CN103759651B - 一种实时监控变温变压型激光散斑测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种实时监控变温变压型激光散斑测量系统。包括用于固定样品并接受激光信号的固定装置，在固定装置上样品的四周设置有水泥电阻，用于对样品加热，该系统包括一控制单元；控制单元包括CPU控制单元、与CPU控制单元的输入端连接的温度采集系统、按键、以及与CPU控制单元的输出端连接的数显单元和温控模块，温度传感器测量样品的温度并传递给CPU控制单元，CPU控制单元采集到温度以后，与按键输入的设定值进行PID运算，输出脉宽调制信号，脉宽调制信号控制温控模块的功率场效应管改变水泥电阻的电压，实现温度控制。

Description

一种实时监控变温变压型激光散斑测量系统

技术领域

本发明属于激光干涉无损检测技术领域，尤其涉及一种实时监控变温变压型激光散斑测量系统。

背景技术

激光散斑干涉(ESPI)技术是一种非接触式全场实时测量技术,因其通用性强、测量精度高、频率范围宽及测量简便等优点，近年来获得了快速发展。激光散斑干涉无损检测技术可以完成位移、应变、表面缺陷和裂纹等多种测试。也是大多数高校光学与光电子本科生教学实验中开设的一门重要的实验课程，但现有的激光散斑测量实验的系统存在不足之处：材料测量架只能用于放置形状单一的样品，被测材料及形状单一，未见有对被测材料物品架进行创新性改进的报道，同时，不能进行温度和压力变化条件下样品散斑成像影响的测定，没有考虑环境温度和压力对物体离面位移的影响。本发明的申请人在之前的研究过程中，考虑到这个问题，采用智能加热系统、温度传感系统和单片机温度控制系统以及孔径光阑，对智能加热系统采用电涡流加热，在实验材料的外面绕上线圈，并让线圈通入交变电流，使线圈产生交变磁场；线圈中间的实验材料在圆周方向等效成一圈圈的闭合电路，闭合电路中的磁通量在不断发生改变，通过电的良导体实验材料，在圆周方向产生感应电动势和感应电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈形成电涡流；并采用DS18B20数字温度传感器进行温度采集，直接将温度转化成串行数字信号，采用外部供电实现DS18B20传感器与单片机的连接，将数字温度传感器置于样品架上温度检测放置位置，将温度传感器采集到的温度信号变为数字信号传给单片机，进行判断与智能控制；采用单片机STC12C5A60S2作为控制核心，采用单刀单掷继电器控制输入回路和输出回路，采用续电器来控制加热装置和降温装置，由报警电路及LED数码管对环境温度的实时监测和报警。

在实际使用过程当中，激光散斑测量仪测量的样品对温度的要求不得过高，过高则会对样品造成损害，过低则达不到要求，而上述电涡流加热系统涡流加热无法避免对样品材料内部结构的损害，并仅仅用于加热能够产生涡流的材料，对于电的不良导体则不能实现测量要求，具有局限性，另外，从安全角度考虑，所采用的样品测试系统不能采用铁磁制品，而激光散斑测量仪中绝大部分的材料均是含铁制品，因此会对仪器造成损害。

此外，所采用的样品测试系统在实际使用过程中更换样品时，需要经常将四周的固定在定位孔中的螺钉去除后才能更换，在安装时，需要将四周螺钉固定，固定的力度不同，会造成在后期测量中样品所受压力的不均匀，造成测量的误差。

基于以上激光散斑无损检测测量物体的现状，本发明提供一种实时、高效、安全、智能、适用范围广泛的新型激光散斑测量系统，以用于完成不同环境温度与压力下物体位移、应变、表面缺陷和裂纹等多种测试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种激光散斑测仪加温测量系统，旨在解决激光散斑对样品的位移、应变、表面缺陷和裂纹等进行测量时，现有涡流加热对所测样品材料限制，加热程度无法控制，样品受力不均造成测量误差等问题。

本发明是这样实现的，一种实时监控变温变压型激光散斑测量系统，该系统包括用于固定样品并接受激光信号的固定装置，在固定装置上样品的四周设置有水泥电阻，用于对样品加热，该系统包括一控制单元；

所述控制单元包括CPU控制单元、与CPU控制单元的输入端连接的温度采集系统、按键、以及与CPU控制单元的输出端连接的数显单元和温控模块，所述温度传感器测量样品的温度并传递给CPU控制单元，所述CPU控制单元采集到温度以后，与按键输入的设定值进行PID运算，输出脉宽调制信号，脉宽调制信号控制温控模块的功率场效应管改变水泥电阻的电压，实现温度控制；

所述温度采集系统采用热电偶温度传感器R4采集温度信号变化，热电偶温度传感器PT100、电阻R2、电阻R3以及电阻R4组成传感器测温桥电路，电阻R2与电阻R3之间输出端子以及热电偶温度传感器PT与电阻R4之间的输出端子与一稳压芯片连接，热电偶温度传感器PT与电阻R2之间的输出端子通过电阻R6与一一级运算放大器的反相输入端连接，电阻R3与电阻R4之间的输出端子分别通过电阻R7与一级运算放大器的正相输入端连接，温度差分信号经过一级运算放大器的放大后，输出至与一级运算放大器的输出端连接的二级运算放大器经过再次放大输出至CPU控制单元。

