CN114136228B - 基于激光散斑法的热形变检测系统、检测方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光散斑法的热形变检测系统、检测方法及应用，所述检测系统包括：激光发射器，沿所述激光发射器的水平光路依次设置光学准直系统、透七反三分束镜、第一45°分束镜和平面反射镜，沿竖直光路，第二45°分束镜、凸透镜、条纹计数器依次设置于所述第一45°分束镜的上方，第一CCD与透七反三分束镜关于所述竖直光路对称设置，用于采集经所述透七反三分束镜反射至试样后反射出的光的图像，所述第二CCD设置于所述第二45°分束镜的水平右侧，所述图像显示器与所述第一CCD和第二CCD连接。该基于激光散斑法的热形变检测系统及检测方法，利用激光散斑法可同步得到不透光试样的面内位移及离面位移与试样加热温度的关系，并可用于标定形变温度报警器中形变金属条的形变量与温度关系。

Description

基于激光散斑法的热形变检测系统、检测方法及应用

技术领域

本发明提供了一种基于激光散斑法的热形变检测系统、检测方法及应用，可利用光原理检测试样的形变量与温度的对应关系。

背景技术

激光散斑测量是光学测量领域中最主要的测量方法之一，由于其具有快速、实时、精度高、无损检测、全场非接触、灵敏度高、结构简单等优点而被广泛应用于物体形貌、形变测量、损伤探测等领域。激光散斑法测量物体形变、轮廓与微小位移精度可达纳米量级，不仅可以测量物体离面位移，也可以测量面内位移，专利一种测量物体离面与面内位移的激光散斑装置及测量方法（专利号：ZL 201810076110.4）可实现同时测量物体面内位移与离面位移，但是，不能对同一物体同时进行面内和离面位移的观测，而且在面内位移测量方面，仅适用于透光物体，不适用于不透光的物体。

因此，提出一种适用于不透光物体，并可以同时获取物体的面内和离面位移与物体加热温度关系的检测系统及检测方法，成为亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于激光散斑法的热形变检测系统、检测方法及应用，以解决现有检测系统不适用于不透光物体、不能同时获取物体的面内和离面位移的问题。

本发明一方面提供了一种基于激光散斑法的热形变检测系统，用于检测试样的形变量与温度的对应关系，包括：激光发射器、光学准直系统、透七反三分束镜、第一45°分束镜、平面反射镜、第二45°分束镜、凸透镜、条纹计数器、第一CCD、第二CCD和图像显示器，其中，所述光学准直系统、透七反三分束镜、第一45°分束镜和平面反射镜依次沿所述激光发射器的水平光路设置，所述第二45°分束镜、凸透镜、条纹计数器沿与所述激光发射器的水平光路垂直的竖直光路方向依次设置于所述第一45°分束镜的上方，所述试样沿与所述激光发射器的水平光路垂直的竖直光路方向设置于所述第一45°分束镜的下方，所述第一CCD与透七反三分束镜关于所述竖直光路对称设置，用于采集经所述透七反三分束镜反射至试样后反射出的光的图像，所述第二CCD设置于所述第二45°分束镜的水平右侧，所述图像显示器与所述第一CCD和第二CCD连接；

所述激光发射器为380nm-800nm可见光发射器；

所述光学准直系统的所有通光面均镀有380nm-800nm高透膜；

所述透七反三分束镜靠近所述激光发射器的通光面镀有380nm-800nm高透膜和380nm-800nm反射膜，靠近所述第一45°分束镜的通光面镀有380nm-800nm高透膜；

