CN1740738A

CN1740738A - 面内三方向云纹干涉仪

Info

Publication number: CN1740738A
Application number: CN 200510027941
Authority: CN
Inventors: 陈巨兵; 余征跃; 张熹; 陆鹏; 辛全成
Original assignee: Shanghai Jiao Tong University
Current assignee: Shanghai Jiao Tong University
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: CN1316225C

Abstract

一种测试技术领域的面内三方向云纹干涉仪，包括：激光器、扩束镜、准直镜、十二个全反镜、反射镜、可调节工作台、相移驱动装置、摄像机、计算机和支架。激光器、扩束镜、准直镜、全反镜、反射镜、相移驱动装置固定在支架上，可调节工作台、摄像机和计算机独立设置，激光器发出激光经过扩束镜扩束后，到达准直镜，准直镜把扩束后的发散光变成平行的平面波前光，照射在六块全反镜上，经过这六个分光全反镜后的六束光再入射到另六块全反镜进行二次全反射。用本发明结合钻孔法测试残余应力时，可消除钻孔带来的位置改变造成的误差，而且由于得到的是三个正应变场，不需要计算剪应变，在计算正应变时，也是沿着Moiré条纹的法线方向，减小了计算误差。

Description

面内三方向云纹干涉仪

技术领域

本发明涉及的是一种测试技术领域的仪器，具体是一种面内三方向云纹干涉仪。

背景技术

目前国内外测试平面面内位移场的云纹干涉仪都是四个入射光路，形成两个互相垂直方向的位移场，即通常所说的水平方向上的u场和竖直方向上的v场。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号为：200410000005.0，名称为：“多功能三维位移激光干涉测量系统”，该专利在面内位移的测试中，是采用A、B、C、D四束光以固定的角度对称地入射在被测试结构的同一区域，该区域上粘贴有正交光栅。每束照射在光栅上将产生衍射，调整A、B、C、D四束相干光以某一相同角度再对称地入射到试件表面，使它们的+1、-1衍射光分别沿试件表面的同一方向传播，即沿试件法线方向传播。A、B两束相干光的+1、-1衍射光在空间会产生干涉，也就是在它们交汇的区域上形成明暗交错的干涉条纹，这种条纹相当于一个空间光栅。它在试件表面与试件上的光栅叠加形成Moiré条纹，即水平方向的位移场：u场，同理C、D两束相干光则会形成竖直方向的位移场：v场。该专利属于传统的云纹干涉仪，只能测试这两个面内位移场。

发明内容

本发明针对现有技术只能测试两个位移场的情况下，提供一种能够测试到面内三个独立的位移场面内三方向云纹干涉仪，使其具有同时测试面内x轴方向、y轴方向以及它们的45°夹角三个方向位移场：u场、v场和s场，或者其中任意一、二个方向的位移场。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：激光器、扩束镜、准直镜、十二个全反镜、反射镜、可调节工作台、相移驱动装置、摄像机、计算机和支架。其连接关系为：激光器、扩束镜、准直镜、全反镜、反射镜、相移驱动装置固定在同一支架上，可调节工作台、摄像机和计算机则作为图像采集与处理装置是独立单元。由He-Ne激光器发出波长为6328的激光经过40×扩束镜扩束后，到达准直镜，其直径为Φ＝206mm，焦距f＝600mm；准直镜把扩束后的发散光变成平行等直径(Φ＝206mm)的平面波前光；它照射在六块面积为50×35mm²的全反镜上，这六面全反镜的中心安装在直径为140mm的圆周上，并固定在准直镜镜架上，它们把原来的一束准直平行光分成六束方向不同的准直平行光。这六束方向不同的准直平行光经过另外六块全反镜的反射作用，以两两对称的入射到可调节工作台上。全反镜固定在支撑准直镜的支架上，镜面方向可以微调。通过调整全反镜的位置以保证所需的六束光路有合适的入射方向；可调节工作台的位置可根据需要调节，安装调试试件；摄像机，获取干涉条纹的视频信号；计算机，信号采集与数据处理。

所述的相移驱动装置，共有三个，大小、规格相同。每一个是由一个外径为20mm，壁厚为2mm的压电陶瓷管和电源组成。压电陶瓷管的一个端部与全反镜相连，另一端与支架固定。电源的正、负极分别接在压电陶瓷管的内、外管壁上。当电源电压变化时，压电陶瓷管沿其轴向伸长或缩短，移动的位移量与电压的变化量成正比。电源电压在0-10V之间可变，位移分辨率为0.01波长，精度为±0.5％。

