CN101403701A - 数字式光弹仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字式光弹仪，包括：可发出白光和单色光的光源；光弹仪本体，接收该光源发出的光束，以产生一成像光束；成像组件，接收所述成像光束以转化为一电信号；以及计算机成像采集系统，采集所述电信号以获得一数字图像。其中所述光源包括：LED阵列板，其上布置可发出白光的LED灯阵列；以及干涉滤色片，选择性设在所述LED阵列板的出射光路上，以决定所述光源发出白光或单色光。

Description

数字式光弹仪

技术领域

本发明涉及光测弹性力学领域，尤其涉及一种数字式光弹仪。

背景技术

光测弹性力学(photoelasticity)简称光弹性，是一种模型实验技术，用于光弹性研究的仪器是光弹仪，这是唯一可以测量模型内部应力的光学测量方法，故在业界备受关注。

光弹仪常见的是透射式和反射式两种。其中透射式的代表是我国北京科学仪器厂生产的408型光弹仪和大视场的409光弹仪，反射式光弹仪以VISHAY公司的Photostress

为代表。

传统的光弹性研究还用胶卷拍照记录条纹，不但设备庞杂，而且图像还要经过繁琐的显定影等湿处理才能得到变形条纹。或者用成像镜将条纹成像在透光纸上，手工描绘条纹，极其繁琐。是否能够用光电记录设备(如数码相机、CCD等)将条纹实时显示并记录到电脑中进行图像数字化处理是一个重要的研究方向。这不但简化了操作，而且数据更容易保存和再处理，实现了信息数字化和测量的跨越。

目前光弹仪还在进一步发展中，一般透射式光弹仪10的光路如图1所示，包括光源11、对称于被测物15布置的一对准直镜12、偏振片13以及四分之一波片14。仪器从光源11出光经过被测物15后最后到成像屏16，所以要求被测物是具有双折射效应的透明物体，而且由于被测物是透明的，所以才有可能得到其内部变形状态。但是从仪器的配置上看，有如下缺点：

1.单色光源主要集中在钠灯(波长为589.6nm)、汞灯(波长为579.0nm)等造价高、寿命低、单色性较差的传统光源上，随着技术发展这两种灯已很难满足需要；

2.不能按照要求自动同步旋转偏振片和四分之一波片；

3.数据采集不能进入电脑处理，要么用成像镜成像在白纸上手工描绘条纹，要么用暗盒胶卷等拍摄再冲印，不能适合现代的工程快速处理的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种数字式光弹仪，以克服传统光弹仪中的各种不足。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种数字式光弹仪，包括：可发出白光和单色光的光源；光弹仪本体，接收该光源发出的光束，以产生一成像光束；成像组件，接收所述成像光束以转化为一电信号；以及计算机成像采集系统，采集所述电信号以获得一数字图像。其中所述光源包括：LED阵列板，其上布置可发出白光的LED灯阵列；以及干涉滤色片，选择性设在所述LED阵列板的出射光路上，以决定所述光源发出白光或单色光。

在上述的数字式光弹仪中，所述光源还包括：光源调节装置，连接所述LED阵列板，调节所述LED灯阵列的发光强度。

在上述的数字式光弹仪中，所述成像组件包括成像镜头及数字式CCD。

在上述的数字式光弹仪中，所述光弹仪本体包括：

第一偏振片，安装于一第一大齿轮中且布置于被测物的第一侧；

第二偏振片，安装于一第二大齿轮中且布置于被测物的第二侧；

第一四分之一波片，安装于一第三大齿轮中且布置于被测物的第一侧，该第一四分之一波片位于所述被测物与所述第一偏振片之间；

第二四分之一波片，安装于一第四大齿轮中且布置于被测物的第二侧，该第二四分之一波片位于所述被测物与所述第二偏振片之间；

其中，所述第一齿轮及第二齿轮由一第一驱动机构同步驱动，所述第三齿轮及第四齿轮由一第二驱动机构同步驱动。

在上述的数字式光弹仪中，所述第一驱动机构包括：第一步进电机，具有一第一输出轴；第一小齿轮，设于所述第一输出轴上且与所述第一大齿轮啮合；第二小齿轮，设于所述第一输出轴上且与所述第二大齿轮啮合；其中第一步进电机从所述计算机成像采集系统接收脉冲数量及频率设定，以控制所述第一小齿轮和第二小齿轮的转动角度和速度。所述第二驱动机构包括：第二步进电机，具有一第二输出轴；第三小齿轮，设于所述第二输出轴上且与所述第三大齿轮啮合；第四小齿轮，设于所述第二输出轴上且与所述第四大齿轮啮合；其中第二步进电机从所述计算机成像采集系统接收脉冲数量及频率设定，以控制所述第三小齿轮和第四小齿轮的转动角度和速度。

