CN112834095A - 一种用于检测透明聚合物材料残余应力的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测透明聚合物材料残余应力的测量装置及进行残余应力测量的方法。所述测量装置由测量平台、光源、第一偏振片、第一1/4波片、滚珠丝杠装置、激光器、反射镜装置、第二1/4波片、第二偏振片、CCD相机以及透明聚合物材料模型组成。本发明所述的测量装置通过在测量平台上设置多个滑道，并将光弹法和散光法中所涉及的多个光学部件通过安装磁性底座的方式按顺序与滑道进行装配，在测量过程中，可根据不同测量方法移除相应光学部件或调整各个光学部件在滑道内的相应位置，继而满足不同测量方法的要求。

Description

一种用于检测透明聚合物材料残余应力的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及应力测量领域，具体涉及一种用于检测透明聚合物材料残余应力的测量装置及进行残余应力测量的方法。

背景技术

材料在制备或者加工过程中会产生残余应力。材料的残余应力对其可靠性和使用寿命有重要影响。残余应力的影响大致可分为：对静强度、脆性破坏、抗应力腐蚀开裂和疲劳等材料性能的影响，以及对加工后产生尺寸偏差的影响。如何采用适当的措施调整残余应力或改进其分布，减小或消除残余应力对材料性能的不利影响是材料残余应力研究的重要课题。

对残余应力的测试是调整残余应力分布以及减少或消除残余应力的前提条件。目前，通过有限元方法可以计算材料中的残余应力，但是由于受力情况、温度场以及边界条件具有复杂性和不可预测性，进而使得有限元方法的计算结果，可靠性差。而实验方法可以弥补有限元方法的不足之处，现有的残余应力测试实验方法主要有破损检测方法和无损检测方法。残余应力的破损检测常用盲孔法，这类测试方法需要进行机加工，所以会致使材料无法继续使用，此外钻孔时会引入附加的加工应力，使检测精度受到影响。而残余应力的无损检测是一种借助媒介来实现残余应力测试的检测技术，它能够保持被测试件的原型，所以检测后的试件能够继续使用，而且测试的精度高。如残余应力的物理测量法：X射线和磁性方法，其不需将材料进行分离或分割，即可直接求得残余应力。物理法既能测宏观残余应力，又能测微观残余应力。此外，声学、光学、拉曼散射，以及测定硬度变化等方法也可以检测残余应力。

此外，由于透明聚合物材料具有双折射效应，使得光弹法可应用于透明聚合物材料残余应力的无损检测。但是，光弹法测试出等差线条纹级次和等倾角后，需要进行应力分离来计算出应力分量。常用的主应力分离方法为切应力差法，此方法计算较为繁琐，而且需要确定边界条件，而在残余应力的测试过程中，有时确定边界应力较为复杂，甚至无法确定，而且在计算过程中还会引入计算误差。散光法原理与光弹法相似，都是利用透明材料的双折射效应，区别在于光弹法是由透射光形成干涉条纹，而散光法是利用散射光。但是，散光法测试距离材料模型表面较深的内部应力时，采集到的散光条纹图会受到散射光强的影响，甚至无法进行测试。因此，现有的光弹法以及散光法均无法实现对透明聚合物材料进行可靠、准确的应力测量。

发明内容

基于现有散光法以及光弹法对透明聚合物材料进行应力测量时，存在的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供了一种可利用光弹法和散光法相结合的方式进行透明聚合物材料残余应力测量的测量装置及测量方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于检测透明聚合物材料残余应力的测量装置，包括测量平台、光源、第一偏振片、第一1/4波片、滚珠丝杠装置、激光器、反射镜装置、第二1/4波片、第二偏振片、CCD相机以及透明聚合物材料模型，其中：

所述测量平台上设有多个滑道；

所述光源、第一偏振片、第一1/4波片、第二1/4波片、第二偏振片以及CCD相机按顺序分别通过磁性底座装配于测量平台上的滑道内，所述光源、第一偏振片、第一1/4波片、第二1/4波片、第二偏振片以及CCD相机均可通过移动磁性底座的方式脱离所述滑道或调整其在所述滑道内的位置；