本发明能够实现位移的高精度实时测量，位移测量灵敏度可达波长量级。系统配有相移装置，经过相移技术处理后的位移测量精度可达纳米量级。

本发明可以在一次加载中测试平面内三个方向独立的位移场，而目前现有的云纹干涉仪或同类的位移测试装置最多只能测试两个位移场。通过对每一个位移场变化的计算，可以得到相应的一个正应变场，这样三个位移场就可以得到三个正应变场。对于平面问题，有了三个方向的正应变场，就可以完全确定它的应变状态。目前面内两方向云纹干涉仪，是利用两个位移场得到两个正应变场，再对这两个位移场微分，求得一个剪应变场，以确定它的应变状态。虽然上述两者理论上都可以确定应变状态，但实际测试中，由于被测试物的移动等因素，如应用云纹干涉技术结合钻孔法测试残余应力时，除了钻孔带来的附加变形产生的误差外，钻孔前、后试件的准确复位问题是一个主要的误差来源，此外，在钻孔过程中，试件会有不同程度的移动，这种移动会严重影响钻孔前、后两个位移场Moiré条纹所描述的位移量不是同一个点，即造成在比较两个Moiré条纹的变化时有误差。

用本发明结合钻孔法测试残余应力时，可以根据钻孔前的Moiré条纹来调节钻孔后的Moiré条纹，以准确定位试件在钻孔前、后处在同一位置，从而消除钻孔带来的位置改变造成的误差。同时，由于六光路云纹干涉仪所测试的是三个位移场，相应得到的是三个正应变场，而不需要计算剪应变，在计算正应变时，也是沿着Moiré条纹的法线方向，减小了计算误差。

附图说明

图1本发明结构示意图

图2本发明v场和s场示意图

图3本发明相移驱动装置结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：激光器1、扩束镜2、准直镜3、全反镜4、5、4′、5′、4″、5″以及6、7、6′、7′、6″、7″、反射镜8、可调节工作台9、相移驱动装置10、摄像机11和计算机12、支架13。其连接关系为：激光器1、扩束镜2、准直镜3、全反镜4、全反镜5、全反镜6、全反镜7、反射镜8、相移驱动装置10固定在同一支架13上，可调节工作台9、摄像机11和计算机12则作为图像采集与处理装置独立设置。由激光器1发出波长为6328的激光经过扩束镜2扩束后，到达准直镜3，准直镜3把扩束后的发散光变成平行等直径Φ＝206mm的平面波前光，它照射在六块全反镜4、5以及4′、5′、4″、5″上，这六面全反镜的中心设置在直径为140mm的圆周上，并固定在准直镜3镜架上，它们把原来的一束准直平行光分成六束方向不同的准直平行光。另外六块可移动全反镜6、7以及6′、7′、6″、7″的中心也在同一圆周上，圆周的直径是根据Moiré条纹的分辨率可调节，它们分别与4、5以及4′、5′、4″、5″面对面安装在支架13上，即4与6、5与7、4′与6′、5与′7′、4″与6″、5″与7″面对面，并保持等距离。摄像机11获取干涉条纹的视频信号；计算机12，信号采集与数据处理。

所述的准直镜3，其直径为Φ＝206mm，焦距f＝600mm。

所述的全反镜4、5、4′、5′、4″、5″、6、7、6′、7′、6″、7″以及反射镜8的面积均为50×35mm²。

所述的扩束镜2为40倍扩束。

如图3所示，所述的相移驱动装置10，共有三个，每一个都是由一个外径为20mm，壁厚为2mm的压电陶瓷管14和电源15组成，压电陶瓷管14的一个端部与全反镜4、4′、4″相连，另一端与支架13固定，电源15的正、负极分别接在压电陶瓷管14的内、外管壁上。电源15电压在0-10V之间可变，位移分辨率为0.01波长，精度为±0.5％。

如图2所示，全反镜4和5两束光可以在水平方向产生云纹干涉，形成水平方向位移场(u场)，而4′和5′、4″和5″则可以分别在垂直方向、45°方向产生云纹干涉，形成垂直方向、45°方向位移场(v场和s场)°