在上述的数字式光弹仪中，还包括一加载机构，其包括：输出转动力矩的步进电机，所述步进电机从所述计算机成像采集系统接收脉冲数量设定以控制所述转动力矩；传动组件，连接所述步进电机以将所述转动力矩转换为直线载荷；加载头，连接所述传动组件，并施加所述直线载荷于被测物上。

在上述的数字式光弹仪中，所述加载机构还包括：力传感器，设于所述传动组件与所述加载头之间，以测量所述直线载荷；力显示器，连接所述力传感器，显示所述直线载荷的测量值。

综上所述，本发明的数字式光弹仪，由于采用数字式采集方式，改进了使用胶卷的传统光弹仪所带来的一系列问题。另外，通过由计算机设定和控制的步进电机来实现偏振片和四分之一波片的自动同步偏转，以及载荷的自动施加和数字化显示，有助于试验过程的简化并提高精确度。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出传统透射式光弹仪的光路原理图。

图2示出本发明的透射式光弹仪成像结构示意图。

图3A-3C示出本发明的透射式光弹仪光源结构图。

图4示出波片及偏振片同步转动部分示意图。

图5示出图4中大、小齿轮相互转动关系。

图6是图5中的螺纹锁止机构示意图。

图7是涡轮蜗杆加载机构俯视图。

图8是涡轮蜗杆加载机构具体结构图。

具体实施方式

图2示出本发明的透射式光弹仪成像结构示意图。请参照图2所示，此光弹仪20包括光源21、透射式光弹仪本体22、包括成像镜头23与CCD 24的成像组件，以及计算机成像采集系统25。其中光源21为可发出白光和单色光的光源。光弹仪本体22接收该光源发出的光束L，以产生一成像光束I给成像组件，由CCD 24将光学信号转换为电信号，传输给计算机成像采集系统25，由后者采集电信号以获得数字化图像。计算机成像采集系统25可以根据要求自动采集一幅或一组图像并保存在计算机硬盘中。

下面通过具体实施例描述本发明的多个优点。

光源21采用LED灯组结合干涉滤色片的方式实现白光和单色光的组合。请参照图3A-3C所示，光源21包括设于一外壳210内的环形LED阵列板212、漫射器213、干涉滤色镜214、以及一外置的光源调节装置211。光源调节装置211为一个外置的开关，其可以显示并调节LED灯发光强度的装置。环形LED阵列板212上具有环形的LED灯阵列，其可以发出白光。在LED灯的出射光路上可选择性地放置干涉滤色镜214。当移除干涉滤色镜214时光源作为白色光源；当光源外壳上已经预留的插槽中插入干涉滤色片214则产生单色光。干涉滤色片214允许某种特定波长的光通过，而过滤掉白光中的其他波长的光，从而实现单色光源。

在本实施例中，单个LED灯在通电情况下产生光弹仪所需的白光。而用多个LED灯组合成的光源不但亮度可以任意提高，而且解决了光源强度不均匀的缺点，甚至可以进行亮度的显示和调节。LED具有如下优点：体积小、功耗、重量轻、组合方便、便于携带适用于现场，可以使整台仪器结构更为紧凑。

以往的光弹仪光源的切换需要将白光或单色光关闭，尤其是开启单色光式，汞灯和钠灯需要预热才能慢慢亮起来，既操作繁琐又浪费时间。而本发明中采用在LED灯组基础上结合干涉滤色镜的方式实现白光和单色光的组合，这样在实验中需要白光灯就只要将其前部的干涉滤色镜取出即可，需要单色光时可以将不同波长的干涉滤色镜放置在白灯前，不但方便而且光强可以调节，单色光波长理论上可以任意选择，从而测量的灵敏度不同(根据不同波长，灵敏度相应不同)，实现一种灯光不同波长的效果。

