CN110132898B - 应用干涉法支撑梁的材料弹性模量测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的应用干涉法支撑梁的材料弹性模量测量系统，属于光电测量技术领域。本发明主要由光学测量模块、测量解调模块、数据计算模块、控制处理模块组成。光学测量模块包括准直光源、第一分光棱镜、参考调制器、光学收敛器、第二分光棱镜、第一光电转换器、第二光电转换器、相位调制器；测量解调模块包括刀口天平、刀口支撑、力加载器、支撑梁、支撑梁加载结构。本发明将计量学中力值和位移的量值复现技术应用到测量工作，能够实时测量加载力和变形的位移尺寸原位，提高材料弹性模量测量准确度，具有较好的通用性和测量实时性优点。本发明对材料的其它物理属性要求低，利用实验室环境能够实现材料弹性模量的测量，并获得结构变化的过程数据。

Description

应用干涉法支撑梁的材料弹性模量测量系统
技术领域
本发明涉及一种应用干涉法的支撑梁材料弹性模量测量系统，属于光电测量技术领域。
背景技术
材料弹性模量的测量广泛地应用于工程技术领域，如何提高材料的弹性模量的测量能力和测量准确度对于材料在设备设计、研制和使用具有十分重要的意义。材料的弹性模量测量通常在材料试验机上实现，一般采用拉压的方式进行，试验过程中采用位移传感器和力传感器共同完成材料变形过程中的力值和位移的关系，目前用于该参量测量的设备中由于卡持机构和受力位置的约束相对不容易确定，因此一定程度上严重影响了材料弹性模量的准确测量和使用，通常由此引入的测量误差会达到百分之十以上，不利于在以弹性模量为应用性能的设备中的技术能力提升。因此从测量原理和测量结构上综合考虑材料弹性模量的准确测量对提高材料性能的认知和更便利正确地使用材料具有十分重要的现实意义，也是提升材料科学研究测量能力水平的关键技术领域。
发明内容
为克服现有测量中加载力和变形的位移尺寸原位实时测量困难，本发明公开的应用干涉法支撑梁的材料弹性模量测量系统要解决的技术问题是：将计量学中力值和位移的量值复现技术应用到测量工作，提高材料弹性模量测量准确度，具有较好的通用性和测量实时性优点。且本发明对材料的其它物理属性要求不高，利用实验室环境就可以实现材料弹性模量的测量，并能够获得结构变化的过程数据。所述的过程数据指加载力力值和位移的量值之间的关系。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的应用干涉法支撑梁的材料弹性模量测量系统，主要由光学测量模块、测量解调模块、数据计算模块、控制处理模块组成。
光学测量模块包括准直光源、相关光学元件组成的光学测量单元、光电转换前置电路及数据采集电路，通过所述光学测量模块能够将支撑梁的材料弹性变形的位移量转化为用于数字处理的电学信号。测量解调模块用于将光学测量模块获取的干涉电学信号进行逻辑比较与运算处理，计算出用于测量控制和最终弹性模量计算的位移量测量基础数据，并实现对应的数据结果输出。数据计算模块用于支撑梁的材料弹性模量测量的核心计算与处理，通过测量的力值加载量和材料弹性变形的位移量，综合运算得到材料弹性模量计算值及加载过程中的变化测量值。控制处理模块用于支撑梁的材料弹性模量测量的控制与同步处理，通过获取的测量计算模块和测量解调模块的数据，协调测量系统的工作过程及信息同步输出。
所述光学测量模块包括准直光源、第一分光棱镜、参考调制器、光学收敛器、第二分光棱镜、第一光电转换器、第二光电转换器、相位调制器；所述测量解调模块包括刀口天平、刀口支撑、力加载器、支撑梁、支撑梁加载结构。
