專利名稱:多功能三維位移激光干涉測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種構件變形和位移測試的三維位移激光干涉測量系統(tǒng),屬于光測力學、工程材料、構件變形和位移測試技術領域。
背景技術:
目前現(xiàn)有技術中應用的位移激光干涉測量系統(tǒng)多屬于在實驗臺上臨時搭建的散裝結構,無法適用于現(xiàn)場構件變形測量。針對這種情況,國內(nèi)外已推出一些便攜式商用激光干涉測量系統(tǒng),包括云紋干涉儀和散斑干涉儀。比較著名的云紋干涉儀有Photomechanics Co.的二維云紋干涉儀和天津大學的智能云紋干涉儀(中國專利申請94118741.1),兩者在測量原理上沒有本質(zhì)的區(qū)別,均采用了D.Post和B.Han在他們的著作《High SensitivityMoiré》(SPRINGER-VERLAG,1994)中闡述的雙光束和四光束光路,可以實現(xiàn)u,v兩個位移場的測量,其中智能干涉云紋儀的主要技術特征是在光路中的反射鏡上配置兩個步進電機,實現(xiàn)了柵頻由微機控制的小步距、大范圍調(diào)節(jié)及初始云紋和載波云紋的自動調(diào)節(jié)。著名的散斑干涉儀包括中國科技大學研制的電子散斑干涉儀和西安交通大學研制的多功能數(shù)字散斑干涉儀等。這幾種干涉儀均配有攝像機和圖像卡,采集到的圖像由計算機進行數(shù)據(jù)處理。但前兩種裝置僅適用于云紋干涉法且只能實現(xiàn)面內(nèi)u,v兩個位移場的測量,后兩者只適用于散斑干涉法,它們都無法實現(xiàn)同時測量u,v,w三維位移場,更無法實現(xiàn)云紋干涉法和電子散斑干涉法兩種模式對位移的測量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多功能三維位移激光干涉測量系統(tǒng),既可實現(xiàn)物體表面三維位移場(面內(nèi)位移u,v和離面位移w)的實時測量,同時又可實現(xiàn)云紋干涉和電子散斑干涉兩種位移測量模式,使用方便,且靈敏度高,結構緊湊。
本發(fā)明的技術方案如下一種多功能三位移激光干涉測量系統(tǒng),含有激光器,圖像采集攝像系統(tǒng)以及放置試件的加載架,其特征在于該系統(tǒng)還包括分光耦合器和三維干涉光路系統(tǒng),所述的分光耦合器含有將激光器發(fā)出的光分為三路的兩個分光鏡和三個開關控制器,其中測量u場位移的光路依次通過其中一個分光鏡、u場開關控制器和u場光纖分束器后,分兩路分別進入三維干涉光路系統(tǒng)中的兩個激光耦合器和兩個準直鏡準直,經(jīng)準直后再分別經(jīng)反射鏡反射后入射到試件表面;測量v場位移的光路依次通過另一個分光鏡、v場開關控制器和v場光纖分束器后,分兩路分別進入三維干涉光路系統(tǒng)中的另外兩個激光耦合器,分別經(jīng)兩個反射鏡和兩個準直鏡后,再分別經(jīng)反射鏡反射入射到試件表面;測量w場位移的光路依次通過w場開關控制器和w場光纖耦合器入射到三維干涉光路系統(tǒng)中的另一個準直鏡后,經(jīng)一分光棱鏡后分為兩束光,其中一束光直接透過該分光棱鏡入射到一反射鏡上,反射后再經(jīng)該分光棱鏡到達圖像采集攝像系統(tǒng),另一光束經(jīng)該分光棱鏡反射后到達試件,經(jīng)試件表面的光柵反射后穿過分光棱鏡到達圖像采集攝像系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術方案中,其特征在于在所述的測量u場位移的光路中,u場開關控制器和u場光纖分束器之間設有u場光纖耦合器;在所述的測量v場位移的光路中,v場開關控制器和v場光纖分束器之間設有v場光纖耦合器;在所述的測量w場位移的光路中,w場開關控制器和w場光纖耦合器之間設有w場光纖耦合器。
本發(fā)明的技術特征還在于在所述的測量u場位移的光路中的兩個反射鏡中的其中一個反射鏡的后面設有u場壓電陶瓷相移器;在所述的測量v場位移的光路中的所述兩個反射鏡中的其中一個反射鏡的后面設有v場壓電陶瓷相移器;在所述的測量w場位移的光路中的所述反射鏡的后面設有w場壓電陶瓷相移器。