所述滚珠丝杠装置设置于用于装配第一1/4波片以及第二1/4波片的两个滑道之间的测量平台上；

所述激光器的前端设有偏振片，所述激光器可由滚珠丝杠装置带动上下移动；

所述反射镜装置用于反射散射出透明聚合物材料模型的激光，并与所述滚珠丝杠装置固定安装。

上述方案中，所述激光器通过连接板与滚珠丝杠装置安装固定，所述反射镜装置由反射镜片与带槽钢块构成，所述带槽钢块通过螺栓与滚珠丝杠装置安装固定，所述反射镜片与水平方向的夹角呈45°。

上述方案中，所述反射镜片通过凹槽配合的方式嵌入带槽钢块中，并将反射镜片和带槽钢块进行粘接。

上述方案中，所述光源、第一偏振片、第一1/4波片、第二1/4波片、第二偏振片以及CCD相机分别通过连接杆与磁性底座相固定。

本发明还提供了一种基于上述测量装置进行透明聚合物材料残余应力测量的方法，包括以下步骤：

第一步，将光源、第一偏振片、第一1/4波片、第二1/4波片、第二偏振片移除或移动至滑道的一边，激光器通过前端安装的偏振片产生45°偏振光，将透明聚合物材料模型放置于激光器的正前方，开启激光器及滚珠丝杠装置，激光入射至透明聚合物材料模型内，CCD相机在反射镜装置中进行图像采集；同时滚珠丝杠装置带动激光器上下扫描，在扫描过程中进行光强叠加，最后得到明暗散光干涉条纹图，根据干涉条纹图可进行应力计算，试件内部各点的应力分量σ_y与条纹级次的计算公式如下：

其中：n_x为入射光沿x轴入射时的散光干涉条纹图中的条纹级次；f_σ为材料的条纹值；d为模型厚度；

第二步，将光源、第一偏振片、透明聚合物材料模型、第二偏振片以及CCD相机调节至同轴，通过旋转第一偏振片、第二偏振片进行光路调节得到平面偏振光场，由CCD相机采集得到等差线和等倾线混合条纹图，同时旋转两个偏振片使等倾线条纹图发生变化，两个偏振片的旋转角度即为对应等倾线上各点的等倾角θ；

第三步，将所述光源、第一偏振片、第一1/4波片、透明聚合物材料模型、第二1/4波片、第二偏振片以及CCD相机调整至一条轴线上，通过旋转第一偏振片、第二偏振片进行光路调节得到圆偏振光场，由圆偏振广场可得到等差线条纹图，运用Tardy补偿法可测得各点等差线条纹级次n，由等倾角和等差线条纹级次n运用剪应力差法可计算出各点应力，计算公式如下：

其中：n为等差线条纹级次；f_σ为材料的条纹值；d为模型厚度；

利用主应力差，等倾角θ以及第一步中计算得出的应力分量σ_y，计算得到另外两个应力分量τ_xy和σ_x；

其中：θ为等倾角；n为等差线条纹级次；f_σ为材料的条纹值；d为模型厚度；n_x为入射光沿x轴入射时的散光干涉条纹图中的条纹级次。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、本发明所述的透明聚合物材料残余应力测量装置通过在测量平台上设置多个滑道，并将光弹法和散光法中所涉及的多个光学部件通过安装磁性底座的方式按顺序与滑道进行装配，在测量过程中，可根据测量需求移除相应光学部件或调整各个光学部件在滑道内的相应位置，继而满足不同测量方法的要求。

2、本发明所述的测量装置既可运用于光弹法中进行透明聚合物材料残余应力的无损检测，也可运用于散光法中进行透明聚合物材料残余应力的无损检测，同时，也可应用于利用光弹法和散光法相结合的方式进行透明聚合物材料残余应力的测量，各种不同测量方法通过一套装置即可实现，且不同测量方法之间转换可靠、便捷。

3、本发明所述的透明聚合物材料残余应力测量装置，通过将激光器与滚珠丝杠相连接，在利用散光法进行应力测量时，滚珠丝杠可带动激光器对透明聚合物材料模型进行上下扫描，在扫描的过程中进行光强叠加，与现有采用激光器直接照射于材料模型的测量装置相比，条纹无畸变，而且不需要使用大功率的激光器。