光学测量采用激光器，激光器出射光经准直器后成为用于测量的准直光源，准直光束经第一分光棱镜形成测量光与测量参考光。测量参考光经参考调制器反射后于第一分光棱镜处，其中参考调制器主要用于采用高频载波调制测量参考光的相位，避免干涉信号长期测量中的漂移；测量光经光学收敛器后反射于刀口天平的压头端，再次通过光学收敛器到达第一分光棱镜与测量参考光重合后干涉。刀口天平一端是加载力端，另一端是压头端。加载力端采用连接砝码或电动加载力的形式实现力值加载，压头端采用反方向压头的形式作用于支撑梁上，支撑梁安放在预先设计的加载结构上，实现支撑梁的支撑点和被支撑的长度、支撑的位置、压头接触位置相对固定，相互位置关系已知。干涉信号经第二分光棱镜分别通过第一光电转换器和第二光电转换器获得相位相互正交的干涉信号；为方便控制解算干涉信号，通过控制相位调制器的位置来确定正交干涉的最终相位，最后通过测量解调模块获得干涉相位的测量结果并提供对应的位移测量值，利用力加载器的量值和位移测量值计算材料弹性模量，即实现材料弹性模量的测量。
刀口天平是否采用等臂的结构根据目标测量需要确定。作为优选，为提高力值加载的分辨力，刀口天平采用不等臂的形式。有益效果
1、本发明应用干涉法的支撑梁材料弹性模量测量系统，采用的光学干涉方法测量弹性形变量值和杠杆施加力值的方法，能够克服通常材料弹性模量测量所采用大部件和试验机工作时位置定位和力值加载不准确的问题，进而提高加载位移的步进精细度，结构相对简单，易于实现。
2、本发明应用干涉法的支撑梁材料弹性模量测量系统，采用激光干涉测量刀口天平平衡位置，按照各个分量去确定力值和弹性形变的量值，能够提高材料弹性模量测量中主要环节的测量水平，实现材料弹性模量的全过程点的测量，有效地针对弹性变形测量出位移和力值的关系，全面提升材料弹性模测量水平。
附图说明
图1为本发明中应用干涉法的支撑梁材料弹性模量测量系统的工作原理图；
图2为本发明中应用干涉法的支撑梁材料弹性模量测量系统的光学原理示意图。
其中：1—光学测量模块，2—测量解调模块，3—数据计算模块，4—控制处理模块，5—准直光源，6—第一分光棱镜，7—参考调制器，8—光学收敛器，9—刀口天平，10—刀口支撑；11—力加载器，12—支撑梁，13—支撑梁加载结构，14—第二分光棱镜，15—第一光电转换器，16—第二光电转换器，17—相位调制器，18—光学测量模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开的应用干涉法支撑梁12的材料弹性模量测量系统，主要由光学测量模块1、测量解调模块2、数据计算模块3、控制处理模块4组成。
光学测量模块1包括准直光源5、相关光学元件组成的光学测量单元、光电转换前置电路及数据采集电路，通过所述光学测量模块1能够将支撑梁12的材料弹性变形的位移量转化为用于数字处理的电学信号。测量解调模块2用于将光学测量模块1获取的干涉电学信号进行逻辑比较与运算处理，计算出用于测量控制和最终弹性模量计算的位移量测量基础数据，并实现对应的数据结果输出。数据计算模块3用于支撑梁12的材料弹性模量测量的核心计算与处理，通过测量的力值加载量和材料弹性变形的位移量，综合运算得到材料弹性模量计算值及加载过程中的变化测量值。控制处理模块4用于支撑梁12的材料弹性模量测量的控制与同步处理，通过获取的测量计算模块和测量解调模块2的数据，协调测量系统的工作过程及信息同步输出。
如图2所示，所述光学测量模块1包括准直光源5、第一分光棱镜6、参考调制器7、光学收敛器8、第二分光棱镜14、第一光电转换器15、第二光电转换器16、相位调制器17；所述测量解调模块2包括刀口天平9、刀口支撑10、力加载器11、支撑梁12、支撑梁12加载结构13。光学测量采用波长633nm激光器，激光器出射光经准直器后成为用于测量的准直光源5，准直光束经第一分光棱镜6形成测量光与测量参考光。