CN106770402B - 一种用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置 - Google Patents

一种用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置。所述三维定标测量装置首先利用三维扫描仪配合样品台多自由度运动，将放置于样品台上的样品的扫描图像采集到计算机中，建立样品的三维模型。然后对三维模型进行分网处理，并对每个网格赋予唯一标识。通过手动或自动模式在三维模型上任选一个目标网格，借助安装在计算机中的运动控制程序控制样品台运动，使得入射狭缝对准该目标网格，同时，衍射狭缝、准直器和中子探测器移动到相应位置，中子源发射中子束，开始中子衍射应力测量。该三维定标测量装置可以实现对样品的精确三维定标，对空间要求低，不需要额外安装基准点光源，避免引入额外的误差，测试样品的定位精度可达100μm。

Description

一种用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置
技术领域
本发明属于材料结构与性能的中子衍射原位测量技术领域，具体涉及一种用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置。
背景技术
内应力起源于材料内部不同区域或相的错配性/非相容性。从材料合成到工程装备的每一个环节都可能引入内应力。由于是外加负荷撤销后的残留作用，也被称为残余应力。理解和控制残余应力是工程材料研发及应用的先决条件。中子衍射应力分析技术同时面向工程应用和基础研究。该技术同X射线分析方法类似，均是根据衍射峰的位移计算应变，然后转化为应力结果。对比后者，中子在穿透深度以及区分相邻元素等方面具有明显优势，可满足整体测试的需求，适合测试大体积形状不规则材料或构件的内应力。同时提供可调的空间分辨，允许对样品的灵活操作，可监视环境加载条件下内应力的变化。业界普遍认为中子衍射分析技术是目前多晶材料内部三维应力无损检测的唯一技术手段。近年来，随着工程和材料科学应用需求的增加和人们认识的深入，多家中子散射实验室建立专门的中子衍射应力分析谱仪，中子衍射应力分析技术正受到越来越多的关注。该技术属于精密实验技术范畴，被测构件或样品的定位至关重要，如果定位发生偏差，造成的后果是中子束流入射到样品表面的区域将发生偏移，进而造成实验结果不准确。为了克服这一弊端，通常采用三维定位技术确定中子入射位置。传统的三维激光/红外定位技术需要三个点光源提供基准定位光线，三个点光源的安装布局对测试样品周围空间有一定要求。如果中子衍射应力谱仪的起飞角发生变化，点光源的位置也要做出相应的调整，容易引入额外的误差。
当前，亟需一种高精度的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置。
本发明的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置，其特点是，所述的三维定标测量装置包括三维扫描仪、样品台、计算机、入射狭缝、衍射狭缝、准直器和中子探测器；
样品放置在所述的样品台上，中子源发射的中子射线经入射狭缝入射至样品，衍射后的中子射线沿衍射狭缝入射至准直器后由中子探测器接收，入射狭缝和衍射狭缝呈布拉格角排列；所述的三维扫描仪扫描样品，并将扫描图像传输至计算机；所述的计算机控制样品台移动，改变三维扫描仪扫描的样品的测量点位置，通过计算机中的中子衍射应力分析模块实现样品的中子衍射应力分析的三维定标测量。
所述的三维扫描仪包括光栅投影仪，摄像机Ⅰ和摄像机Ⅱ，光栅投影仪发射光栅束至样品，通过摄像机Ⅰ和摄像机Ⅱ的互补测量获得样品的扫描图像。
所述的样品台为四自由度运动机构，通过电机带动样品在X、Y、Z方向运动和水平旋转。
所述的三维扫描仪与计算机之间的通讯采用光纤通讯、串口通讯或以太网通讯中的一种。
所述的样品台与计算机之间的通讯采用串口通讯或以太网通讯中的一种。
所述的入射狭缝和衍射狭缝窗口尺寸范围为0mm×0mm至20mm×100mm的矩形窗口。
所述的准直器为径向准直器或Soller准直器中的一种。
所述的中子探测器的结构为多丝正比室结构或3He管组成的探测器阵列结构中的一种。
所述的中子源为反应堆中子源、脉冲堆中子源或散裂中子源中的一种。
本发明的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置的工作过程如下：首先利用三维扫描仪配合样品台的多自由度运动，将放置于样品台上的样品的外观信息采集到计算机中，获得扫描图像，建立样品的三维模型。然后针对该三维模型进行分网处理，并对每个网格赋予唯一标识。接下来通过手动或自动模式在三维模型上任选一个目标网格，借助安装在计算机中的运动控制程序控制样品台运动，使得入射狭缝对准该目标网格，同时，衍射狭缝、准直器和中子探测器移动到布拉格角的位置，打开中子源的中子束流开关，发射出中子射线，开始中子衍射应力测量。通过样品台的移动，中子衍射应力谱仪将对样品的每一个小型区域完成应力分布探测，整合处理，得到应力值。最后，将样品的三维模型与其测试区域的应力值一一对应，实现应力分布三维显示。本发明的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置的优势在于操作人员不需要掌握图像处理，光学定位等多个领域的相关知识，仅需掌握谱仪运行流程即可。本发明的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置开展的中子衍射应力测量实验的样品定位精度可达100μm，降低了因人为操作带来的样品定位误差。
三维扫描仪的工作原理是利用光栅投影仪投射编码的光栅条纹，同步触发成一定夹角的摄像机Ⅰ和摄像机Ⅱ工作，采集对应的受到被扫描物体表面形貌调制后的光栅条纹，通过解相得到样品表面的云数据，样品表面轮廓以坐标的形式呈现。每次通过摄像机Ⅰ和摄像机Ⅱ得到两个公共视野区域内的数据，针对不同视野的数据，通常采用两次测量公共区域的公共参考点，并将数据拼接实现数据坐标统一。基于结构光图像的数据获取方式，采集速度快，尤其适合不规则曲面的数据获取与分析。通过三维扫描仪完成对样品的图像采集以后，在电脑中完成三维建模。三维模型置于坐标系中，每个测试点被赋予唯一的坐标。
