CN105865361A - 用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪及使用方法 - Google Patents

用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪及使用方法 Download PDF

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Abstract

一种用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪及使用方法，滑台组由一个长行程滑台和两个短行程滑台组成，长行程滑台固定在安装面板上，两个短行程滑台相互垂直，所述安装面板为一个T字型面板，用于安装滑台组、支撑圆管、角度指针以及干涉仪底座；两个支撑圆管分别位于滑台组两侧且与滑台组距离相等；所述光纤准直器输入端与光纤连接，在输出端获得光束直径50mm的准直平行光；所述镜筒夹固定于支撑管的端部，用于安装光纤准直器；所述干涉仪底座用于调整和固定干涉仪的空间位置，干涉仪底座与安装面板通过螺栓连接；所述支撑圆管的一端连接面板和角度指针，支撑圆管的另一端连接镜筒夹；所述工业CCD相机通过连接板固定在滑台组的短行程滑台上。

Description

用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪及使用方法
技术领域
本发明涉及一种用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪及使用方法，属于激光干涉仪技术领域。
背景技术
材料在受到外加载荷作用时，其表面将会产生变形和应变。而通过测试获得材料表面应变场分布信息，可计算获得材料局部位置受力状态以及材料内部缺陷信息，为材料制造质量评定以及结构服役可靠性评价提供重要依据。
针对材料变形及应变的测量，目前比较常用的方法是电测法，即在被测位置粘贴电阻应变片，通过应变仪测试材料变形后应变片敏感栅电阻值的变化量，进而获得变形和应变测试结果。
现有的散斑干涉测试方法缺少有效可靠的系统装置，通常的测试方法是采用分束镜、反光镜等光学镜片搭建空间光路，需要专门的隔震平台来布置所需的光学元件，不仅调节光路的过程繁琐复杂，而且灵活性差，仅能用于实验室测量分析，无法对尺寸庞大、空间形状复杂的实际构件进行现场测量。
发明内容
本发明是为了解决现有的激光散斑测试系统存在的调节光路的过程繁琐复杂、灵活性差，仅能用于实验室测量分析，无法对尺寸庞大、空间形状复杂的实际构件进行现场测量的问题，进而提供一种用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪及使用方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪，包括：滑台组、安装面板、两个光纤准直器、两个镜筒夹、干涉仪底座、两个支撑圆管、两个角度指针和工业CCD相机，所述滑台组由一个长行程滑台和两个短行程滑台组成，长行程滑台固定在安装面板上，用于调节光学相机z方向位置；两个短行程滑台相互垂直，位于xoy平面内，分别用于调节光学相机x方向和y方向的位置；所述安装面板为一个T字型面板，用于安装滑台组、支撑圆管、角度指针以及干涉仪底座；滑台组中的长行程滑台固定在安装面板的y轴上，两个支撑圆管通过锁紧螺母固定于安装面板的x轴上，两个支撑圆管分别位于滑台组两侧且与滑台组距离相等；所述光纤准直器输入端与光纤连接，用于将光纤输出的发散光聚焦，在输出端获得光束直径50mm的准直平行光；所述镜筒夹固定于支撑管的端部，用于安装光纤准直器；所述干涉仪底座用于调整和固定干涉仪的空间位置，干涉仪底座与安装面板通过螺栓连接；所述支撑圆管的一端连接面板和角度指针，支撑圆管的另一端连接镜筒夹；所述工业CCD相机通过连接板固定在滑台组的短行程滑台上。
一种用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪的使用方法，
步骤一：将光纤准直器与光纤连接，将工业CCD相机与带有图像采集和分析软件的计算机连接，开启激光器电源和计算机电源；
步骤二：旋转两个支撑圆管，将两个光纤准直器的角度调至与被测材料表面法向夹角相同的角度，固定角度指针，拧紧支撑圆管锁紧螺栓，进而固定光纤准直器的空间角度；
步骤三：调整安装面板高度方面的位置，使两束激光光斑重合于被测材料表面，然后固定安装面板；
步骤四：两个镜筒夹一个锁紧另一个松开，旋转光纤准直器，直至两个光纤准直器发出的激光束偏振方向一至，锁紧镜筒夹；
步骤五：调整滑台组的长行程滑台，使工业CCD相机镜头焦平面至被测材料表面，再调整滑台组的两个短行程滑台，将工业CCD相机视野调整至被测位置处。
步骤六：调整工业CCD相机镜头的光圈、放大倍数、焦距的参数，以及相机的增益、曝光时间的参数，分别采集材料受载变形前后的散斑图像，并将其输入至计算机中，利用计算机图像分析处理技术，由两个散斑图像提取材料的面内变形和应变场信息。