在图像采集方面，本发明采用数字式CCD采集图像，并通过高速图像采集卡采集到计算机中，保存、处理全程实现数字化。数字化CCD相比模拟CCD信噪比好，便于图像处理。

在传统的光弹仪中，偏振片和四分之一波片的无法自动准确偏转直接影响到仪器测量的方便性和准确性。为此，本发明提出一种可自动数字化控制转动波片及偏振片角度的方式。

参照图4所示，在光弹仪本体22中，第一偏振片2201布置于被测物30的第一侧，第二偏振片2202布置于被测物的第二侧，并且两偏振片正交布置。第一四分之一波片2211布置于被测物30的第一侧且位于被测物与第一偏振片之间，第二四分之一波片2212布置于被测物30的第二侧且位于被测物与第二偏振片之间。光弹条纹需要处理时，需要同步转动两个偏振片2201、2202及两个四分之一波片波片2211、2212。本实施例以步进电机结合有关的轴和齿轮作为驱动机构来分别同步驱动两个偏振片2201、2202及两个四分之一波片波片2211、2212。

继续参照图4所示，第一步进电机2223用弹性连轴器(图中未示出)与刚性轴2224连接；第一小齿轮2221、第二小齿轮2222与刚性轴2224刚性相连，第一大齿轮2203、第二大齿轮2204分别与第一小齿轮2221、第二小齿轮2222均啮合配合，而第一大齿轮2203、第二大齿轮2204上分别安装第一偏振片2201和第二偏振片2202。

类似地，第二步进电机2233用弹性连轴器(图中未示出)与刚性轴2234连接；第三小齿轮2231、第四小齿轮2232与刚性轴2234刚性相连，第三大齿轮2213、第四大齿轮2214分别与第三小齿轮2231、第二小齿轮2232均啮合配合，而第一大齿轮2213、第二大齿轮2214上分别安装第一四分之一波片2211和第二四分之一波片2212。各小齿轮2221、2222、2231、2232与对应的各大齿轮2203、2204、2213、2214有固定的传动比。

小齿轮与步进电机的转动轴由连轴器相连，从而同步转动。步进电机2223、2233可以与计算机成像采集系统25进行数据通讯，以接收脉冲数量及频率的设定，从而分别控制小齿轮的转动角度和速度，实现自动数字化精确控制波片及偏振片转动角度的目的。

以第一、第二偏振片2201、2202同步转动为例，步进电机2223转动时带动刚性轴2224同步转动，再带动小齿轮2221、2222同步转动，小齿轮2221、2222分别以固定的减速比(由大齿轮小齿轮组选型决定)带动大齿轮2213、2214转动，大齿轮2213、2214上分别布置的偏振片2201、2202跟随大齿轮转动。

图5示出的是图4中虚线部分，即偏振片或四分之一波片固定于大齿轮上的结构。四分之一波片2211(或2212，或者偏振片2201、2202)固定在大齿轮内圈2212a上，内圈可以手动调节在外圈2212b中转动，以方便初始调整角度。调整后内圈可以用螺纹锁紧机构2212c与外圈固定(参照图6)，这样外圈转动的同时，偏振片及四分之一波片同步转动，大齿轮小齿轮之间是相互转动。

在本发明的实施例中，在光弹仪本体中通过加载机构对被测物自动施加载荷，并能够显示载荷值，下面例举一例如下。

参照图7所示，加载机构26包括步进电机261、一组由蜗杆262、涡轮263、螺纹轴264、螺纹套265组成的传动组件、加载头266、力传感器267以及力显示器268。其中步进电机261从计算机成像采集系统25(参见图2)接收脉冲数量设定以控制其输出的转动力矩。传动组件，用以将转动力矩精密地转换为直线载荷，通过加载头施加于被测物30上。具体地说，步进电机261的转动轴通过连轴器与蜗杆262连接，即步进电机与蜗杆转动方向一致并同步同轴转动。蜗杆262带动涡轮263转动，两者以固定的传动比在垂直方向上运转(如图7)。涡轮263的中心部固定安装有螺纹轴264，螺纹轴264在螺纹套265中旋转，螺纹套265便上下移动，螺纹套265下端安装力传感器267，力传感器267再与加载头266相连。即螺纹套265、力传感器267、加载头266三者随着螺纹轴264的转动上下移动，实现压力载荷的施加与释放，参照图8所示。

数字式的力显示器268连接力传感器267，以显示由力传感器267测得的直线载荷的测量值。这样，载荷的施加完全实现了自动化和数字化。

另外，本发明的实施例还可以结合至少部分以下技术。

首先，本发明的实施例可将大尺寸的波片、偏振片及非球面镜应用在仪器上。现代技术的发展，对于视场要求越来越大。科技的进步实现了这一目标，例如光弹仪中使用的偏振片在液晶电视上就有广泛的应用，其尺寸可以非常大(42寸液晶屏对角线长达1060mm)远远超过409光弹仪的视场尺寸(300mm)。球面镜由于造价低廉，以往的光弹仪常常采用。而非球面镜可以得到非常好的准直光且进一步能消球差和相差，得到的光弹条纹质量更好。本发明中，仪器采用大尺寸的视场，从而形成600mm视场直径的数字式光弹仪。