将表面带有三方向光栅的试件S安放在可调节工作台的中心，调整光栅的位置，使其三个方向分别处在水平、竖直及它们的45°夹角方向。从激光器发出的激光，经过扩束、准直后成为直径为206mm的平行光分别入射到全反镜4、5以及4′、5′、4″、5″；经过这六个分光全反镜后的六束光再入射到可移动全反镜6、7以及6′、7′、6″、7″进行二次全反射，调整各个反射镜的位置与角度，使它们的中心以相同的角度(与试件表面的法线方向的夹角)入射到可调节工作台9上的试件上的同一点，同时保证它们的+1或-1级衍射光与试件表面的法线方向一致。这样6、7的+1或-1级衍射光在空间叠加产生干涉条纹，这个干涉条纹相当于一个虚光栅，它与试件上水平方向光栅方向一致，并叠加产生Moiré条纹，即零场；同理，6′、7′、6″、7″可以分别产生垂直方向、45°方向的零场。当试件发生某种形变时，会带动其表面的试件栅一起变化，而处在空间的全反镜6、7以及6′、7′、6″、7″并没有发生变化，即虚光栅没有变化，它与变化了的试件栅叠加在一起时，会分别在水平、竖直及它们的45°夹角方向都产生Moiré条纹，即产生三个位移场：u场、v场和s场，这三个位移场可以记录下试件的位移变化、变形情况。

Claims

1、一种面内三方向云纹干涉仪，包括：激光器(1)、扩束镜(2)、准直镜(3)、全反镜(4、5、4′、5′、6、7、6′、7′)、反射镜(8)、可调节工作台(9)、相移驱动装置(10)、摄像机(11)和计算机(12)、支架(13)，其特征在于，还包括：全反镜(4″、5″、6″、7″)，激光器(1)、扩束镜(2)、准直镜(3)、全反镜(4、5、4′、5′、4″、5″、6、7、6′、7′、6″、7″)、反射镜(8)、相移驱动装置(10)固定在同一支架(13)上，可调节工作台(9)、摄像机(11)和计算机(12)则作为图像采集与处理装置独立设置，由激光器(1)发出激光经过扩束镜(2)扩束后，到达准直镜(3)，准直镜(3)把扩束后的发散光变成平行的平面波前光，照射在六块全反镜(4、5、4′、5′、4″、5″)上，经过这六个分光全反镜后的六束光再入射到可移动全反镜(6、7、6′、7′、6″、7″)进行二次全反射，六块全反镜(4、5、4′、5′、4″、5″)、六块可移动全反镜(6、7、6′、7′、6″、7″)的中心分别在同一圆周上，全反镜(4与6)、(5)与(7)、(4′)与(6′)、(5)与(7′)、(4″)与(6″)、(5″)与(7″)面对面设置在支架(13)上，并保持等距离，摄像机(11)获取干涉条纹的视频信号，传送计算机(12)进行处理。

2、根据权利要求1所述的面内三方向云纹干涉仪，其特征是，全反镜(4、5、4′、5′、4″、5″)把原来的一束准直平行光分成六束方向不同的准直平行光，入射到可移动全反镜(6、7、6′、7′、6″、7″)进行二次全反射，调整各个反射镜的位置与角度，使它们的中心以相同的角度入射到可调节工作台(9)上的试件上的同一点，同时保证它们的+1或-1级衍射光与试件表面的法线方向一致，全反镜(4″、5″、6″、7″)组成45°方向的干涉光路，它形成第三个位移场：s场。

3、根据权利要求1或者2所述的面内三方向云纹干涉仪，其特征是，所述的全反镜(4、5、4′、5′、4″、5″)，其中心设置在直径为140mm的圆周上，并固定在准直镜(3)镜架上。

4、根据权利要求1或者2所述的面内三方向云纹干涉仪，其特征是，所述的全反镜(4、5、4′、5′、4″、5″、6、7、6′、7′、6″、7″)以及反射镜(8)的面积为50×35mm2。

5、根据权利要求1所述的面内三方向云纹干涉仪，其特征是，所述的准直镜(3)，其直径为Φ＝206mm，焦距f＝600mm。

6、根据权利要求1所述的面内三方向云纹干涉仪，其特征是，所述的扩束镜(2)为40倍扩束的扩束镜。

7、根据权利要求1所述的面内三方向云纹干涉仪，其特征是，所述的相移驱动装置(10)，共有三个，每一个都是由压电陶瓷管(14)和电源(15)组成，压电陶瓷管(14)的一个端部与全反镜(4、4′、4″)相连，另一端与支架(13)固定，电源(15)的正、负极分别接在压电陶瓷管(14)的内、外管壁上。

8、根据权利要求7所述的面内三方向云纹干涉仪，其特征是，所述的电源(15)电压在0--10V之间，位移分辨率为0.01波长，精度为±0.5％。

9、根据权利要求7所述的面内三方向云纹干涉仪，其特征是，所述的压电陶瓷管(14)，外径为20mm，壁厚为2mm。