短行程滑臺相互垂直，位于xoy平面內，分別用于調節(jié)光學相機X方向和y方向的位置;所述安裝面板為一個T字型面板，用于安裝滑臺組、支撐圓管、角度指針以及干涉儀底座;滑臺組中的長行程滑臺固定在安裝面板的y軸上，兩個支撐圓管通過鎖緊螺母固定于安裝面板的X軸上，兩個支撐圓管分別位于滑臺組兩側且與滑臺組距離相等；所述光纖準直器輸入端與光纖連接，用于將光纖輸出的發(fā)散光聚焦，在輸出端獲得光束直徑50mm的準直平行光;所述鏡筒夾固定于支撐管的端部，用于安裝光纖準直器;所述干涉儀底座用于調整和固定干涉儀的空間位置，干涉儀底座與安裝面板通過螺栓連接;所述支撐圓管的一端連接面板和角度指針，支撐圓管的另一端連接鏡筒夾;所述工業(yè)CCD相機通過連接板固定在滑臺組的短行程滑臺上。
[0008]—種用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀的使用方法，
[0009]步驟一:將光纖準直器與光纖連接，將工業(yè)CCD相機與帶有圖像采集和分析軟件的計算機連接，開啟激光器電源和計算機電源；
[0010]步驟二:旋轉兩個支撐圓管，將兩個光纖準直器的角度調至與被測材料表面法向夾角相同的角度，固定角度指針，擰緊支撐圓管鎖緊螺栓，進而固定光纖準直器的空間角度；
[0011]步驟三:調整安裝面板高度方面的位置，使兩束激光光斑重合于被測材料表面，然后固定安裝面板；
[0012]步驟四:兩個鏡筒夾一個鎖緊另一個松開，旋轉光纖準直器，直至兩個光纖準直器發(fā)出的激光束偏振方向一至，鎖緊鏡筒夾；
[0013]步驟五:調整滑臺組的長行程滑臺，使工業(yè)CCD相機鏡頭焦平面至被測材料表面，再調整滑臺組的兩個短行程滑臺，將工業(yè)C⑶相機視野調整至被測位置處。
[0014]步驟六:調整工業(yè)CCD相機鏡頭的光圈、放大倍數(shù)、焦距的參數(shù)，以及相機的增益、曝光時間的參數(shù)，分別采集材料受載變形前后的散斑圖像，并將其輸入至計算機中，利用計算機圖像分析處理技術，由兩個散斑圖像提取材料的面內變形和應變場信息。
[0015]本發(fā)明的有益效果是，結構簡單，設計合理，調節(jié)方便。利用一個長行程滑臺和兩個短行程滑臺，可精確調節(jié)工業(yè)相機的空間位置，同時保證相機軸線與被測平面保持垂直；利用固定在支撐圓管上的角度指針，可精確調節(jié)光纖準直器的角度，且保障兩個準直器鏡筒軸線位于同一平面內。
[0016]本發(fā)明采用散斑干涉法，即將本發(fā)明的激光干涉儀與激光器、光纖組件共同使用，亦可對材料表面的變形和應變進行測量。而相比于電測法，散斑干涉測量法具有三個明顯優(yōu)勢:1、電測法需要在被測位置粘貼電阻應變片，而散斑干涉法為光學非接觸式測量法，無需在被測表面粘貼任何元件，一方面提高測試效率，另一方面可對高溫、腐蝕性材料表面進行測試;2、電測法變形和應變的測試誤差來源于應變片敏感柵制造質量、應變片粘貼質量、應變儀電子元件制造精度以及電網電壓穩(wěn)定程度等多個方面，而激光散斑干涉法測試精度僅與激光器波長穩(wěn)定性有關，而激光器波長波動范圍通常小于5μπι，因此采用本發(fā)明的裝置，可有效減少測試誤差來源，大幅提高測試精度;3、電測法僅可獲得應變片敏感柵位置區(qū)域的應變平均值，而散斑干涉法可獲得被測區(qū)域應變全場分布數(shù)值，因此對于缺陷尖端位置、材料截面變化位置、應力應變集中位置等應變呈現(xiàn)梯度變化分布的位置，采用散斑干涉法可以準確捕捉到應變峰值等關鍵信息。
[0017]如上所述，相比于傳統(tǒng)的電測法，散斑干涉法具有更高的測試效率、更高的測試精度。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明裝置對水平面測量時的裝置示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明裝置對豎直面測量時的裝置示意圖。
[0020]圖中的附圖標記，I為滑臺組，2為安裝面板，3為兩個光纖準直器，4為兩個鏡筒夾，5為干涉儀底座，6為兩個支撐圓管，7為兩個角度指針，8為工業(yè)CCD相機。
【具體實施方式】
[0021]下面將結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明:本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述實施例。
