CN1258670C - 微机调控激光干涉仪 - Google Patents

Abstract

微机调控激光干涉仪属光机电和计算机一体化的仪器，可用于云纹干涉法、电子散斑法和电子几何云纹法正常光照下亚动态测试，体积小成本低。设置激光器(1)，扩束镜(2)，准直镜(3)，分光镜/反光镜(4)，正交光栅(5)，反射镜组(6)、(7)，驱动线路板(8)，步进和变速系统(9)，摄像机(10)以及微机(11)、反射镜(13)等。除(11)和(13)外，组装在一个封闭的多层框架(12)内。(14)为测试对象。由(11)驱动(8)、(9)使扩束镜(2)移动，实现扩束光和准直光的变换；驱动(4)实现光栅分光和分光镜分光的变换；驱动(6)、(7)实现测试灵敏度的小步距大范围调节，初始或载波云纹的调节；有微机处理、判断功能，用于结构强度、热应力、残余应力、焊接质量、电子封装延寿研究，层间缺陷检测，工程、生物和复合材料力学性能测试研究。

Description

微机调控激光干涉仪

技术领域  本发明属于光-机-电和计算机一体化的激光干涉、计算机调控和处理的材料力学性能和工程构件强度测试以及宏观/细观力学研究仪器。

背景技术  现有的云纹干涉仪和电子散斑仪测试技术或者具有较高的灵敏度(云纹仪)，或者具有较大的测试面积(散斑仪)，但都只有相对单一功能。美国IBM公司94年推出的手提式工程云纹干涉仪¹(Portable Engineering moire interferometer即PEMI)测试灵敏度只有2400线/毫米一种，且不可调，并由四部分组成，需现场组装，限于实验室使用。我国清华大学工程力学系98年推出的<宏观/细观云纹干涉仪>²的性能基本上与PEMI相同，灵敏度需人工调节。

申请人94年推出的发明专利<微机调控云纹干涉仪>³，提供了光机电和计算机一体化、便于现场应用的新型仪器。它实现了不同测试灵敏度即不同频率虚光栅的小步距、大范围微机调节，并且有处理和判断功能。它可在正常光照的情况下工作，不需要专用防震台，其测试光栅频率为500线/毫米～3000线/毫米，至测试对象距离可达1100毫米。但上述专利限于射出准直光情况下工作，因此其一次测试面积受准直镜尺寸的限制，只能进行云纹干涉法测试，无电子散斑法，特别是无测离面位移功能；其二次分光系统共使用三个分光镜，造成仪器体积较大，成本增加。

而现有电子散斑仪⁴只能进行电子散斑或电子剪切散斑测试，没有微机调控功能。

发明内容  本发明的微机调控激光干涉仪，包括激光器(1)，扩束镜(2)，准直镜(3)，分光镜/反光镜(4)，正交光栅(5)，反射镜组(6)、(7)，驱动线路板(8)，步进和变速系统(9)，摄像机(10)，微机(11)，反射镜(13)，以及一个封闭的多层框架(12)，由微机(11)发出指令，经驱动线路板(8)、步进和变速系统(9)，可使扩束镜(2)前后移动，实现准直光或扩束光变换；使反射镜组(6)、(7)转动，实现正交虚光栅频率或测试灵敏度的小步距，即每步为栅频的0.01％～0.06％、和大范围，即100线/毫米～3000线/毫米的范围，以及初始云纹和载波云纹的调节；通过分光镜/反光镜(4)实现分光镜或正交光栅分光⁵的变换，即测离面位移或两向面内位移的变换。

本发明不仅具有微机调控干涉云纹仪的某些优异功能，而且进一步将微机调控功能扩大至准直光与扩束光的变换，分光镜分光与光栅分光的变换，实现将云纹干涉法测试功能扩大至兼可做电子散斑干涉法面内和离面位移测试，提高一次可测面积，同时减少光学元件，大幅度缩小仪器体积，降低成本。