使用三维扫描仪测量时，对样品无需借助辅助手段进行费时费力的物理找正。操作者只需将样品安放的位置和方向通过一定的测量和操作告诉计算机，便可实现快速而精确的数学找正。通过测量实际基准元素上各个测量点的坐标，计算机对数据进行相应的数学处理，就可以确定被测样品的基准体系。在该基准体系下，再测量实际被测元素上的点，然后进行计算就得到实际的测量结果。上述的数学找正，就是建立样品坐标系的过程。正确的建立样品坐标系对于保证迅速而准确地进行测量工作至关重要，否则就可能导致错误的测量结果。
中子衍射应力谱仪采用地毯式扫描测试的方式获得样品内部应力分布情况。首先，针对已经采集到计算机内的样品的三维模型，利用鼠标在其表面任意选择一个区域（假设平面区域尺寸为2mm×2mm）作为起始测试区域，通过控制系统联动，中子射线将对准该区域进行测试。然后，从选定的起始测试区域开始，控制测试区域依次沿X/Y/Z方向移动，配合样品台的旋转，可实现对样品的全表面扫描。对得到的应力数据进行预处理，即将其转化为计算机中的中子衍射应力分析模块可以识别的格式和数值。经过数据反演，最终获得应力分布图像。
本发明的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置，其核心组件包括一个具有多自由度运动能力的样品台和一台高精度三维扫描仪，二者配合使用，可以实现对样品的精确三维定标，该三维定标测量装置对空间要求低，不需要额外安装基准点光源，避免引入额外的误差，对测试样品的定位精度可达100μm。
附图说明
图1为本发明的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置的结构示意图；
图2为本发明的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置中的三维扫描仪结构示意图。
图中，1.三维扫描仪 2.样品台 3.计算机 4.入射狭缝 5.样品 6.衍射狭缝 7.准直器 8.中子探测器 9.光栅投影仪 10.摄像机Ⅰ 11.摄像机Ⅱ。
图中的虚线表示中子射线。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1、2所示，本发明的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置包括三维扫描仪1、样品台2、计算机3、入射狭缝4、衍射狭缝6、准直器7和中子探测器8；
样品5放置在所述的样品台2上，中子源发射的中子射线经入射狭缝4入射至样品5，衍射后的中子射线沿衍射狭缝6入射至准直器7后由中子探测器8接收，入射狭缝4和衍射狭缝6呈布拉格角排列；所述的三维扫描仪1扫描样品5，并将扫描图像传输至计算机3；所述的计算机3控制样品台2移动，改变三维扫描仪1扫描的样品5的测量点位置，通过计算机3中的中子衍射应力分析模块实现样品5的中子衍射应力分析的三维定标测量。
所述的三维扫描仪1包括光栅投影仪9，摄像机Ⅰ10和摄像机Ⅱ11，光栅投影仪9发射光栅束至样品5，通过摄像机Ⅰ10和摄像机Ⅱ11的互补测量获得样品5的扫描图像。
所述的样品台2为四自由度运动机构，通过电机带动样品5在X、Y、Z方向运动和水平旋转。
所述的三维扫描仪1与计算机3之间的通讯采用光纤通讯、串口通讯或以太网通讯中的一种。
所述的样品台2与计算机3之间的通讯采用串口通讯或以太网通讯中的一种。
所述的入射狭缝4和衍射狭缝6窗口尺寸范围为0mm×0mm至20mm×100mm的矩形窗口。
所述的准直器7为径向准直器或Soller准直器中的一种。
所述的中子探测器8的结构为多丝正比室结构或3He管组成的探测器阵列结构中的一种。
所述的中子源为反应堆中子源、脉冲堆中子源或散裂中子源中的一种。
实施例1
本发明的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置的工作过程如下：首先利用三维扫描仪配合样品台的多自由度运动，将放置于样品台上的样品的外观信息采集到计算机中，获得扫描图像，建立样品的三维模型。然后针对该三维模型进行分网处理，并对每个网格赋予唯一标识。接下来通过手动或自动模式在三维模型上任选一个目标网格，借助安装在计算机中的运动控制程序控制样品台运动，使得入射狭缝对准该目标网格，同时，衍射狭缝、准直器和中子探测器移动到布拉格角的位置，打开中子源的中子束流开关，发射出中子射线，开始中子衍射应力测量。通过样品台的移动，中子衍射应力谱仪将对样品的每一个小型区域完成应力分布探测，整合处理，得到应力值。最后，将样品的三维模型与其测试区域的应力值一一对应，实现应力分布三维显示。本发明的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置的优势在于操作人员不需要掌握图像处理，光学定位等多个领域的相关知识，仅需掌握谱仪运行流程即可。本发明的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置开展的中子衍射应力测量实验的样品定位精度可达100μm，降低了因人为操作带来的样品定位误差。
三个实施例，三个样品，三个矩形最小到最大20*100，搭配不同的设备和设备结构，得出100μm以内的三个精度。
不关系精度的选择，直接在后面写成“还可以采用串口通讯或以太网通讯”。
实施例2
本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，样品2，矩形2，不同的设备和设备结构，得出100μm以内的精度2。
实施例3
本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，样品2，矩形2，不同的设备和设备结构，得出100μm以内的精度2。