[0022]如圖1和圖2所示，本實施例所涉及的一種用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀，包括:滑臺組1、安裝面板2、兩個光纖準直器3、兩個鏡筒夾4、干涉儀底座5、兩個支撐圓管6、兩個角度指針7和工業(yè)CCD相機8，所述滑臺組I由一個長行程滑臺和兩個短行程滑臺組成，長行程滑臺固定在安裝面板2上，用于調節(jié)光學相機z方向位置;兩個短行程滑臺相互垂直，位于xoy平面內，分別用于調節(jié)光學相機X方向和y方向的位置;三個滑臺兩兩垂直分布，通過旋轉調整手柄即可實現(xiàn)相機XYZ三個自由度的精確調節(jié)；與此同時，三個滑臺兩兩垂直的分布，又很好地限制了光學相機的其他三個旋轉自由度，保障相機焦平面與被測材料表面法線垂直，進而精確采集被測材料表面散斑信息。
[0023]所述安裝面板2為一個T字型8mm厚的鋁合金面板，用于安裝滑臺組1、支撐圓管6、角度指針7以及干涉儀底座4;滑臺組I中的長行程滑臺固定在安裝面板2的y軸上，兩個支撐圓管6通過鎖緊螺母固定于安裝面板2的X軸上，兩個支撐圓管6分別位于滑臺組I兩側且與滑臺組I距離相等。
[0024]所述光纖準直器3輸入端與光纖連接，用于將光纖輸出的發(fā)散光聚焦，在輸出端獲得光束直徑50mm的準直平行光。
[0025]所述鏡筒夾4固定于支撐管6的端部，用于安裝光纖準直器3。當鏡筒夾的鎖緊螺栓處于松開狀態(tài)時，光纖準直器3可沿軸線方向平移和轉動。
[0026]所述干涉儀底座5用于調整和固定干涉儀的空間位置。松開鎖緊螺母，可調節(jié)干涉儀高度方向位置；擰緊鎖緊螺母，即可固定干涉儀。干涉儀底座4與安裝面板2通過螺栓連接，既可以將安裝面板2水平固定使干涉儀測試水平面的變形和應變，又可以將安裝面板2豎直固定使干涉儀測試豎直面的變形和應變。
[0027]所述支撐圓管6—端連接安裝面板2和角度指針7，另一端連接鏡筒夾4。兩個支撐圓管6長度相同，進而兩個準直鏡的軸線位于同一平面內。當位于安裝面板2后面的圓管鎖緊螺母處于松開狀態(tài)時，支撐圓管6可與固定于其上的鏡筒夾4和角度指針7共同轉動，進而調節(jié)光纖準直器3與被測表面法線的夾角。
[0028]所述角度指針7固定在支撐圓管6上，其指向方向與光纖準直器3的軸線方向一致。當位于安裝面板2背面的支撐管鎖緊螺母處于松開狀態(tài)時，角度指針7、鏡筒夾4以及光纖準直器3可隨支撐管6—起轉動，而角度指針7所指向的角度即為光纖準直器3與相機軸線的夾角角度。在安裝面板2上面有30°、45°和60°三個角度的精確定位孔，可通過螺栓將角度指針精確可靠地定位在這三個孔之一，從而精確控制全息測量過程中激光束的入射角度。
[0029]所述工業(yè)CXD相機8通過連接板固定在滑臺組I的短行程滑臺上，工業(yè)CXD相機用于采集被測材料表面的散斑信息，并將其輸入到計算機之中。工業(yè)CCD相機8的空間位置依靠滑臺組I來調節(jié)。
[0030]—種用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀的使用方法，步驟如下:
[0031]步驟一:將光纖準直器3與光纖連接，將工業(yè)CCD相機8與帶有圖像采集和分析軟件的計算機連接，開啟激光器電源和計算機電源；
[0032]步驟二:旋轉兩個支撐圓管6，將兩個光纖準直器3的角度調至與被測材料表面法向夾角相同的角度，固定角度指針7，擰緊支撐圓管6鎖緊螺栓，進而固定光纖準直器3的空間角度；
[0033]步驟三:調整安裝面板2高度方面的位置，使兩束激光光斑重合于被測材料表面，然后固定安裝面板2;
[0034]步驟四:兩個鏡筒夾4一個鎖緊另一個松開，旋轉光纖準直器3，直至兩個光纖準直器3發(fā)出的激光束偏振方向一至，鎖緊鏡筒夾4 ；
[0035]步驟五:調整滑臺組I的長行程滑臺，使工業(yè)CCD相機8鏡頭焦平面至被測材料表面，再調整滑臺組I的兩個短行程滑臺，將工業(yè)C⑶相機8視野調整至被測位置處。
[0036]步驟六:調整工業(yè)CCD相機8鏡頭的光圈、放大倍數(shù)、焦距的參數(shù)，以及相機的增益、曝光時間的參數(shù)，分別采集材料受載變形前后的散斑圖像，并將其輸入至計算機中，利用計算機圖像分析處理技術，由兩個散斑圖像提取材料的面內變形和應變場信息。