附图说明  图1为本发明的结构及工作原理结构示意图。

具体实施方式  微机调控激光干涉仪设有激光器1，扩束镜2，准直镜3，分光镜/反光镜4，正交光栅5，反射镜组6、7，驱动线路板8，步进和变速系统9，摄像机10以及微机11、反射镜13等。将上述部件除微机11和反射镜13外，组装在一个封闭的多层框架12即附图中点划线部分内，它可以阻止散射光的进入。激光器1发出的激光束经扩束镜2和准直镜3，可成为准直光或扩束光，其变换是由驱动线路板8、步进和变速系统9调节扩束镜2位置实现的。光束照射至4的反光镜部分，反射到正交光栅5时，可分为上、下、左、右出射的四光束，分别照射到反射镜组6、7，再反射到测试对象14。当光束为准直光，且测试表面预制有正交光栅时，可进行云纹干涉法测试；当光束为准直光或扩束光，测试表面为无光栅有反射散斑功能物体时，可进行电子散斑面内位移测试。用扩束光时其一次测试面积可大幅度增加。当光束照射至4的分光镜部分时，扩束光经分光镜反射的一束垂直射向测试物，透射的一束经反射镜组6射向参考光反射镜13，再射向摄象机10接收，可进行离面位移测试。调节反射镜组6、7的出射角度，可以改变测试灵敏度即虚光栅频率或散斑条纹节距。上述2、4、6、 7的小步距、大范围调节，是由微机(内安装有步进及变速系统使用的专用线路卡，图像采集卡及配套使用的软件包)控制，通过8、9实现的。由于射向测试对象的光束是由同一激光器1和件2、3、4、5、6、7发射的，它们都安装在同一框架12内，其振源基本相同，故对环境或机体振动不敏感。

本发明不但有微机调控干涉云纹仪的某些相似功能，如实现测试灵敏度小步距(每步为栅频的0.01％～0.06％)、大范围(100线/毫米～3000线/毫米)的微机调节、正常光照(150勒克斯，即200瓦电灯照度)和亚动态环境(≤50次/秒振动)下干涉云纹测试，而且实现了准直光和扩束光变换和正交光栅/分光镜分光的微机调节变换，同时具有用高灵敏度云纹干涉法测两维面内位移和用电子散斑法测大面积面内和离面位移以及电子采集几何云纹的功能。配套使用的图象卡(分辨率可达1024×768或1024×1024)、软件包可冻结、存储图象或实时相减，并可进行保持边缘滤波、锥形滤波，非线性边缘检测，多种二值化、细化处理，以及自动扫描、提取位移、应变、应力或应力强度因子等力学量，自动打印分布图和数据表格，免除了一系列繁琐、费时的人工处理和暗室操作。使用1000次/秒摄象机时，可用于相应振动测试。仪器的主体部分体积为0.56×0.62×0.40，为通常同类实验装置的1/12左右，是微机调控干涉云纹仪的1/2。

本仪器不仅可在教学、科研单位应用于工程和生物材料、多层或正交复合材料等的力学性能宏观/细观测试与研究中，而且可广泛应用于机械、建筑等工程构件的现场强度测试、危险部位监控；还可应用于高压或高温的石油管道等的测试和监控，复合材料、橡胶、焊接质量的无损检测和评估；采用脉冲激光器和高速摄象机时，还可应用于动态的冲击、振动测试。

                               参考文献

1.Compact Portable Diffraction Moire Interferometer.专利号：US48506936

2.戴福隆，刘杰，宏观/细观云纹干涉仪，<现代力学测试技术>，华南理工大学出版社，1998.11，P233

3.发明专利公报，G01N 21/25，G01N 3/00，公开号CN1114746A，1996.1.10，中华人民共和国专利局，p76，及<发明专利证书>，第40808号，中华人民共和国专利局，1998.4.23

4.何世平等，电子散斑干涉和Video全息干涉，<实验力学>，Vol.5，No.4，1990，P387

5.Albert S.Kobayashi，Daniel Post，<HANDBOOK ON EXPERIMENTALMECHANICS>，PRENTICE-HALL，INC，1987，p358

Claims (3)

1.微机调控激光干涉仪，包括激光器(1)，扩束镜(2)，准直镜(3)，分光镜/反光镜(4)，正交光栅(5)，反射镜组(6)、(7)，驱动线路板(8)，步进和变速系统(9)，摄像机(10)，微机(11)，反射镜(13)，以及一个封闭的多层框架(12)其特征在于由微机(11)发出指令，经驱动线路板(8)、步进和变速系统(9)可使扩束镜(2)前后移动，实现准直光或扩束光变换；使反射镜组(6)、(7)转动，实现正交虚光栅频率或测试灵敏度的小步距，即每步为栅频的0.01％～0.06％、和大范围，即在100线/毫米～3000线/毫米的范围以及初始云纹和载波云纹的调节；通过分光镜/反光镜(4)实现分光镜或正交光栅分光的变换，即测离面位移或两向面内位移的变换。

2.按照权利要求1所述的微机调控激光干涉仪，其特征是微机(11)内装有所述的步进及变速系统的专用线路卡、图象采集卡及配套使用的软件包，可发出指令或接收信号，并作出反馈指令。

3.按照权利要求1所述的微机调控激光干涉仪，除微机(11)和反光镜(13)外，全部组装在一个封闭的框架(12)内，可实现正常光照和亚动态下测试以及微机遥控。

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