在本發(fā)明所述的分光耦合器中,所述的分光鏡、光纖耦合器以及開關控制器均被封裝在一個暗盒子中,并在該盒子的激光束的入射口設有濾波孔。所述的三維干涉光路系統(tǒng)中所述的激光耦合器、反射鏡、準直透鏡以及分光棱鏡均被封裝在一個暗箱內(nèi)。
本發(fā)明所述的加載架采用六維調(diào)節(jié)載荷架,它由加載架、升降平移臺、精密平移臺、面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺、俯仰臺以及垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺六部分組成;所述的垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺由螺釘固定在俯仰臺上;精密平移臺通過滾珠鋼絲無間隙導軌連接在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺上,升降平移臺借助于燕尾槽導軌與精密平移臺相連,面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺通過滑塊機構和齒輪齒條鎖緊機構與升降平移臺相連,加載架由螺釘固定在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺上;所述的試件上端連有直線運動的螺桿,下端連接力傳感器。
本發(fā)明中所述的激光器、分光耦合器、三維干涉光路系統(tǒng)、圖像采集攝像系統(tǒng)、六維調(diào)節(jié)載荷架全部安裝在一個工作臺上;所述的三維干涉光路系統(tǒng)通過三個升降支座固定在工作臺上,所述的激光器和分光耦合器位于三維干涉光路系統(tǒng)的同一側(cè);六維調(diào)節(jié)載荷架與圖像采集攝像系統(tǒng)分別通過工作臺上的燕尾槽導軌安裝在三維干涉光路系統(tǒng)的左右兩側(cè)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比,具有以下優(yōu)點及突出性效果該測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)u、v、w三個位移場的高精度實時位移測量,位移測量靈敏度可達波長量級,而且可以分別實現(xiàn)云紋干涉和電子散斑干涉兩種位移測量模式。本發(fā)明使用方便,結構緊湊,采用六維調(diào)節(jié)載荷架能實現(xiàn)六個自由度(沿x,y,z軸的三個平動和轉(zhuǎn)動)的調(diào)節(jié)。三個平動精度達0.1毫米,轉(zhuǎn)動精度達10’,使得本系統(tǒng)可同時實現(xiàn)拉壓、三點彎曲加載實驗??蓱霉鈻蓬l率范圍為500線/毫米-3000線/毫米,并具有以下性能參數(shù)位移測量靈敏度面內(nèi)u & v場為0.417μm 離面w場為0.316μm;測試區(qū)域 4~50mm;
放大倍數(shù)0.5X~100X條紋分辨率 100條/mm測量應變范圍10με~10%ε
圖1為本發(fā)明的測量光路系統(tǒng)示意圖(含測量v場位移光路)。
圖2為本發(fā)明測量u場位移光路示意圖。
圖3為本發(fā)明測量w場位移光路示意圖。
圖4為本發(fā)明的六維調(diào)節(jié)載荷架的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步說明本發(fā)明的具體結構及實施方式如圖1所示,本發(fā)明所述的多功能三維位移激光干涉測量系統(tǒng)主要由激光器1、可控制分光以形成三個位移場的分光耦合器2、三維干涉光路系統(tǒng)3、圖像采集攝像系統(tǒng)4、六維調(diào)節(jié)載荷架5組成,全部安裝在一個工作臺面上。三維干涉光路系統(tǒng)3被集成在暗箱內(nèi),通過三個升降支座固定在工作臺面上,使系統(tǒng)小型化。激光器1和分光耦合器2被緊固螺釘固定在工作臺上,位于三維干涉光路系統(tǒng)3的同一側(cè)。六維調(diào)節(jié)載荷架5與圖像采集攝像系統(tǒng)4分別安裝在三維干涉光路系統(tǒng)的前后兩側(cè),它們都可以在工作臺上的燕尾槽導軌上直線滑動,變換前后方位。