[0037]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，這些【具體實施方式】都是基于本發(fā)明整體構思下的不同實現(xiàn)方式，而且本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀，其特征在于，包括:滑臺組(I)、安裝面板(2)、兩個光纖準直器(3)、兩個鏡筒夾(4)、干涉儀底座(5)、兩個支撐圓管(6)、兩個角度指針(7)和工業(yè)CCD相機(8)，所述滑臺組(I)由一個長行程滑臺和兩個短行程滑臺組成，長行程滑臺固定在安裝面板(2)上，用于調節(jié)光學相機z方向位置;兩個短行程滑臺相互垂直，位于xoy平面內，分別用于調節(jié)光學相機X方向和y方向的位置;所述安裝面板(2)為一個T字型面板，用于安裝滑臺組(1)、支撐圓管(6)、角度指針(7)以及干涉儀底座(4);滑臺組(I)中的長行程滑臺固定在安裝面板(2)的y軸上，兩個支撐圓管(6)通過鎖緊螺母固定于安裝面板(2)的X軸上，兩個支撐圓管(6)分別位于滑臺組(I)兩側且與滑臺組(I)距離相等;所述光纖準直器(3)輸入端與光纖連接，用于將光纖輸出的發(fā)散光聚焦，在輸出端獲得光束直徑50mm的準直平行光;所述鏡筒夾(4)固定于支撐管(6)的端部，用于安裝光纖準直器(3);所述干涉儀底座(5)用于調整和固定干涉儀的空間位置，干涉儀底座(4)與安裝面板(2)通過螺栓連接;所述支撐圓管(6)的一端連接面板(2)和角度指針(7)，支撐圓管(6)的另一端連接鏡筒夾(4);所述工業(yè)CCD相機(8)通過連接板固定在滑臺組(I)的短行程滑臺上。2.根據(jù)權利要求1所述的用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀，其特征在于，所述安裝面板(2)由8mm厚的鋁合金面板制成。3.根據(jù)權利要求1所述的用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀，其特征在于，鏡筒夾的鎖緊螺栓處于松開狀態(tài)時，光纖準直器(3)沿軸線方向平移或轉動。4.根據(jù)權利要求1所述的用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀，其特征在于，兩個支撐圓管(6)長度相同。5.根據(jù)權利要求1所述的用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀，其特征在于，所述角度指針(7)固定在支撐圓管(6)上，其指向方向與光纖準直器(3)的軸線方向一致。6.根據(jù)權利要求1所述的用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀，其特征在于，角度指針(7)、鏡筒夾(4)以及光纖準直器(3)隨支撐管(6) 一起轉動。7.根據(jù)權利要求1所述的用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀，其特征在于，所述角度指針(7)所指向的角度即為光纖準直器(3)與相機軸線的夾角角度。8.根據(jù)權利要求1所述的用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀，其特征在于，所述工業(yè)CCD相機(8)的空間位置依靠滑臺組(I)來調節(jié)。9.一種權利要求1所述用于材料面內變形、應變場測量的激光干涉儀的使用方法，其特征在于， 步驟一:將光纖準直器(3)與光纖連接，將工業(yè)CCD相機(8)與帶有圖像采集和分析軟件的計算機連接，開啟激光器電源和計算機電源； 步驟二:旋轉兩個支撐圓管(6)，將兩個光纖準直器(3)的角度調至與被測材料表面法向夾角相同的角度，固定角度指針(7)，擰緊支撐圓管(6)鎖緊螺栓，進而固定光纖準直器(3)的空間角度； 步驟三:調整安裝面板(2)高度方面的位置，使兩束激光光斑重合于被測材料表面，然后固定安裝面板(2); 步驟四:兩個鏡筒夾(4)一個鎖緊另一個松開，旋轉光纖準直器(3)，直至兩個光纖準直器(3)發(fā)出的激光束偏振方向一至，鎖緊鏡筒夾(4)； 步驟五:調整滑臺組(I)的長行程滑臺，使工業(yè)CCD相機(8)鏡頭焦平面至被測材料表面，再調整滑臺組(I)的兩個短行程滑臺，將工業(yè)CCD相機(8)視野調整至被測位置處； 步驟六:調整工業(yè)CCD相機(8)鏡頭的光圈、放大倍數(shù)、焦距的參數(shù)，以及相機的增益、曝光時間的參數(shù)，分別采集材料受載變形前后的散斑圖像，并將其輸入至計算機中，利用計算機圖像分析處理技術，由兩個散斑圖像提取材料的面內變形和應變場信息。
【文檔編號】G01B11/16GK105865361SQ201610210815
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】劉雪松, 潘海博, 閆忠杰
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學