所述第一45°分束镜的所有通光面均镀有380nm-800nm半反半透膜；

所述平面反射镜所有通光面均镀有380nm-800nm高反膜；

所述第二45°分束镜靠近所述第一45°分束镜的通光面镀有380nm-800nm半反半透膜，靠近所述凸透镜的通光面镀有380nm-800nm高透膜；

所述凸透镜的所有通光面均镀有380nm-800nm高透膜。

优选，所述光学准直系统、透七反三分束镜、第一45°分束镜、平面反射镜、第二45°分束镜、凸透镜上的镀膜为偏振膜和非偏振膜中的一种或两种。

进一步优选，所述条纹计数器为手机、照相机、摄像机、CCD中的一种。

进一步优选，所述第一CCD为彩色CCD或黑白CCD，第二CCD为彩色CCD或黑白CCD。

本发明还提供了一种基于激光散斑法的热形变检测方法，利用上述的激光散斑法的热形变检测系统，所述基于激光散斑法的热形变检测方法包括如下步骤：

S1：将试样沿与所述激光发射器的水平光路垂直的竖直光路方向设置于所述第一45°分束镜的下方；

S2：控制激光发射器沿所述水平光路方向发出激光，之后，调整所述试样的加热温度，并利用所述第一CCD和第二CCD采集不同加热温度条件下的反射光的图像；

S3：利用所述第一CCD和第二CCD采集的图像获得所述试样的形变量与温度的对应关系。

本发明还提供了基于激光散斑法的热形变检测系统的应用，利用上述基于激光散斑法的热形变检测系统标定温度报警器中形变金属条的形变量与温度关系，其中，所述温度报警器中的形变金属条用于在指定温度触发报警电路，实现报警。

本发明提供的基于激光散斑法的热形变检测系统，结构合理，利用激光散斑法可同步得到试样的面内位移及离面位移与试样加热温度的关系，可用于温度报警器中形变金属条的形变量与温度关系的标定。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明提供的基于激光散斑法的热形变检测系统的结构示意图；

图2为温度报警的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。

如图1所示，本发明提供了一种基于激光散斑法的热形变检测系统，用于检测试样12的形变量与温度的对应关系，其特征在于，包括：激光发射器1、光学准直系统2、透七反三分束镜3、第一45°分束镜4、平面反射镜5、第二45°分束镜6、凸透镜7、条纹计数器8、第一CCD9、第二CCD10和图像显示器11，其中，所述光学准直系统2、透七反三分束镜3、第一45°分束镜4和平面反射镜5依次沿所述激光发射器1的水平光路设置，所述第二45°分束镜6、凸透镜7、条纹计数器8沿与所述激光发射器1的水平光路垂直的竖直光路方向依次设置于所述第一45°分束镜4的上方，所述试样12沿与所述激光发射器1的水平光路垂直的竖直光路方向设置于所述第一45°分束镜4的下方，所述第一CCD9与透七反三分束镜3关于所述竖直光路对称设置，用于采集经所述透七反三分束镜3反射至试样12后反射出的光的图像，所述第二CCD10设置于所述第二45°分束镜6的水平右侧，所述图像显示器11与所述第一CCD9和第二CCD10连接；

所述激光发射器1为380nm-800nm可见光发射器；

所述光学准直系统2的所有通光面均镀有380nm-800nm高透膜；

所述透七反三分束镜3靠近所述激光发射器1的通光面镀有380nm-800nm高透膜和380nm-800nm反射膜，靠近所述第一45°分束镜4的通光面镀有380nm-800nm高透膜；

所述第一45°分束镜4的所有通光面均镀有380nm-800nm半反半透膜；

所述平面反射镜5所有通光面均镀有380nm-800nm高反膜；

所述第二45°分束镜6靠近所述第一45°分束镜4的通光面（S3）镀有380nm-800nm半反半透膜，靠近所述凸透镜7的通光面（S4）镀有380nm-800nm高透膜；

