CN110657755B - 散斑干涉形变测量系统校准方法及加载装置 - Google Patents

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Abstract

一种散斑干涉形变测量系统校准方法及加载装置，将试样形变测量校准转换为位移测量校准且校准区域位移量与位移驱动装置的位移一致，全场变形均在弹性变形范围内；进而通过各部件结构设计确保该加载位移量的精度及可重复性以满足校准需要的精度及重复性要求；最后利用散斑形变测量解算特点，通过对待校准区域的校准实现对散斑干涉测量系统的全场测量校准。本发明具有稳定高精度的特点，可以用于确定测量标准与形变加载装置示值之间关系的形变加载方法及装置，可广泛应用于形变测量校准领域中。

Description

散斑干涉形变测量系统校准方法及加载装置
技术领域
本发明涉及的是一种机械测量领域的技术，具体是一种散斑干涉形变测量系统校准方法及加载装置。
背景技术
形变测量是数字散斑干涉测量方法应用的一个重要方向，但对于相关测量系统的校准，目前尚无通用可靠的方法。国标JJF1001-2011中对校准的定义是：确定由测量标准提供的量值与相应示值之间的关系，用此信息确定由示值获得测量结果的关系。对于测量系统的校准，需要确定测量标准提供的量值与形变加载装置的示值之间的关系，用待校准测量系统对形变加载装置各加载点进行测量，获得形变加载装置示值与测量结果的关系，实现对测量系统的校准。然而对于形变值并无测量标准提供的量值与之对应。
发明内容
本发明针对现有散斑干涉形变测量系统无法校准，使得数字散斑干涉方法测量值的准确性无法验证的问题，提出一种散斑干涉形变测量系统校准方法及加载装置，具有稳定高精度的特点，可以用于确定测量标准与形变加载装置示值之间关系的形变加载方法及装置，可广泛应用于形变测量校准领域中。
本发明是通过以下技术实施例实现的：
本发明涉及一种散斑干涉形变测量系统校准方法，将试样形变测量校准转换为位移测量校准且校准区域位移量与位移驱动装置的位移一致，全场变形均在弹性变形范围内；进而通过各部件结构设计确保该加载位移量的精度及可重复性以满足校准需要的精度及重复性要求；最后利用散斑形变测量解算特点，通过对待校准区域的校准实现对散斑干涉测量系统的全场测量校准。
所述的试样为圆盘形薄壁零件，包括位于中心的待校准区域、中部形变区域和外周固紧区域，其中：待校准区域的厚度为周围其余区域厚度的10倍以上，试样中部形变区域为弹性变形区域。
所述的试样待校准区域的厚度建议为周围其余区域厚度的10倍以上。
所述的将试样形变测量校准转换为位移测量校准，通过加载装置实现，该加载装置包括：压电促动器、促动器基座和试样基座，其中：压电促动器固定于促动器基座上，试样的外周固定于试样基座，中心区域与压电促动器通过螺纹固定连接以产生同样位移。
所述的转换，将试样形变测量校准转换为位移测量校准，建立测量标准提供的量值与待校准区域位移值之间的关系。
所述的全场测量校准是指：待校准区域形变值解算过程中，相位的解包裹遍历了外周固紧区域参考点、中部形变区域至该区域的所有点，对待校准区域的校准视为全场测量校准的等价。
技术效果
与现有技术相比，本发明为散斑干涉形变测量系统校准提供了一种方法及加载装置，可以实现形变测量校准，其扩展测量不确定度可以达0.2μm(K＝2)。
附图说明
图1为本发明主视图；
图2为本发明俯视图；
图3为本发明左视图；
图4为本发明右视图；
图5为待校准散斑干涉测量系统对该加载装置加载5μm位移时测得的试样全场包裹的相位图；
图6为待校准散斑干涉测量系统对该加载装置加载5μm位移时测得的试样全场解包裹后相位图；
图7为待校准散斑干涉测量系统对该加载装置加载5μm位移时测得的试样全场形变图；
图中：压电促动器1、试样2、待校准区域201、中部形变区域202、外周固紧区域203促动器基座3、试样基座4、5、6、7、螺钉701，702和703。
具体实施方式
如图1至图4所示，本实施例涉及的一种散斑干涉形变测量系统校准的加载装置，包括：压电促动器1、促动器基座3和试样基座4，其中：压电促动器1固定于促动器基座3上，试样2的外周固定于试样基座4，中心区域与压电促动器1通过螺纹固定连接以产生同样位移。
该加载装置可以满足视场大小直径为110mm的视场的形变测量系统的校准。
所述的压电促动器1的外壳通过螺钉6固定在促动器基座3上。
所述的试样2为圆盘形薄壁零件，包括位于中心的待校准区域201、中部形变区域202和外周固紧区域203，其中：待校准区域201的厚度为周围其余区域厚度的10倍以上，试样中心位移区域和外周固紧区域间为弹性变形区域。
所述的试样2周围其余区域厚度根据校准范围、弹性形变范围计算确定，中心圆柱伸出端厚度在保证大于周围其余区域厚度10倍的基础上，中心标记圆直径与圆柱伸出端直径相同，其具体确定过程为：计算待校准区域2校准范围内最大位移时中部形变区域202最大应力值，根据材料属性，比较该最大应力值与材料屈服点应力值，保证最大位移时的最大应力值小于5倍及以上材料屈服点应力值，以确保校准范围内施加的位移引起的中部形变区域202的形变为弹性形变。
所述的促动器基座3与试样基座4用3个螺钉701，702和703固紧，在压电促动器1无位移时，试样2预变形接近0。
所述的压电促动器1为选用的标准商品，行程范围0-18μm，测量不确定度度U＝0.1μm(K＝2)。
所述的促动器基座3用于固定压电促动器1，促动器基座3中心孔与压电促动器1紧密配合，促动器基座3中部开槽，拧紧螺钉6实现对压电促动器1的固定。