4、本发明所述的测量方法以散光法和光弹法相结合的方式对透明聚合物材料进行应力测量，一方面：其可以克服直接采用光弹法进行应力测量时，需要进行应力分离来计算出应力分量的繁琐和弊端；另一方面，也可以避免直接采用散光法进行应力测量时，所存在的当测试材料模型距表面较深的内部应力时，采集到的散光条纹图会受到散射光强的影响，甚至无法进行测试的问题。另外，利用本发明所述的测量及计算方法，可以快速、准确地测量出透明聚合物材料模型的残余应力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所述测量装置的俯视图。

图2为本发明实施例1所述测量装置的侧视图。

图3、图4为本发明实施例4所述测量方法的光学原理路图。

标号说明：1、测量平台；2、光源；3、第一偏振片；4、第一1/4波片；5、透明聚合物材料模型；6、磁性底座；7、第二1/4波片；8、第二偏振片；9、CCD相机；10、反射镜装置；11、第一滑道；12、第二滑道；13、第三滑道；14、第四滑道；15、第五滑道；16、第六滑道；17、激光器；18、滚珠丝杠装置；19、连接杆；20、连接板；21、螺栓；22、偏振片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：如图1至2所示，一种用于检测透明聚合物材料残余应力的测量装置，包括测量平台1、光源2、第一偏振片3、第一1/4波片4、滚珠丝杠装置18、激光器17、反射镜装置10、第二1/4波片7、第二偏振片8、CCD相机9以及透明聚合物材料模型5，其中：

测量平台1上按顺序依次设置第一滑道11、第二滑道12、第三滑道13、第四滑道14、第五滑道15、第六滑道16；

所述光源2、第一偏振片3、第一1/4波片4、第二1/4波片7、第二偏振片8以及CCD相机9按顺序分别通过磁性底座6装配于测量平台1上的第一滑道11、第二滑道12、第三滑道13、第四滑道14、第五滑道15、第六滑道16内，所述光源2、第一偏振片3、第一1/4波片4、第二1/4波片7、第二偏振片8以及CCD相机9均可通过移动磁性底座6的方式脱离所述滑道或调整其在所述滑道内的位置；

所述滚珠丝杠装置18设置于第三滑道13与第四滑道14之间的测量平台上；

所述激光器17用于提供激光光源，激光器17的前端设有偏振片22，具体装配时，所述激光器通过连接板20与滚珠丝杠装置18安装固定，在测量过程中，可由滚珠丝杠装置18带动上下移动；

所述反射镜装置10用于反射散射出透明聚合物材料模型5的激光，并与所述滚珠丝杠装置18固定安装。

在本实施例1中，所述反射镜装置10由反射镜片与带槽钢块构成，所述带槽钢块可通过多个螺栓21与滚珠丝杠装置18安装固定。其中，所述反射镜片通过凹槽配合的方式嵌入带槽钢块中，并将反射镜和带槽钢块进行粘接；进一步地，具体设置时，所述反射镜片需与水平方向的夹角呈45°。

进一步地，在本实施例1中，所述光源2、第一偏振片3、第一1/4波片4、第二1/4波片7、第二偏振片8以及CCD相机9分别通过连接杆19与磁性底座6相固定。

本实施例1所述的透明聚合物材料残余应力测量装置，将光弹法、散光法所涉及的所有光学部件综合设置于一个测量平台上，在对透明聚合物材料模型进行应力测量时，可灵活调整各个光学部件的位置，以满足检测的需求。

实施例2：如图1至2所示，一种利用实施例1所述测量装置进行透明聚合物材料残余应力测量的方法

本实施例2所述的测量方法基于光弹法原理进行应力检测，具体操作步骤如下：

S1，将第一1/4波片4、第二1/4波片7移除或滑动至不影响测量的区域，将光源2、第一偏振片3、透明聚合物材料模型5、第二偏振片8以及CCD相机9调节至同轴，通过旋转第一偏振片3、第二偏振片8进行光路调节得到平面偏振光场，由CCD相机9采集得到等差线和等倾线混合条纹图，同时旋转两个偏振片使等倾线条纹图发生变化，两个偏振片的旋转角度即为对应等倾线上各点的等倾角θ；

S2，将所述光源2、第一偏振片3、第一1/4波片4、透明聚合物材料模型5、第二1/4波片7、第二偏振片8以及CCD相机9调整至一条轴线上，通过旋转第一偏振片3、第二偏振片8进行光路调节得到圆偏振光场，由圆偏振光场可得到等差线条纹图，运用Tardy补偿法可测得各点等差线条纹级次，由等倾角θ和等差线条纹级次运用剪应力差法可计算出各点应力。