所述凸透镜7的所有通光面均镀有380nm-800nm高透膜。

该基于激光散斑法的热形变检测系统的工作原理如下：首先，将试样（如：金属条，可对入射光进行反射，表面还可镀制高反射膜）沿与所述激光发射器的水平光路垂直的竖直光路方向设置于所述第一45°分束镜的下方，之后，激光发射器发出激光，激光经过光学准直系统入射到透七反三分束镜，经透七反三分束镜后，分成透射激光和反射激光两部分，70%激光透射，30%的激光被反射，反射激光入射到试样上，并反射至第一CCD，第一CCD将采集到的图像传输到图像显示器， 70%透射的激光入射到第一45°分束镜，一部分激光被第一45°分束镜的通光面S2反射至试样，与被透七反三分束镜反射至试样上的光重合，该部分激光经试样反射，经第一45°分束镜入射到第二45°分束镜，其中一部分激光被第二45°分束镜的通光面S3反射至第二CCD，另一部分经第二45°分束镜的通光面S3和通光面S4后被凸透镜聚焦到条纹计数器；经过透七反三分束镜透射后的激光经第一45°分束镜的通光面S2和通光面S1入射到平面反射镜，经平面反射镜和第一45°分束镜的通光面S1反射，到达第二45°分束镜，与被试样反射透过第一45°分束镜的激光重合，重合后的激光一部分一同被第二45°分束镜的通光面S3反射至第二CCD，在第二CCD处形成第一干涉光，第一干涉光的干涉条纹经第二CCD采集后在图像显示器显示出来，重合后的另一部分激光经第二45°分束镜的通光面S3和通光面S4后被凸透镜聚焦到条纹计数器，所述条纹计数器可记录并显示与图像显示器中同步的条纹数量与条纹间距。通过调整试样的加热温度，第一CCD和第二CCD会采集到不同温度下的对应图像，利用第一CCD采集的图像可以计算出不同温度下试样的面内位移，利用第二CCD会采集的图像（激光干涉条纹）可以同步计算出不同温度下试验的离面位移，即：可得到试样的形变量与温度的对应关系。

作为技术方案的改进，所述光学准直系统2、透七反三分束镜3、第一45°分束镜4、平面反射镜5、第二45°分束镜6、凸透镜7上的镀膜为偏振膜和非偏振膜中的一种或两种。

作为技术方案的改进，所述条纹计数器8为手机、照相机、摄像机、CCD中的一种。

作为技术方案的改进，所述第一CCD9为彩色CCD或黑白CCD，第二CCD10为彩色CCD或黑白CCD。

本发明还提供了一种基于激光散斑法的热形变检测方法，利用上述的激光散斑法的热形变检测系统，所述基于激光散斑法的热形变检测方法包括如下步骤：

S1：将试样12沿与所述激光发射器1的水平光路垂直的竖直光路方向设置于所述第一45°分束镜4的下方；

S2：控制激光发射器1沿所述水平光路方向发出激光，之后，调整所述试样12的加热温度，并利用所述第一CCD9和第二CCD10采集不同加热温度条件下的反射光的图像；

S3：利用所述第一CCD9和第二CCD10采集的图像获得所述试样12的形变量与温度的对应关系。

该基于激光散斑法的热形变检测方法，利用上述基于激光散斑法的热形变检测系统，可同步得到试样的面内位移及离面位移与试样加热温度的关系。

本发明还提供了基于激光散斑法的热形变检测系统的应用，利用上述基于激光散斑法的热形变检测系统标定温度报警器中形变金属条的形变量与温度关系，其中，所述温度报警器中的形变金属条用于在指定温度触发报警电路，实现报警。