本發(fā)明所述的分光耦合器2含有將激光器1發(fā)出的光分為三路的兩個分光鏡7、8和開關控制器15、16、17,其中測量u場位移的光路依次通過分光鏡7、開關控制器15、光纖分束器14后,分兩路分別進入三維干涉光路系統(tǒng)3中的激光耦合器41和42,經(jīng)準直鏡26和27準直,并經(jīng)反射鏡44和45反射后入射到試件40表面;測量v場位移的光路依次通過分光鏡8、開關控制器16和光纖分束器13后分別進入三維干涉光路系統(tǒng)3中的激光耦合器18和19,經(jīng)反射鏡20、21和準直鏡22、23準直后再經(jīng)反射鏡24、25反射入射到試件40表面;測量w場位移的光路依次通過開關17、光纖耦合器12入射到三維干涉光路系統(tǒng)中的準直鏡28后,經(jīng)分光棱鏡29后分為兩束光,其中一束光直接透過分光棱鏡29入射到反射鏡30,反射后再經(jīng)該分光棱鏡29到達圖像采集攝像系統(tǒng)4;另一光束經(jīng)分光棱鏡29反射后到達試件40,經(jīng)試件表面的光柵反射后穿過分光棱鏡29到達圖像采集攝像系統(tǒng)4。
分光耦合器2中的光學器件,即分光鏡7、8,光纖耦合器9、10、11、12,光纖分束器13、14以及開關控制器15、16、17均被封裝在一個盒子中,并在該盒子的激光束的入射口設有濾波孔6,盒子通過螺釘固定在工作臺面上。激光器1發(fā)出的光束經(jīng)過分光耦合器2后被分為五束光纖光束。其中光束通過分光鏡7、光纖耦合器9、光纖分束器14后形成位移u場測量雙光束,光束通過分光鏡8、光纖耦合器10、光纖分束器13后形成位移v場測量雙光束。通過分光鏡8、光纖耦合器11、光纖耦合器12后形成離面位移w場測量光束。分光耦合器內(nèi)設置有開關控制器15、16、17,可分別控制u、v、w三個位移場測量光路的使用。
三維干涉光路系統(tǒng)3中的光學器件,即激光耦合器18、19、41、42、12,反射鏡20、21、24、25、44、45、30,準直透鏡22、23、26、27、28,以及分光棱鏡29均被封裝在一個暗箱內(nèi)。其中激光耦合器18、反射鏡20、25,以及準直透鏡23被固定在暗箱內(nèi)的頂部,與此對稱位置(箱體的底部)上分別有激光耦合器19、反射鏡21、24,以及準直透鏡22,這些光學元件用來測量v場位移(如圖1所示)。箱體內(nèi)左側(cè)壁面上固定有激光耦合器42、反射鏡45和準直透鏡27,其右側(cè)壁面上對稱的位置上分別有激光耦合器41、反射鏡44、準直透鏡26,這些光學元件用來測量u場位移(如圖2所示);在暗箱前后中心線上,依次安裝激光耦合器12、準直透鏡28、分光棱鏡29、反射鏡30,這些光學元件用來測量w場的位移(如圖3所示)。
六維調(diào)節(jié)載荷架5(如圖4)由加載架34、升降平移臺35(型號GCM-150104M)、精密平移臺36(型號GCM-125301AM)、面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺37(型號GCM-1101M)、俯仰臺38(型號GCM-190)以及垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺39(型號GCM-1101M)六部分組成。所述的垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺39由螺釘固定在俯仰臺38上;精密平移臺36通過滾珠鋼絲無間隙導軌連接在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺39上;升降平移臺35借助于燕尾槽導軌48與精密平移臺36相連;面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺37通過滑塊機構和齒輪齒條鎖緊機構與升降平移臺35相連;加載架34由螺釘固定在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺37上。