实施例3：如图1至2所示，一种利用实施例1所述测量装置进行透明聚合物材料残余应力测量的方法

本实施例3所述的测量方法基于散光法原理对透明聚合物材料进行应力检测，具体操作步骤如下：

S1，将光源2、第一偏振片3、第一1/4波片4、第二1/4波片7、第二偏振片8移除或移动至滑道的一边，激光器17通过前端安装的偏振片22产生45°偏振光，将透明聚合物材料模型5放置于激光器17的正前方，开启激光器17及滚珠丝杠装置18，激光入射至透明聚合物材料模型5内，CCD相机9在反射镜装置10中进行图像采集；同时滚珠丝杠装置10带动激光器17上下扫描，在扫描过程中进行光强叠加，最后得到明暗散光干涉条纹图，根据干明暗散光干涉条纹图可计算出试件内部各点的应力值。

实施例4：如图1至2所示，一种利用实施例1所述测量装置进行透明聚合物材料残余应力测量的方法

本实施例4所述的测量方法将光弹法和散光法相结合进行透明聚合物材料残余应力检测，具体操作步骤如下：

第一步，将光源2、第一偏振片3、第一1/4波片4、第二1/4波片7、第二偏振片8移除或移动至滑道的一边，将透明聚合物材料模型5放置于激光器17的正前方，开启激光器17及滚珠丝杠装置18，激光入射至透明聚合物材料模型5内，CCD相机9在反射镜装置10中进行图像采集；同时滚珠丝杠装置18带动激光器17上下扫描，在扫描过程中进行光强叠加，最后得到明暗散光干涉条纹图，根据干涉条纹图可进行应力计算，试件内部各点的应力分量σ_y与条纹级次的计算公式如下：

其中：n_x为入射光沿x轴入射时的散光干涉条纹图中的条纹级次；f_σ为材料的条纹值；d为模型厚度；(具体光路图如图3所示)

第二步，将光源2、第一偏振片3、透明聚合物材料模型5、第二偏振片8以及CCD相机9调节至同轴，通过旋转第一偏振片3、第二偏振片8进行光路调节得到平面偏振光场，由CCD相机9采集得到等差线和等倾线混合条纹图，同时旋转两个偏振片使等倾线条纹图发生变化，两个偏振片的旋转角度即为对应等倾线上各点的等倾角θ；

第三步，将所述光源2、第一偏振片3、第一1/4波片4、透明聚合物材料模型5、第二1/4波片7、第二偏振片8以及CCD相机9调整至一条轴线上，通过旋转第一偏振片3、第二偏振片7进行光路调节得到圆偏振光场，由圆偏振广场可得到等差线条纹图，运用Tardy补偿法可测得各点等差线条纹级次n，由等倾角和等差线条纹级次n运用剪应力差法可计算出各点应力(具体光路图如图4所示)，计算公式如下：

其中：n为等差线条纹级次；f_σ为材料的条纹值；d为模型厚度；

利用主应力差，等倾角θ以及第一步中计算得出的应力分量σ_y，计算得到另外两个应力分量τ_xy和σ_x；

其中：θ为等倾角；n为等差线条纹级次；f_σ为材料的条纹值；d为模型厚度；n_x为入射光沿x轴入射时的散光干涉条纹图中的条纹级次。

其中，利用本发明实施例2所述的基于光弹法进行透明聚合物材料残余应力测量时，测试出等差线条纹级次和等倾角后，需要运用切应力差法进行应力分离计算出应力分量。其中，切应力差法计算较为繁琐，而且需要确定边界条件，在残余应力的测试过程中，确定边界应力较为复杂，甚至无法确定，此外在计算过程中还会引入计算误差。

利用本发明实施例3所述的基于散光法进行透明聚合物材料残余应力测量时，其原理与光弹法相似，都是利用透明材料的双折射效应，区别在于光弹法是由透射光形成干涉条纹，而散光法是利用散射光。这种方法虽然可以进行材料模型内部应力的测量，但是，当测试距材料模型表面较深的内部应力时，采集到的散光条纹图会受到散射光强的影响，甚至无法进行测试。

