CN113820051A - 材料的互补干涉应力测量装置 - Google Patents

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    • G—PHYSICS
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0047—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes measuring forces due to residual stresses

Abstract

本发明公开了一种材料的互补干涉应力测量装置，包括光源，位于光源与待测样品之间的前端光处理单元，光源发出的光经前端光处理单元透射和待测样品的应力作用后进入成像单元成像，图像传感器前端位于成像单元出射方向；成像单元包括前端位于样品出射光的方向的汇聚透镜组，汇聚透镜组的后端设有用于将样品的出射光进行分光的偏振分光部件。利用偏振分光部件使带有材料应力信息的偏振光产生互补干涉，通过识别出射的两个互补干涉条纹模态来测量材料应力，由于存在互补图像，因此可以增加图像特征信息，并且通过对两个图像的同时处理，有效提高信噪比及测量精度。

Description

材料的互补干涉应力测量装置
技术领域
本发明涉及一种材料应力测量装置，尤其涉及一种材料的互补干涉应力测量装置。
背景技术
残余应力会影响到材料的性质、寿命以及结构稳固性，这种应力往往是在制造过程中出现的。为了控制或者减小这种应力，需要利用无损检测应力的方法进行检测。目前主流的测量方法包括X射线法、超声波法、电磁法和光弹法等。
其中光弹法利用探测材料中应力产生的双折射效应来测量应力。利用各种双折射有关的光学部件，包括偏振器、波片、光弹调制仪等，可以构造不同的光路来测量双折射效应。一种利用双折射晶体板的圆锥干涉仪，利用双折射晶体形成圆锥光束的光程差，从而产生与表面曲率有关的锥形干涉，测量表面位移和应变。这种方法能够一定程度上提高信噪比。但是这种仪器复杂度高，部件多，难以携带，而且测量精度和信噪比也需要进一步提升才能满足现有的工业需求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种测量精度高、信噪比高的材料的互补干涉应力测量装置。
技术方案：本发明所述的材料的互补干涉应力测量装置，包括光源，位于光源与待测样品之间的前端光处理单元，光源发出的光经前端光处理单元透射和待测样品应力作用后进入成像单元成像，图像传感器前端位于成像单元出射方向；所述成像单元包括前端位于待测样品出射光方向的汇聚透镜组，所述汇聚透镜组的后端设有用于将待测样品的出射光进行分光的偏振分光部件。
优选地，所述偏振分光部件为双折射晶体或偏振分光镜。偏振分光部件和汇聚透镜组之间的距离满足高斯光学公式。
优选地，所述前端光处理单元包括扩束透镜组，所述扩束透镜组包括单个或多个透镜，使经过扩束透镜组扩束后的光束为平行光；光源与扩束透镜组之间的距离满足高斯光学公式。
优选地，所述汇聚透镜组包括单个或多个透镜，将样品出射的平行光经过汇聚透镜组的光束汇聚于偏振分光部件内。
优选地，所述前端光处理单元与成像单元之间设有垂直于光路放置用于筛选所需出射面光束的光阑。
优选地，所述光源为线偏振单色激光。
优选地，所述光源与成像单元之间设有用于根据需要改变光的偏振状态的起偏器。
优选地，所述光源与成像单元之间设有根据需要改变光的相位信息的补偿器。
优选地，所述光源与成像单元之间设有根据需要改变光的强度的衰减片。
优选地，所述的图像传感器为CCD、CMOS、基于CCD的工业相机或基于CMOS的工业相机中的一种。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、利用偏振分光部件使带有材料应力信息的偏振光产生互补干涉，通过识别出射的两个互补干涉条纹模态来测量材料应力，测量精度高，信噪比高。2、利用双折射晶体的双折射效应，输出两个互补干涉图像，通过识别干涉图像特征计算材料应力，由于存在互补图像，因此可以增加图像特征信息，并且通过对两个图像的同时处理，有效提高信噪比。3、仅仅需要少量光学元件即可构造完整系统，简单便携。4、将图像处理算法适配后，本发明可以达到实时测量的效果。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为本发明的另一种结构示意图；
图3为本发明图像传感器接收到的图像示意图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述。
如图1-2所示，本发明提供了一种材料的互补干涉应力测量装置，包括光源1，光源1为线偏振单色激光；位于光源1与待测样品3之间的前端光处理单元13，光源发出的光经前端光处理单元13透射和待测样品反射后进入成像单元14成像，前端光处理单元13包括扩束透镜组2，本实施例的扩束透镜组2为单个透镜，还可以设置多个透镜；在扩束透镜组2与待测样品3之间依次设有衰减片8、起偏器9、补偿器10，用于调节光强、光的偏振、光的相位信息。
成像单元14包括前端位于样品反射光的方向的汇聚透镜组4，本实施例的汇聚透镜组4包括单个透镜，还可以设置多个透镜。位于待测样品3与汇聚透镜组4之间设有垂直于光路放置的光阑11，用于筛选所需反射面光束。汇聚透镜组4的后端设有用于将样品的反射光进行分光的偏振分光部件6；本实施例的偏振分光部件6为双折射晶体，也可以为偏振分光镜。样品反射的平行光经过汇聚透镜组4的光束汇聚于双折射晶体的反射面5上。图像传感器7的前端位于成像单元14的出射方向；本实施例的图像传感器7为CCD工业相机。还可以是CMOS、或基于CMOS的工业相机。图像传感器7连接计算机12。
工作过程：光源1出射后，垂直透射过扩束透镜组2形成平行光，平行光的直径可以通过调节扩束透镜组2来改变。接着光束分别垂直入射衰减片8、起偏器9、补偿器10，从而调节光强、光的偏振、光的相位信息。调制后的光落在待测样品3的表面上，被样品反射。由于样品表面有应力，光会被表面应力双折射效应调制，产生与应力有关的相位信息。由于样品是透明的，样品的下表面也会对光进行反射，所以利用光阑11对样品的反射光进行筛选，选择所需光束。被筛选后的光垂直透射汇聚透镜组4，以汇聚到双折射晶体6的反射面5上，进行反射后，可以形成两个互补的干涉图像，此干涉图像与样品表面的应力相对应。由图像传感器7接收图像并传输给计算机，如图3所示。利用图像识别算法，对此图像进行特征提取和比对，即可计算出测量点的应力。
以上是进行材料表面应力测试过程，材料的内应力测试过程与上述工作过程不同的是，调制后的平行光透射样品。由于样品内部有应力，光会被待测样品内部的应力双折射效应调制，产生与内应力有关的相位信息。