俯仰臺38通過調(diào)節(jié)螺釘(下端頭為球形)和調(diào)節(jié)螺桿與工作臺底板相連。旋轉(zhuǎn)螺桿46,可以改變俯仰臺的俯仰角;垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺39由緊固螺釘連接在俯仰臺38上,垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺的作用是精密調(diào)節(jié)試件的垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動,達到調(diào)零場和消除在施加載荷過程中產(chǎn)生的剛體轉(zhuǎn)動。精密平移臺36通過滾珠鋼絲無間隙導軌連接在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺39上,可以由測微絲桿47進行驅(qū)動,為平移臺提供直線運動,運動的位移分辨率可達0.001mm。升降平移臺35借助于燕尾槽導軌48與精密平移臺36相連,平移臺可以沿直線導軌前后滑動。面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺37通過滑塊機構和升降平移臺35上的光滑凹槽導軌相連,由導軌上的齒輪齒條實現(xiàn)升降和前后、左右平移(相對于試件),具有移動行程長,速度快,移動平穩(wěn)等特點,精度為0.1mm,可方便地調(diào)節(jié)試件的上下和前后、左右移動來達到對中目的,滿足云紋干涉對試件位置調(diào)整的要求。旋轉(zhuǎn)臺37上的測微絲桿49可以提供360°的手動旋轉(zhuǎn),使試件在被測面內(nèi)得到精確細微的角度調(diào)整,精度可達±10″,能夠方便地施加載波(或消除載波)、調(diào)零場和消除在施加載荷過程中產(chǎn)生的剛體轉(zhuǎn)動。加載架34由緊固螺釘固定在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺37上。試件上端連接直線運動的螺桿50,螺桿固定于加載架的頂部,下端連接力傳感器51。加載架可提供單向拉壓、三點彎、純彎等實驗。
圖像采集攝像系統(tǒng)4用來實時采集云紋圖像。由CCD和具有水平和鉛垂方向的三自由度固定支架組成。由CCD采集的圖像直接輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理。
采用本發(fā)明可以實現(xiàn)如下兩種位移測量模式,其測量過程如下
1)云紋干涉法測量模式此時試件表面需要制作有全息光柵,頻率為500線/毫米-3000線/毫米。
當測量v場位移時(如圖1),v場測量光路開關16打開,激光束經(jīng)光纖耦合器10和光纖分束器13后到達激光耦合器18和19,光束擴束后分別到達反射鏡20、21。經(jīng)20反射的光束經(jīng)準直鏡22準直后,經(jīng)反射鏡24反射后入射到試件表面40;同時,經(jīng)反射鏡21反射的光束通過準直鏡23準直后,經(jīng)反射鏡25反射后入射到試件表面40。兩入射光與試件柵發(fā)生衍射,兩個±1級衍射光波相互干涉形成干涉云紋條紋圖,并由圖像采集攝像系統(tǒng)4輸入計算機。該干涉條紋圖上包含了試件的Y方向面內(nèi)變形信息,可測量物體表面的面內(nèi)位移和應變。測量u場位移時,原理與測量v場位移相同(如圖2)。將u場測量開關15打開,激光束經(jīng)光纖耦合器9和光纖分束器14,分兩路分別到達激光耦合器41和42。由兩個激光耦合器41、42發(fā)出的擴散光分別經(jīng)準直鏡26、27準直后入射到垂直于水平面的兩個反射鏡44和45上,兩束反射光改變方向后入射到試件40表面,并在試件柵表面發(fā)生衍射,兩個±1級衍射光波相互干涉形成云紋條紋圖,并成像在圖像采集攝像系統(tǒng)4上。