所述一级运算放大器将信号放大1～2倍，二级运算放大器将信号放大10～12倍。

所述固定装置包括刻有有平行滑槽的底板、在中心位置设置有透光孔的固定板、以及在中心位置设置有螺孔的挡板，所述固定板以及挡板分别设置有与滑槽结构相配合的滑块，通过滑块与滑槽的配合安装，固定板以及挡板相互平行竖直固定在底板上，固定板以及挡板的上端通过带有两个U型槽的固定槽连接为一体，挡板的螺孔内穿过一螺杆，通过旋转螺杆给样品施加压力。

挡板外侧的底板上设置有卡槽卡在底板的两端防止挡板松动。

固定板上紧挨透光孔设置有温度传感器安装孔，透光孔下方设置有样品支撑架，用于支撑任意形状的样品，所述样品支撑架为多个按照一定弧度设置并向上倾斜固定在固定板上的枝杈组成。

水泥电阻设置为三个串联结构，三个水泥电阻成正三角形布置在螺孔四周。

螺杆的前端面处设置压力传感器，所述压力传感器与CPU控制单元的输入端连接，将采集的压力信号传递至CPU控制单元，CPU控制单元的输出端还连接有步进电机，压力传感器采集的信号通过ADC转换得到压力值，CPU控制单元与的压力设定值比较，改变步进电机转动角度，步进电机带动螺杆旋转改变压力。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明对测试的样品材料无要求，能实现对温度和压力变化的测试要求，并且采用的加热系统，加热快，并且加热的最高温度保持在100°左右，不会由于温度过高，造成测试样品的损坏；

采用的温度采集系统中运用稳压芯片进行稳压输出，通过温度的改变导致电桥电阻R1发生变化输出差分电压，稳压后电桥电路进行整流，再进行两级差分放大，最终输出足够大的单片机可分辨的电压信号。在电路中，桥电路中的电阻R2,电阻R3,电阻R4和温度传感器组成的传感器测温电桥，为了保证电桥输出的稳定性，电桥的输出电压通过稳压至2.5v.从桥电路获取的差分信号通过两级运算放大后输入单片机。

放大电路中为了防止单极放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，前一级约为1.5倍，后一级约为11倍，温度在0～100内变化，当温度上升时，PT100阻值变化，满足关系RPT＝100(1＋0.0039T)，输入放大电路的差分信号放大。本发明温度采集系统具有偏差小，响应时间短，还具有抗震动，稳定性好，准确度高，耐高温等优点。

本发明采用的固定装置，采用滑槽的滑块的结构，拆卸和组装便利，便于放置样品，以及安装温度传感器和压力传感器，并且造价低，便于大规模制造和推广在各高校和科研单位。

附图说明

图1是本发明实施例提供的设备结构示意图；

图2是本发明实施例提供的控制单元的电路结构框图；

图3是本发明实施例提供的温度采集系统的电路图；

图4是本发明实施例提供的控制单元的控制流程图；

其中，图中标号，1固定槽、2固定板、3水泥电阻、4透光孔、5样品支撑架、6滑槽、7挡板、8螺杆、9温度传感器安装孔，10底板、11卡槽、12螺孔、13滑块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种实时监控变温变压型激光散斑测量系统，该系统包括用于固定样品并接受激光信号的固定装置，在固定装置上样品的四周设置有水泥电阻3，用于对样品加热，固定装置包括刻有有平行滑槽6的底板10、在中心位置设置有透光孔4的固定板2、以及在中心位置设置有螺孔12的挡板7，固定板2以及挡板7分别设置有与滑槽6结构相配合的滑块13，通过滑块13与滑槽6的配合安装，固定板2以及挡板7相互平行竖直固定在底板10上，固定板2以及挡板7的上端通过带有两个U型槽的固定槽1连接为一体，挡板7的螺孔12内穿过一螺杆8，通过旋转螺杆8给样品施加压力。螺杆8连接一步进电机的输出端，通过步进电机控制螺杆8的给进。

本实施例中，挡板7外侧的底板10上设置有卡槽11卡在底板10的两端防止挡板7松动。

固定板2上紧挨透光孔预留有温度传感器安装孔9，透光孔4下方设置有样品支撑架5，用于支撑任意形状的样品，样品支撑架5为多个按照一定弧度设置并向上倾斜固定在固定板上的钉子固定组成。