本发明的有益效果是，结构简单，设计合理，调节方便。利用一个长行程滑台和两个短行程滑台，可精确调节工业相机的空间位置，同时保证相机轴线与被测平面保持垂直；利用固定在支撑圆管上的角度指针，可精确调节光纤准直器的角度，且保障两个准直器镜筒轴线位于同一平面内。
本发明采用散斑干涉法，即将本发明的激光干涉仪与激光器、光纤组件共同使用，亦可对材料表面的变形和应变进行测量。而相比于电测法，散斑干涉测量法具有三个明显优势：1、电测法需要在被测位置粘贴电阻应变片，而散斑干涉法为光学非接触式测量法，无需在被测表面粘贴任何元件，一方面提高测试效率，另一方面可对高温、腐蚀性材料表面进行测试；2、电测法变形和应变的测试误差来源于应变片敏感栅制造质量、应变片粘贴质量、应变仪电子元件制造精度以及电网电压稳定程度等多个方面，而激光散斑干涉法测试精度仅与激光器波长稳定性有关，而激光器波长波动范围通常小于5μm，因此采用本发明的装置，可有效减少测试误差来源，大幅提高测试精度；3、电测法仅可获得应变片敏感栅位置区域的应变平均值，而散斑干涉法可获得被测区域应变全场分布数值，因此对于缺陷尖端位置、材料截面变化位置、应力应变集中位置等应变呈现梯度变化分布的位置，采用散斑干涉法可以准确捕捉到应变峰值等关键信息。
如上所述，相比于传统的电测法，散斑干涉法具有更高的测试效率、更高的测试精度。
附图说明
图1为本发明装置对水平面测量时的装置示意图。
图2为本发明装置对竖直面测量时的装置示意图。
图中的附图标记，1为滑台组，2为安装面板，3为两个光纤准直器，4为两个镜筒夹，5为干涉仪底座，6为两个支撑圆管，7为两个角度指针，8为工业CCD相机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1和图2所示，本实施例所涉及的一种用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪，包括：滑台组1、安装面板2、两个光纤准直器3、两个镜筒夹4、干涉仪底座5、两个支撑圆管6、两个角度指针7和工业CCD相机8，所述滑台组1由一个长行程滑台和两个短行程滑台组成，长行程滑台固定在安装面板2上，用于调节光学相机z方向位置；两个短行程滑台相互垂直，位于xoy平面内，分别用于调节光学相机x方向和y方向的位置；三个滑台两两垂直分布，通过旋转调整手柄即可实现相机XYZ三个自由度的精确调节；与此同时，三个滑台两两垂直的分布，又很好地限制了光学相机的其他三个旋转自由度，保障相机焦平面与被测材料表面法线垂直，进而精确采集被测材料表面散斑信息。
所述安装面板2为一个T字型8mm厚的铝合金面板，用于安装滑台组1、支撑圆管6、角度指针7以及干涉仪底座4；滑台组1中的长行程滑台固定在安装面板2的y轴上，两个支撑圆管6通过锁紧螺母固定于安装面板2的x轴上，两个支撑圆管6分别位于滑台组1两侧且与滑台组1距离相等。
所述光纤准直器3输入端与光纤连接，用于将光纤输出的发散光聚焦，在输出端获得光束直径50mm的准直平行光。
所述镜筒夹4固定于支撑管6的端部，用于安装光纤准直器3。当镜筒夹的锁紧螺栓处于松开状态时，光纤准直器3可沿轴线方向平移和转动。
所述干涉仪底座5用于调整和固定干涉仪的空间位置。松开锁紧螺母，可调节干涉仪高度方向位置；拧紧锁紧螺母，即可固定干涉仪。干涉仪底座4与安装面板2通过螺栓连接，既可以将安装面板2水平固定使干涉仪测试水平面的变形和应变，又可以将安装面板2竖直固定使干涉仪测试竖直面的变形和应变。
所述支撑圆管6一端连接安装面板2和角度指针7，另一端连接镜筒夹4。两个支撑圆管6长度相同，进而两个准直镜的轴线位于同一平面内。当位于安装面板2后面的圆管锁紧螺母处于松开状态时，支撑圆管6可与固定于其上的镜筒夹4和角度指针7共同转动，进而调节光纤准直器3与被测表面法线的夹角。
所述角度指针7固定在支撑圆管6上，其指向方向与光纤准直器3的轴线方向一致。当位于安装面板2背面的支撑管锁紧螺母处于松开状态时，角度指针7、镜筒夹4以及光纤准直器3可随支撑管6一起转动，而角度指针7所指向的角度即为光纤准直器3与相机轴线的夹角角度。在安装面板2上面有30°、45°和60°三个角度的精确定位孔，可通过螺栓将角度指针精确可靠地定位在这三个孔之一，从而精确控制全息测量过程中激光束的入射角度。
所述工业CCD相机8通过连接板固定在滑台组1的短行程滑台上，工业CCD相机用于采集被测材料表面的散斑信息，并将其输入到计算机之中。工业CCD相机8的空间位置依靠滑台组1来调节。
一种用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪的使用方法，步骤如下：
步骤一：将光纤准直器3与光纤连接，将工业CCD相机8与带有图像采集和分析软件的计算机连接，开启激光器电源和计算机电源；
步骤二：旋转两个支撑圆管6，将两个光纤准直器3的角度调至与被测材料表面法向夹角相同的角度，固定角度指针7，拧紧支撑圆管6锁紧螺栓，进而固定光纤准直器3的空间角度；
步骤三：调整安装面板2高度方面的位置，使两束激光光斑重合于被测材料表面，然后固定安装面板2；