在測量w場位移時,需應用泰曼/格林干涉光路測量(如圖3),由試件柵表面上發(fā)射的反射物光與參考光干涉形成的干涉條紋圖可定量測量試件表面的離面位移信息。測量中,需將w場位移開關17打開,u場和v場測量開關15,16關閉。此時,激光通過光纖耦合器11、12后擴束入射到準直鏡28后成為準直光,準直光通過分光棱鏡29后分為兩束光,其中,一束光直接透過分光棱鏡29入射到反射鏡30上,此光束從30反射后經(jīng)過分光棱鏡29再次反射到達攝像系統(tǒng)4,作為參考光;另外一光束,從分光棱鏡29反射到達試件40,試件反射光穿過分光棱鏡29后到達攝像系統(tǒng)4,作為反射物光;這兩束光到達攝像系統(tǒng)后發(fā)生干涉,此干涉條紋代表等離面位移跡線。
2)電子散斑法測量模式當應用電子散斑法進行測量時,可采用與云紋干涉面內(nèi)位移和離面位移測量相同的光路,不同的是試件表面無需制作光柵。當測量面內(nèi)位移時,兩束準直光照射在試件40表面,在圖像采集攝像系統(tǒng)4上形成散斑并實現(xiàn)電子散斑干涉,并獲得實時面內(nèi)位移的電子散斑干涉條紋場。當測量離面位移時,使用與泰曼/格林干涉相同的光路,應用計算機程序可以處理兩散斑場的疊加,獲得實時離面位移的電子散斑干涉條紋場。
本發(fā)明還分別在u、v、w位移場的測量光路中裝配了三個壓電陶瓷相移器31、32和33。在所述的測量u場位移的光路中的反射鏡20或21的后面設有相移器31;在所述的測量v位移場的光路中的反射鏡44或45的后面設有相移器32;在所述的測量w位移場的光路中的反射鏡30的后面設有相移器33。干涉條紋的相移可以通過調(diào)節(jié)相移器31、32、33的輸入電壓來控制,輸入電壓由計算機調(diào)節(jié)。經(jīng)過相移技術處理后的位移測量精度可達納米量級。
權利要求
1.一種多功能三位移激光干涉測量系統(tǒng),含有激光器(1),圖像采集攝像系統(tǒng)(4)以及放置試件的加載架(5),其特征在于該系統(tǒng)還包括分光耦合器(2)和三維干涉光路系統(tǒng)(3),所述的分光耦合器含有將激光器發(fā)出的光分為三路的兩個分光鏡(7、8)和三個開關控制器(15、16、17),其中測量u場位移的光路依次通過一個分光鏡(7)、u場開關控制器(15)和u場光纖分束器(14)后,分兩路分別進入三維干涉光路系統(tǒng)中的兩個激光耦合器(41、42)、兩個準直鏡(26、27)準直后,再分別經(jīng)反射鏡(44、45)反射后入射到試件(40)表面;測量v場位移的光路依次通過另一個分光鏡8、v場開關控制器(16)和v場光纖分束器(13)后,分兩路分別進入三維干涉光路系統(tǒng)中的另兩個激光耦合器(18、19),分別經(jīng)兩個反射鏡(20、21)反射和準直鏡(22、23)準直后,再經(jīng)反射鏡(24、25)反射入射到試件(40)表面;測量w場位移的光路依次通過w場開關控制器(17)、w場光纖耦合器(12)入射到三維干涉光路系統(tǒng)中的準直鏡(28)后,經(jīng)一分光棱鏡(29)分為兩束光,其中一束光直接透過分光棱鏡(29)入射到一反射鏡(30)上,反射后再經(jīng)分光棱鏡(29)到達圖像采集攝像系統(tǒng)(4),另一光束經(jīng)分光棱鏡(29)反射后到達試件(40),經(jīng)試件表面的光柵反射后穿過棱鏡29到達圖像采集攝像系統(tǒng)(4)。
2.按照權利要求1所述的三位移激光干涉測量系統(tǒng),其特征在于在所述的測量u場位移的光路中的反射鏡(20)或(21)的后面設有壓電陶瓷相移器相(31);在所述的測量v場位移的光路中的反射鏡(44)或(45)的后面設有壓電陶瓷相移器(32);在所述的測量w場位移的光路中的反射鏡(30)的后面設有壓電陶瓷相移器(33)。