本实施例中，水泥电阻3设置为三个串联结构，三个水泥电阻成正三角形布置在螺孔12四周。水泥电阻的电阻均为5.1W，额定功率均为5W。

如图2所示，该系统包括一控制单元；控制单元包括CPU控制单元、与CPU控制单元的输入端连接的温度采集系统、按键、以及与CPU控制单元的输出端连接的数显单元和温控模块，温度传感器测量样品的温度并传递给CPU控制单元，所述CPU控制单元采集到温度以后，与按键输入的设定值进行PID运算，输出脉宽调制信号，脉宽调制信号控制温控模块的功率场效应管改变水泥电阻的电压，实现温度控制；本实施例中，螺杆的前端面处设置压力传感器，压力传感器与CPU控制单元的输入端连接，将采集的压力信号传递至CPU控制单元，CPU控制单元的输出端还连接有步进电机，压力传感器采集的信号通过ADC转换得到压力值，CPU控制单元与的压力设定值比较，改变步进电机转动角度，步进电机带动螺杆旋转改变压力。

如图3所示，温度采集系统采用热电偶温度传感器R4采集温度信号变化，热电偶温度传感器PT100、电阻R2、电阻R3以及电阻R4组成传感器测温桥电路，电阻R2与电阻R3之间输出端子以及热电偶温度传感器PT与电阻R4之间的输出端子与一稳压芯片连接，热电偶温度传感器PT与电阻R2之间的输出端子通过电阻R6与一一级运算放大器的反相输入端连接，电阻R3与电阻R4之间的输出端子分别通过电阻R7与一级运算放大器的正相输入端连接，温度差分信号经过一级运算放大器的放大后，输出至与一级运算放大器的输出端连接的二级运算放大器经过再次放大输出至CPU控制单元。

本实施例中，控制单元实现控制的流程为：如图4所示，开始、系统初始化后，通过按键输入设定值，通过温度采集后经过PID运算，然后输出PWM脉冲，对压力进行采集，与设定的压力值进行比较，根据比较的数值，控制步进电机控制螺丝的旋进，循环直至满足要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实时监控变温变压型激光散斑测量系统，其特征在于，该系统包括用于固定样品并接受激光信号的固定装置，在固定装置上样品的四周设置有水泥电阻，用于对样品加热，该系统包括一控制单元；

所述控制单元包括CPU控制单元、与CPU控制单元的输入端连接的温度采集系统、按键、以及与CPU控制单元的输出端连接的数显单元和温控模块，所述温度采集系统测量样品的温度并传递给CPU控制单元，所述CPU控制单元采集到温度以后，与按键输入的设定值进行PID运算，输出脉宽调制信号，脉宽调制信号控制温控模块的功率场效应管改变水泥电阻的电压，实现温度控制；

所述温度采集系统采用热电偶温度传感器PT100采集温度信号变化，热电偶温度传感器PT100、电阻R2、电阻R3以及电阻R4组成传感器测温桥电路，电阻R2与电阻R3之间输出端子以及热电偶温度传感器PT100与电阻R4之间的输出端子与一稳压芯片连接，热电偶温度传感器PT100与电阻R2之间的输出端子通过电阻R6与一级运算放大器的反相输入端连接，电阻R3与电阻R4之间的输出端子分别通过电阻R7与一级运算放大器的正相输入端连接，温度差分信号经过一级运算放大器的放大后，输出至与一级运算放大器的输出端连接的二级运算放大器经过再次放大输出至CPU控制单元；

所述固定装置包括刻有平行滑槽的底板、在中心位置设置有透光孔的固定板、以及在中心位置设置有螺孔的挡板，所述固定板以及挡板分别设置有与滑槽结构相配合的滑块，通过滑块与滑槽的配合安装，固定板以及挡板相互平行且竖直固定在底板上，固定板以及挡板的上端通过带有两个U型槽的固定槽连接为一体，挡板的螺孔内穿过一螺杆，通过旋转螺杆给样品施加压力。

2.按照权利要求1所述的实时监控变温变压型激光散斑测量系统，其特征在于，所述一级运算放大器将信号放大1~2倍，二级运算放大器将信号放大10~12倍。

3.按照权利要求1所述的实时监控变温变压型激光散斑测量系统，其特征在于，挡板外侧的底板上设置有卡槽卡在底板的两端防止挡板松动。

4.按照权利要求1所述的实时监控变温变压型激光散斑测量系统，其特征在于，固定板上紧挨透光孔设置有温度传感器安装孔，透光孔下方设置有样品支撑架，用于支撑任意形状的样品，所述样品支撑架为多个按照一定弧度设置并向上倾斜固定在固定板上的枝杈组成。

5.按照权利要求1所述的实时监控变温变压型激光散斑测量系统，其特征在于，水泥电阻设置为三个串联结构，三个水泥电阻成正三角形布置在螺孔四周。

6.按照权利要求1所述的实时监控变温变压型激光散斑测量系统，其特征在于，螺杆的前端面处设置压力传感器，所述压力传感器与CPU控制单元的输入端连接，将采集的压力信号传递至CPU控制单元，CPU控制单元的输出端还连接有步进电机，压力传感器采集的信号通过ADC转换得到压力值，CPU控制单元与的压力设定值比较，改变步进电机转动角度，步进电机带动螺杆旋转改变压力。