其次，采集到计算机中的图像可以用Photoshop等软件进行数字图像处理。如前述实施例所述，图像采集到电脑中已经实现了数字化，电脑可以代替人工进行进一步处理。图像条纹可直接实时显示在屏幕上，并方便的保存在计算机中为后处理做准备。

再者，整台仪器轻型(大量采用硬质铝合金制造，而不是传统的铸铁材料)、紧凑(电机及传感器小型化)，刚度好，对现场环境要求不高，使用由于采用计算机自动控制等技术，操作比以往的光弹仪更加简单。

综上所述，本发明的数字式光弹仪，由于采用数字式采集方式，改进了使用胶卷的传统光弹仪所带来的一系列问题。另外，通过由计算机设定和控制的步进电机来实现偏振片和四分之一波片的自动同步偏转，以及载荷的自动施加和数字化显示，有助于试验过程的简化并提高精确度。因此本发明为工程中测量结构变形、应力等提供了一种高灵敏度、全场、数字化的工具。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种数字式光弹仪，包括：

可发出白光和单色光的光源；

光弹仪本体，接收该光源发出的光束，以产生一成像光束；

成像组件，接收所述成像光束以转化为一电信号；以及

计算机成像采集系统，采集所述电信号以获得一数字图像，

其中所述光源包括：

LED阵列板，其上布置可发出白光的LED灯阵列；

干涉滤色片，选择性设在所述LED阵列板的出射光路上，以决定所述光源发出白光或单色光。

2.如权利要求1所述的数字式光弹仪，其特征在于，所述光源还包括：

光源调节装置，连接所述LED阵列板，调节所述LED灯阵列的发光强度。

3.如权利要求1所述的数字式光弹仪，其特征在于，所述成像组件包括成像镜头及数字式CCD。

4.如权利要求1所述的数字式光弹仪，其特征在于，所述光弹仪本体包括：

第一偏振片，安装于一第一大齿轮中且布置于被测物的第一侧；

第二偏振片，安装于一第二大齿轮中且布置于被测物的第二侧；

第一四分之一波片，安装于一第三大齿轮中且布置于被测物的第一侧，该第一四分之一波片位于所述被测物与所述第一偏振片之间；

第二四分之一波片，安装于一第四大齿轮中且布置于被测物的第二侧，该第二四分之一波片位于所述被测物与所述第二偏振片之间；

其中，所述第一齿轮及第二齿轮由一第一驱动机构同步驱动，所述第三齿轮及第四齿轮由一第二驱动机构同步驱动。

5.如权利要求4所述的数字式光弹仪，其特征在于，

所述第一驱动机构包括：

第一步进电机，具有一第一输出轴；

第一小齿轮，设于所述第一输出轴上且与所述第一大齿轮啮合；

第二小齿轮，设于所述第一输出轴上且与所述第二大齿轮啮合；

其中第一步进电机从所述计算机成像采集系统接收脉冲数量及频率设定，以控制所述第一小齿轮和第二小齿轮的转动角度和速度；

所述第二驱动机构包括：

第二步进电机，具有一第二输出轴；

第三小齿轮，设于所述第二输出轴上且与所述第三大齿轮啮合；

第四小齿轮，设于所述第二输出轴上且与所述第四大齿轮啮合；

其中第二步进电机从所述计算机成像采集系统接收脉冲数量及频率设定，以控制所述第三小齿轮和第四小齿轮的转动角度和速度。

6.如权利要求1所述的数字式光弹仪，其特征在于，还包括一加载机构，其包括：

输出转动力矩的步进电机，所述步进电机从所述计算机成像采集系统接收脉冲数量设定以控制所述转动力矩；

传动组件，连接所述步进电机以将所述转动力矩转换为直线载荷；

加载头，连接所述传动组件，并施加所述直线载荷于被测物上。

7.如权利要求6所述的数字式光弹仪，其特征在于，所述加载机构还包括：

力传感器，设于所述传动组件与所述加载头之间，以测量所述直线载荷；

力显示器，连接所述力传感器，显示所述直线载荷的测量值。

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