3.按照權利要求1所述的三位移激光干涉測量系統(tǒng),其特征在于在所述的測量u場位移的光路中,在u場開關控制器(15)和u場光纖分束器(14)之間設有光纖耦合器(9);在所述的測量v場位移的光路中,在v場開關控制器(16)和v場光纖分束器(13)之間設有光纖耦合器(10);在所述的測量w場位移的光路中,在w場開關控制器(17)和w場光纖耦合器(12)之間設有光纖耦合器(11)。
4.按照權利要求1、2或3所述的三位移激光干涉測量系統(tǒng),其特征在于所述的分光耦合器(2)中的分光鏡(7、8),光纖耦合器(9、10、11)以及開關控制器(15、16、17)被封裝在一個暗盒子中,并在該盒子的激光束的入射口設有濾波孔(6)。
5.按照權利要求1、2或3所述的三位移激光干涉測量系統(tǒng),其特征在于所述的三維干涉光路系統(tǒng)(3)中的激光耦合器(18、19、41、42、12),反射鏡(20、21、24、25、44、45、30),準直透鏡(22、23、26、27、28)以及分光棱鏡(29)被封裝在一個暗箱內(nèi)。
6.按照權利要求1所述的三位移激光干涉測量系統(tǒng),其特征在于所述的加載架(5)采用六維調(diào)節(jié)載荷架,它由加載架(34)、升降平移臺(35)、精密平移臺(36)、面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(37)、俯仰臺(38)、垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(39)六部分組成;所述的垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(39)由螺釘固定在俯仰臺(38)上,精密平移臺(36)通過滾珠鋼絲無間隙導軌連接在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(39)上,升降平移臺(35)借助于燕尾槽導軌與精密平移臺(36)相連,面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(37)通過滑塊機構和齒輪齒條鎖緊機構與升降平移臺(35)相連;加載架34由螺釘固定在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺37上;所述的試件(40)上端連接直線運動的螺桿,下端連接力傳感器。
7.按照權利要求1或6所述的三位移激光干涉測量系統(tǒng),其特征在于所述的激光器(1)、分光耦合器(2)、三維干涉光路系統(tǒng)(3)、三維調(diào)節(jié)攝像系統(tǒng)(4)、六維調(diào)節(jié)載荷架(5)全部安裝在一個工作臺上;所述的三維干涉光路系統(tǒng)(3)通過三個升降支座固定在工作臺上,所述的激光器(1)和分光耦合器(2)位于三維干涉光路系統(tǒng)(3)的同一側(cè);六維調(diào)節(jié)載荷架5與圖像采集攝像系統(tǒng)4分別通過工作臺上的燕尾槽導軌安裝在三維干涉光路系統(tǒng)(3)的左右兩側(cè)。
全文摘要
一種多功能三位移激光干涉測量系統(tǒng),屬于光測力學、工程材料、構件變形和位移測試技術領域。本發(fā)明由激光器,圖像采集攝像系統(tǒng),分光耦合器,三維干涉光路系統(tǒng)和六維調(diào)節(jié)載荷架五部分組成。該測量系統(tǒng)可實現(xiàn)u、v、w三個位移場的高精度實時測量,位移測量靈敏度可達波長量級,并具有云紋干涉和電子散斑干涉兩種位移測量模式。采用六維調(diào)節(jié)載荷架能實現(xiàn)六個自由度的調(diào)節(jié),使得本系統(tǒng)可同時實現(xiàn)單向拉壓、三點彎曲加載實驗,具有使用方便,結構緊湊、測量精度高等特點。系統(tǒng)配有相移裝置,經(jīng)過相移技術處理后的位移測量精度可達納米量級。
文檔編號G01B9/021GK1556371SQ20041000000
公開日2004年12月22日 申請日期2004年1月2日 優(yōu)先權日2004年1月2日
發(fā)明者戴福隆, 謝惠民, 方岱寧, 尚海霞, 劉戰(zhàn)偉 申請人:清華大學