步骤四：两个镜筒夹4一个锁紧另一个松开，旋转光纤准直器3，直至两个光纤准直器3发出的激光束偏振方向一至，锁紧镜筒夹4；
步骤五：调整滑台组1的长行程滑台，使工业CCD相机8镜头焦平面至被测材料表面，再调整滑台组1的两个短行程滑台，将工业CCD相机8视野调整至被测位置处。
步骤六：调整工业CCD相机8镜头的光圈、放大倍数、焦距的参数，以及相机的增益、曝光时间的参数，分别采集材料受载变形前后的散斑图像，并将其输入至计算机中，利用计算机图像分析处理技术，由两个散斑图像提取材料的面内变形和应变场信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪，其特征在于，包括：滑台组(1)、安装面板(2)、两个光纤准直器(3)、两个镜筒夹(4)、干涉仪底座(5)、两个支撑圆管(6)、两个角度指针(7)和工业CCD相机(8)，所述滑台组(1)由一个长行程滑台和两个短行程滑台组成，长行程滑台固定在安装面板(2)上，用于调节光学相机z方向位置；两个短行程滑台相互垂直，位于xoy平面内，分别用于调节光学相机x方向和y方向的位置；所述安装面板(2)为一个T字型面板，用于安装滑台组(1)、支撑圆管(6)、角度指针(7)以及干涉仪底座(4)；滑台组(1)中的长行程滑台固定在安装面板(2)的y轴上，两个支撑圆管(6)通过锁紧螺母固定于安装面板(2)的x轴上，两个支撑圆管(6)分别位于滑台组(1)两侧且与滑台组(1)距离相等；所述光纤准直器(3)输入端与光纤连接，用于将光纤输出的发散光聚焦，在输出端获得光束直径50mm的准直平行光；所述镜筒夹(4)固定于支撑管(6)的端部，用于安装光纤准直器(3)；所述干涉仪底座(5)用于调整和固定干涉仪的空间位置，干涉仪底座(4)与安装面板(2)通过螺栓连接；所述支撑圆管(6)的一端连接面板(2)和角度指针(7)，支撑圆管(6)的另一端连接镜筒夹(4)；所述工业CCD相机(8)通过连接板固定在滑台组(1)的短行程滑台上。
2.根据权利要求1所述的用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪，其特征在于，所述安装面板(2)由8mm厚的铝合金面板制成。
3.根据权利要求1所述的用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪，其特征在于，镜筒夹的锁紧螺栓处于松开状态时，光纤准直器(3)沿轴线方向平移或转动。
4.根据权利要求1所述的用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪，其特征在于，两个支撑圆管(6)长度相同。
5.根据权利要求1所述的用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪，其特征在于，所述角度指针(7)固定在支撑圆管(6)上，其指向方向与光纤准直器(3)的轴线方向一致。
6.根据权利要求1所述的用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪，其特征在于，角度指针(7)、镜筒夹(4)以及光纤准直器(3)随支撑管(6)一起转动。
7.根据权利要求1所述的用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪，其特征在于，所述角度指针(7)所指向的角度即为光纤准直器(3)与相机轴线的夹角角度。
8.根据权利要求1所述的用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪，其特征在于，所述工业CCD相机(8)的空间位置依靠滑台组(1)来调节。
9.一种权利要求1所述用于材料面内变形、应变场测量的激光干涉仪的使用方法，其特征在于，
步骤一：将光纤准直器(3)与光纤连接，将工业CCD相机(8)与带有图像采集和分析软件的计算机连接，开启激光器电源和计算机电源；
步骤二：旋转两个支撑圆管(6)，将两个光纤准直器(3)的角度调至与被测材料表面法向夹角相同的角度，固定角度指针(7)，拧紧支撑圆管(6)锁紧螺栓，进而固定光纤准直器(3)的空间角度；
步骤三：调整安装面板(2)高度方面的位置，使两束激光光斑重合于被测材料表面，然后固定安装面板(2)；
步骤四：两个镜筒夹(4)一个锁紧另一个松开，旋转光纤准直器(3)，直至两个光纤准直器(3)发出的激光束偏振方向一至，锁紧镜筒夹(4)；
步骤五：调整滑台组(1)的长行程滑台，使工业CCD相机(8)镜头焦平面至被测材料表面，再调整滑台组(1)的两个短行程滑台，将工业CCD相机(8)视野调整至被测位置处；
步骤六：调整工业CCD相机(8)镜头的光圈、放大倍数、焦距的参数，以及相机的增益、曝光时间的参数，分别采集材料受载变形前后的散斑图像，并将其输入至计算机中，利用计算机图像分析处理技术，由两个散斑图像提取材料的面内变形和应变场信息。
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