实施例

利用基于激光散斑法的热形变检测系统检测待测金属条的面内位移及离面位移与其加热温度的关系，如图1所示，基于激光散斑法的热形变检测系统包括：激光发射器、光学准直系统、透七反三分束镜、第一45°分束镜、平面反射镜、第二45°分束镜、凸透镜、条纹计数器、第一CCD、第二CCD和图像显示器，其中，所述光学准直系统、透七反三分束镜、第一45°分束镜和平面反射镜依次沿所述激光发射器的水平光路设置，所述第二45°分束镜、凸透镜、条纹计数器沿与所述激光发射器的水平光路垂直的竖直光路方向依次设置于所述第一45°分束镜的上方，所述待测金属条沿与所述激光发射器的水平光路垂直的竖直光路方向设置于所述第一45°分束镜的下方，所述第一CCD与透七反三分束镜关于所述竖直光路对称设置，用于采集经所述透七反三分束镜3反射至待测金属条后反射出的光的图像，所述第二CCD设置于所述第二45°分束镜的水平右侧，所述图像显示器与所述第一CCD和第二CCD连接；

所述激光发射器1为波长为632.8nm的He-Ne激光器；

所述光学准直系统2的所有通光面均镀有380nm-800nm高透膜（HT>99.5%）；

所述透七反三分束镜3靠近所述激光发射器1的通光面镀有380nm-800nm高透膜（HT=70%）和380nm-800nm反射膜（HR=30%），靠近所述第一45°分束镜4的通光面镀有380nm-800nm高透膜（HT>99.5%）；

所述第一45°分束镜4的所有通光面均镀有380nm-800nm半反半透膜（HT=50%&HR=50%）；

所述平面反射镜5所有通光面均镀有380nm-800nm高反膜（HR>99.5%）；

所述第二45°分束镜6靠近所述第一45°分束镜4的通光面（S3）镀有380nm-800nm半反半透膜（HT=50%&HR=50%），靠近所述凸透镜7的通光面（S4）镀有380nm-800nm高透膜（HT>99.5%）；

所述凸透镜7的所有通光面均镀有380nm-800nm高透膜（HT>99.5%）；

所述条纹计数器8为苹果手机；

所述第一CCD和第二CCD均为彩色CCD。

检测待测金属条的面内位移及离面位移与其加热温度的关系的过程如下：

S1：将待测金属条沿与所述激光发射器的水平光路垂直的竖直光路方向设置于所述第一45°分束镜的下方；

S2：控制激光发射器沿所述水平光路方向发出激光，之后，调整所述待测金属条的加热温度，并利用所述第一CCD和第二CCD采集不同加热温度条件下的反射光的图像；

S3：利用所述第一CCD和第二CCD采集的图像获得所述待测金属条的形变量与温度的对应关系。

得到上述待测金属条的形变量与温度的对应关系后，可利用上述金属条制作一款实验用简易温度报警器。

如图2所示，所述温度报警器包括：间距可调的金属固定支架13、加热器14、形变金属条17和报警元器件，其中，所述间距可调的金属固定支架13由通过固定螺栓131连接的第一金属条132和第二金属条133组成，所述形变金属条17和所述加热器14固定于第一金属条132和第二金属条133之间，且所述形变金属条17紧贴于所述加热器14上，所述加热器14通过所述第一金属条132固定，所述形变金属条17与所述第二金属条133之间有空隙（空隙不超过2mm），当加热器温度发生变化时，形变金属条17会发生形变，到达特定温度时，形变金属条17会与第二金属条133接触，所述形变金属条17、报警元器件和第二金属条133依次通过导线连接，形成报警电路，当形变金属条17与第二金属条133接触时，报警电路接通，可发出提示，当形变金属条17与第二金属条133不接触时，报警电路断路，如图2所示，报警元器件可包括指示灯151、蜂鸣器152，报警电路上还设置开关161、电源162，所述第一金属条和第二金属条可以为铁、铜、铝金属材质中的同一种材料，形变金属条为铁、铜或铝。

该温度报警器中的形变金属条通过上述的基于激光散斑法的热形变检测系统进行标定，加热器用于调整形变金属条的加热温度，通过间距可调的金属固定支架调整形变金属条与第二金属条之间的距离，可调整该温度报警器的报警温度，通过预先设定形变金属条与第二金属条的间距可以使该温度报警器在指定温度报警。