Claims (9)

1.一种用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置，其特征在于，所述的三维定标测量装置包括三维扫描仪(1)、样品台(2)、计算机(3)、入射狭缝(4)、衍射狭缝(6)、准直器(7)和中子探测器(8)；所述的三维扫描仪(1)包括光栅投影仪(9)，摄像机Ⅰ(10)和摄像机Ⅱ(11)，光栅投影仪(9)发射光栅束至样品(5)，通过摄像机Ⅰ(10)和摄像机Ⅱ(11)的互补测量获得样品(5)的扫描图像；样品(5)放置在所述的样品台(2)上，中子源发射的中子射线经入射狭缝(4)入射至样品(5)，衍射后的中子射线沿衍射狭缝(6)入射至准直器(7)后由中子探测器(8)接收，入射狭缝(4)和衍射狭缝(6)呈布拉格角排列；所述的三维扫描仪(1)扫描样品(5)，并将扫描图像传输至计算机(3)；所述的计算机(3)控制样品台(2)移动，改变三维扫描仪(1)扫描的样品(5)的测量点位置，通过计算机(3)中的中子衍射应力分析模块实现样品(5)的中子衍射应力分析的三维定标测量。
2.根据权利要求1所述的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置，其特征在于：所述的三维扫描仪(1)包括光栅投影仪(9)，摄像机Ⅰ(10)和摄像机Ⅱ(11)，光栅投影仪(9)发射光栅束至样品(5)，通过摄像机Ⅰ(10)和摄像机Ⅱ(11)的互补测量获得样品(5)的扫描图像。
3.根据权利要求1所述的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置，其特征在于：所述的样品台(2)为四自由度运动机构，通过电机带动样品(5)在X、Y、Z方向运动和水平旋转。
4.根据权利要求1或2所述的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置，其特征在于：所述的三维扫描仪(1)与计算机(3)之间的通讯采用光纤通讯、串口通讯或以太网通讯中的一种。
5.根据权利要求1或3所述的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置，其特征在于：所述的样品台(2)与计算机(3)之间的通讯采用串口通讯或以太网通讯中的一种。
6.根据权利要求1所述的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置，其特征在于：所述的入射狭缝(4)和衍射狭缝(6)窗口尺寸范围为0mm×0mm至20mm×100mm的矩形窗口。
7.根据权利要求1所述的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置，其特征在于：所述的准直器(7)为径向准直器或Soller准直器中的一种。
8.根据权利要求1所述的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置，其特征在于：所述的中子探测器(8)的结构为多丝正比室结构或3He管组成的探测器阵列结构中的一种。
9.根据权利要求1所述的用于中子衍射应力分析的三维定标测量装置，其特征在于：所述的中子源为反应堆中子源、脉冲堆中子源或散裂中子源中的一种。
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