所述的试样基座4一方面实现用螺钉5对试件2的固定，另一方面连接促动器基座3及其余零部件的，组成一个一体化装置。
本实施涉及一种散斑干涉形变测量系统校准的方法，具体步骤包括：
第一步、确定待校准区域大小，本实施例中待校准区域为直径12mm的圆形区域，试样2中该区域厚度至少大于周围其余区域10倍厚度；
第二步、确定校准形变量程范围，本实施例中形变范围为0-9μm；
第三步、根据形变范围确定试样2材料及其详细结构尺寸，确保试样2最大形变时试样2全场形变均为弹性形变，本实施例中安全系数为5倍左右；
第四步、根据压电促动器1接口设计试样2接口并进行可靠螺纹连接紧固。如此，可以确保设计的装置能够产生高精度可重复位移加载，实现散斑干涉测量系统的全场形变校准。
所述的装置经上海市计量测试技术研究院校准，其扩展不确定度为U＝0.2μm(k＝2)，其具体实施过程如下：驱动所述的装置中压电促动器1以0.5μm为步距，推动试样2产生相同的位移，同时用万能测长仪(HELIO-SIP550M)，对试样2中心区域位移进行测量并记录。去程和回程各记录一次，具体如下表：
Figure BDA0002222690350000031
Figure BDA0002222690350000041
1)本实施例将压电促动器1，试样2用螺纹连接的方式进行固接，试样2中心区域与压电促动器1位移一致，确保了待校准区域的位移加载精度。
2)本实施例将试样2中心区域厚度设计为大于10倍周围其余区域厚度，为高刚度区域，该区域仅发生位移，且位移量与压电促动器1位移一致，另一方面，其余区域的低刚度设计确保压电促动器1带动试样2中心区域位移所需的力较小，降低了螺纹接触部分接触应力产生的接触变形对待校准区域位移量的影响，提升了位移加载精度。
3)尽管只对试样中心区域的位移进行校准，但由于散斑干涉形变测量形变值解算过程中的相位解包裹需要遍历参考点至中心区域间所有的点的形变值，因此对中心区域的校准，等价于对全场的校准，如图5、图6、图7所示，分别为加载位移5μm时，散斑干涉测量系统测得形变解算过程中包裹的相位图、解包裹后的相位图及全场形变分布图。
经过具体实际实验，在20±1℃环境下，以0.5μm间隔控制压电促动器1位移加载，能够得到的实验数据如上表所示。
与现有技术相比，本方法能够实现对散斑干涉测量系统形变测量值的校准；试样设计为待校准区域201厚度大于10倍周围其余区域为待校准区域201形变值等效为位移值进行校准提供了可能，中部形变区域202为弹性变形区，确保加载可重复，为装置的校准提供了可能。压电促动器1与试样2螺纹连接，确保了去程和回程待校准区域201的位移与压电促动器1的位移一致，有效保证方法的实施。形变加载装置将形变值转化为位移值进行校准，建立了加载示值与测量标准提供的量值之间的对应，这是加载装置能够校准的根本所在。校准后的加载装置，能够用于形变测量系统的校准，对于散斑干涉测量系统，由于其特殊的形变解算特点，对待校准区域201的校准可以等同于对试样2全场的校准。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现实施例均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种散斑干涉形变测量系统校准方法，其特征在于，将试样形变测量校准转换为位移测量校准且校准区域位移量与位移驱动装置的位移一致，全场变形均在弹性变形范围内；进而通过各部件结构设计确保加载位移量的精度及可重复性以满足校准需要的精度及重复性要求；最后利用散斑形变测量解算特点，通过对待校准区域的校准实现对散斑干涉测量系统的全场测量校准；
所述的试样为圆盘形薄壁零件，包括位于中心的待校准区域、中部形变区域和外周固紧区域，其中：试样中心位移区域和外周固紧区域间为弹性变形区域；
所述的校准，通过散斑干涉形变测量系统校准装置实现，该装置包括：压电促动器、促动器基座和试样基座，其中：压电促动器固定于促动器基座上，试样的外周固定于试样基座，中心区域与压电促动器通过螺纹固定连接以产生同样位移；
所述的压电促动器的外壳通过螺钉固定在促动器基座上；
所述的促动器基座与试样基座用螺钉固紧，在压电促动器无位移时，试样预变形接近0；所述的促动器基座用于固定压电促动器，促动器基座中心孔与压电促动器紧密配合，促动器基座中部开槽，拧紧螺钉实现对压电促动器的固定；所述的试样基座通过螺钉对试件的固定且连接促动器基座及其余部件以组成一个一体化装置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的试样待校准区域的厚度为周围其余区域厚度的10倍以上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的将试样形变测量校准转换为位移测量校准，通过加载装置实现，该加载装置包括：压电促动器、促动器基座和试样基座，其中：压电促动器固定于促动器基座上，试样的外周固定于试样基座，中心区域与压电促动器通过螺纹固定连接以产生同样位移。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的转换，将试样形变测量校准转换为位移测量校准，建立测量标准提供的量值与待校准区域位移值之间的关系。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的全场测量校准是指：待校准区域形变值解算过程中，相位的解包裹遍历了外周固紧区域参考点、中部形变区域至该区域的所有点，对待校准区域的校准视为全场测量校准的等价。
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