本发明实施例4所述的应力测量方法可以有效避免实施例2、实施例3中存在的缺陷，可以方便准确地测试出三个应力分量σ_x、σ_y和τ_xy，即为需要测试的透明聚合物材料模型的残余应力。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于检测透明聚合物材料残余应力的测量装置，其特征在于，包括测量平台、光源、第一偏振片、第一1/4波片、滚珠丝杠装置、激光器、反射镜装置、第二1/4波片、第二偏振片、CCD相机以及透明聚合物材料模型，其中：

所述测量平台上设有多个滑道；

所述光源、第一偏振片、第一1/4波片、第二1/4波片、第二偏振片以及CCD相机按顺序分别通过磁性底座装配于测量平台上的滑道内，所述光源、第一偏振片、第一1/4波片、第二1/4波片、第二偏振片以及CCD相机均可通过移动磁性底座的方式脱离所述滑道或调整其在所述滑道内的位置；

所述滚珠丝杠装置设置于用于装配第一1/4波片以及第二1/4波片的两个滑道之间的测量平台上；

所述激光器的前端设有偏振片，所述激光器可由滚珠丝杠装置带动上下移动；

所述反射镜装置用于反射散射出透明聚合物材料模型的激光，并与所述滚珠丝杠装置固定安装。

2.根据权利要求1所述的用于检测透明聚合物材料残余应力的测量装置，其特征在于，所述激光器通过连接板与滚珠丝杠装置安装固定，所述反射镜装置由反射镜片与带槽钢块构成，所述带槽钢块通过螺栓与滚珠丝杠装置安装固定，所述反射镜片与水平方向的夹角呈45°。

3.根据权利要求2所述的用于检测透明聚合物材料残余应力的测量装置，其特征在于，所述反射镜片通过凹槽配合的方式嵌入带槽钢块中，并将反射镜片和带槽钢块进行粘接。

4.根据权利要求1所述的用于检测透明聚合物材料残余应力的测量装置，其特征在于，所述光源、第一偏振片、第一1/4波片、第二1/4波片、第二偏振片以及CCD相机分别通过连接杆与磁性底座相固定。

5.一种根据权利要求1至4任一所述的测量装置进行透明聚合物材料残余应力测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将光源、第一偏振片、第一1/4波片、第二1/4波片、第二偏振片移除或移动至滑道的一边，激光器通过前端安装的偏振片产生45°偏振光，将透明聚合物材料模型放置于激光器的正前方，开启激光器及滚珠丝杠装置，激光入射至透明聚合物材料模型内，CCD相机在反射镜装置中进行图像采集；同时滚珠丝杠装置带动激光器上下扫描，在扫描过程中进行光强叠加，最后得到明暗散光干涉条纹图，根据干涉条纹图可进行应力计算，试件内部各点的应力分量σ_y与条纹级次的计算公式如下：

其中：n_x为入射光沿x轴入射时的散光干涉条纹图中的条纹级次；f_σ为材料的条纹值；d为模型厚度；

第二步，将光源、第一偏振片、透明聚合物材料模型、第二偏振片以及CCD相机调节至同轴，通过旋转第一偏振片、第二偏振片进行光路调节得到平面偏振光场，由CCD相机采集得到等差线和等倾线混合条纹图，同时旋转两个偏振片使等倾线条纹图发生变化，两个偏振片的旋转角度即为对应等倾线上各点的等倾角θ；

第三步，将所述光源、第一偏振片、第一1/4波片、透明聚合物材料模型、第二1/4波片、第二偏振片以及CCD相机调整至一条轴线上，通过旋转第一偏振片、第二偏振片进行光路调节得到圆偏振光场，由圆偏振广场可得到等差线条纹图，运用Tardy补偿法可测得各点等差线条纹级次n，由等倾角和等差线条纹级次n运用剪应力差法可计算出各点应力，计算公式如下：

其中：n为等差线条纹级次；f_σ为材料的条纹值；d为模型厚度；

利用主应力差，等倾角θ以及第一步中计算得出的应力分量σ_y，计算得到另外两个应力分量τ_xy和σ_x；

其中：θ为等倾角；n为等差线条纹级次；f_σ为材料的条纹值；d为模型厚度；n_x为入射光沿x轴入射时的散光干涉条纹图中的条纹级次。

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