测量参考光经参考调制器7反射后于第一分光棱镜6处，其中参考调制器7主要用于采用高频载波调制测量参考光的相位，避免干涉信号长期测量中的漂移；测量光经光学收敛器8后反射于刀口天平9的压头端，再次通过光学收敛器8到达第一分光棱镜6与测量参考光重合后干涉。刀口天平9一端是加载力端，另一端是压头端。刀口天平9采用等臂的结构。为提高力值加载的分辨力，刀口天平9采用不等臂的形式。加载力端采用连接砝码的形式加载，压头端采用反方向压头的形式作用于支撑梁12上，支撑梁12采用不锈钢材料制作，梁长度为100mm，安放在预先设计的加载结构上，实现支撑梁12的支撑点和被支撑的长度、支撑的位置、压头接触位置相对固定，相互位置关系已知。干涉信号经第二分光棱镜14分别通过第一光电转换器15和第二光电转换器16获得相位相互正交的干涉信号；为方便控制解算干涉信号，通过控制相位调制器17的位置来确定正交干涉的最终相位，最后通过测量解调模块2获得干涉相位的测量结果并提供对应的位移测量值，利用力加载器11的量值和位移测量值计算材料弹性模量，即实现材料弹性模量的测量。
光学测量模块1和光学测量模块18为相同模块，仅是两种不同表述形式。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.应用干涉法支撑梁的材料弹性模量测量系统，其特征在于：由光学测量模块（1）、测量解调模块（2）、数据计算模块（3）、控制处理模块（4）组成；
光学测量模块（1）包括准直光源（5）、相关光学元件组成的光学测量单元、光电转换前置电路及数据采集电路，通过所述光学测量模块（1）能够将支撑梁（12）的材料弹性变形的位移量转化为用于数字处理的电学信号；测量解调模块（2）用于将光学测量模块（1）获取的干涉电学信号进行逻辑比较与运算处理，计算出用于测量控制和最终弹性模量计算的位移量测量基础数据，并实现对应的数据结果输出；数据计算模块（3）用于支撑梁（12）的材料弹性模量测量的核心计算与处理，通过测量的力值加载量和材料弹性变形的位移量，综合运算得到材料弹性模量计算值及加载过程中的变化测量值；控制处理模块（4）用于支撑梁（12）的材料弹性模量测量的控制与同步处理，通过获取的测量计算模块和测量解调模块（2）的数据，协调测量系统的工作过程及信息同步输出；
光学测量采用激光器，激光器出射光经准直器后成为用于测量的准直光源（5），准直光束经第一分光棱镜（6）形成测量光与测量参考光；测量参考光经参考调制器（7）反射后于第一分光棱镜（6）处，其中参考调制器（7）用于采用高频载波调制测量参考光的相位，避免干涉信号长期测量中的漂移；测量光经光学收敛器（8）后反射于刀口天平（9）的压头端，再次通过光学收敛器（8）到达第一分光棱镜（6）与测量参考光重合后干涉；刀口天平（9）一端是加载力端，另一端是压头端；加载力端采用连接砝码或电动加载力的形式实现力值加载，压头端采用反方向压头的形式作用于支撑梁（12）上，支撑梁（12）安放在预先设计的加载结构上，实现支撑梁（12）的支撑点和被支撑的长度、支撑的位置、压头接触位置相对固定，相互位置关系已知；干涉信号经第二分光棱镜（14）分别通过第一光电转换器（15）和第二光电转换器（16）获得相位相互正交的干涉信号；为方便控制解算干涉信号，通过控制相位调制器（17）的位置来确定正交干涉的最终相位，最后通过测量解调模块（2）获得干涉相位的测量结果并提供对应的位移测量值，利用力加载器（11）的量值和位移测量值计算材料弹性模量，即实现材料弹性模量的测量。
2.如权利要求1所述的应用干涉法支撑梁的材料弹性模量测量系统，其特征在于：刀口天平（9）是否采用等臂的结构根据目标测量需要确定。
3.如权利要求2所述的应用干涉法支撑梁的材料弹性模量测量系统，其特征在于：为提高力值加载的分辨力，刀口天平（9）采用不等臂的形式。
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