Claims (10)

1.一种材料的互补干涉应力测量装置，包括光源(1)，位于光源(1)与待测样品(3)之间的前端光处理单元(13)，光源(1)发出的光经前端光处理单元(13)透射以及待测样品(3)应力作用后进入成像单元(14)成像，图像传感器(7)前端位于成像单元(14)出射方向；其特征在于，所述成像单元(14)包括前端位于待测样品(3)出射光方向的汇聚透镜组(4)，所述汇聚透镜组(4)的后端设有用于将待测样品(3)的出射光进行分光的偏振分光部件(6)。
2.根据权利要求1所述的材料的互补干涉应力测量装置，其特征在于，所述偏振分光部件(6)为双折射晶体或偏振分光镜。
3.根据权利要求1所述的材料的互补干涉应力测量装置，其特征在于，所述前端光处理单元(13)包括扩束透镜组(2)，所述扩束透镜组(2)包括单个或多个透镜，使经过扩束透镜组(2)扩束后的光束为平行光。
4.根据权利要求1所述的材料的互补干涉应力测量装置，其特征在于，所述汇聚透镜组(4)包括单个或多个透镜，将待测样品(3)出射的平行光经过汇聚透镜组(4)的光束汇聚于偏振分光部件(6)内。
5.根据权利要求1所述的材料的互补干涉应力测量装置，其特征在于，所述前端光处理单元(13)与成像单元(14)之间设有垂直于光路放置用于筛选所需出射面光束的光阑(11)。
6.根据权利要求1所述的材料的互补干涉应力测量装置，其特征在于，所述光源(1)为线偏振单色激光。
7.根据权利要求1所述的材料的互补干涉应力测量装置，其特征在于，所述光源(1)与成像单元(14)之间设有用于根据需要改变光的偏振状态的起偏器(9)。
8.根据权利要求1所述的材料的互补干涉应力测量装置，其特征在于，所述光源(1)与成像单元(14)之间设有根据需要改变光的相位信息的补偿器(10)。
9.根据权利要求1所述的材料的互补干涉应力测量装置，其特征在于，所述光源(1)与成像单元(14)之间设有根据需要改变光(1)的强度的衰减片(8)。
10.根据权利要求1所述的材料的互补干涉应力测量装置，其特征在于，所述的图像传感器(7)为CCD、CMOS、基于CCD的工业相机或基于CMOS的工业相机中的一种。
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