上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.基于激光散斑法的热形变检测系统，用于检测试样（12）的形变量与温度的对应关系，其特征在于，包括：激光发射器（1）、光学准直系统（2）、透七反三分束镜（3）、第一45°分束镜（4）、平面反射镜（5）、第二45°分束镜（6）、凸透镜（7）、条纹计数器（8）、第一CCD（9）、第二CCD（10）和图像显示器（11），其中，所述光学准直系统（2）、透七反三分束镜（3）、第一45°分束镜（4）和平面反射镜（5）依次沿所述激光发射器（1）的水平光路设置，所述第二45°分束镜（6）、凸透镜（7）、条纹计数器（8）沿与所述激光发射器（1）的水平光路垂直的竖直光路方向依次设置于所述第一45°分束镜（4）的上方，所述试样（12）沿与所述激光发射器（1）的水平光路垂直的竖直光路方向设置于所述第一45°分束镜（4）的下方，所述第一CCD（9）与透七反三分束镜（3）关于所述竖直光路对称设置，用于采集经所述透七反三分束镜（3）反射至试样（12）后反射出的光的图像，所述第二CCD（10）设置于所述第二45°分束镜（6）的水平右侧，所述图像显示器（11）与所述第一CCD（9）和第二CCD（10）连接；

所述激光发射器（1）为380nm-800nm可见光发射器；

所述光学准直系统（2）的所有通光面均镀有380nm-800nm高透膜；

所述透七反三分束镜（3）靠近所述激光发射器（1）的通光面镀有380nm-800nm高透膜和380nm-800nm反射膜，靠近所述第一45°分束镜（4）的通光面镀有380nm-800nm高透膜；

所述第一45°分束镜（4）的所有通光面均镀有380nm-800nm半反半透膜；

所述平面反射镜（5）所有通光面均镀有380nm-800nm高反膜；

所述第二45°分束镜（6）靠近所述第一45°分束镜（4）的通光面镀有380nm-800nm半反半透膜，靠近所述凸透镜（7）的通光面镀有380nm-800nm高透膜；

所述凸透镜（7）的所有通光面均镀有380nm-800nm高透膜。

2.按照权利要求1所述基于激光散斑法的热形变检测系统，其特征在于：所述光学准直系统（2）、透七反三分束镜（3）、第一45°分束镜（4）、平面反射镜（5）、第二45°分束镜（6）、凸透镜（7）上的镀膜为偏振膜和非偏振膜中的一种或两种。

3.按照权利要求1所述基于激光散斑法的热形变检测系统，其特征在于：所述条纹计数器（8）为手机、照相机、摄像机、CCD中的一种。

4.按照权利要求1所述基于激光散斑法的热形变检测系统，其特征在于：所述第一CCD（9）为彩色CCD或黑白CCD，第二CCD（10）为彩色CCD或黑白CCD。

5.基于激光散斑法的热形变检测方法，其特征在于：利用权利要求1至4中任一项所述的激光散斑法的热形变检测系统，所述基于激光散斑法的热形变检测方法包括如下步骤：

S1：将试样（12）沿与所述激光发射器（1）的水平光路垂直的竖直光路方向设置于所述第一45°分束镜（4）的下方；

S2：控制激光发射器（1）沿所述水平光路方向发出激光，之后，调整所述试样（12）的加热温度，并利用所述第一CCD（9）和第二CCD（10）采集不同加热温度条件下的反射光的图像；

S3：利用所述第一CCD（9）和第二CCD（10）采集的图像获得所述试样（12）的形变量与温度的对应关系。

6.权利要求1至4中任一项所述的基于激光散斑法的热形变检测系统的应用，其特征在于：利用所述基于激光散斑法的热形变检测系统标定温度报警器中形变金属条的形变量与温度关系，其中，所述温度报警器中的形变金属条用于在指定温度触发报警电路，实现报警。

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