專利名稱：多功能三維位移激光干涉測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種構(gòu)件變形和位移測(cè)試的三維位移激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，屬于光測(cè)力學(xué)、工程材料、構(gòu)件變形和位移測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用的位移激光干涉測(cè)量系統(tǒng)多屬于在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上臨時(shí)搭建的散裝結(jié)構(gòu)，無法適用于現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件變形測(cè)量。針對(duì)這種情況，國內(nèi)外已推出一些便攜式商用激光干涉測(cè)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(xué)的智能云紋干涉儀(中國專利申請(qǐng)94118741.1)，兩者在測(cè)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(shí)現(xiàn)u，v兩個(gè)位移場(chǎng)的測(cè)量，其中智能干涉云紋儀的主要技術(shù)特征是在光路中的反射鏡上配置兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了柵頻由微機(jī)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(dòng)調(diào)節(jié)。著名的散斑干涉儀包括中國科技大學(xué)研制的電子散斑干涉儀和西安交通大學(xué)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(jī)和圖像卡，采集到的圖像由計(jì)算機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)面內(nèi)u，v兩個(gè)位移場(chǎng)的測(cè)量，后兩者只適用于散斑干涉法，它們都無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量u，v，w三維位移場(chǎng)，更無法實(shí)現(xiàn)云紋干涉法和電子散斑干涉法兩種模式對(duì)位移的測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)物體表面三維位移場(chǎng)(面內(nèi)位移u，v和離面位移w)的實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)云紋干涉和電子散斑干涉兩種位移測(cè)量模式，使用方便，且靈敏度高，結(jié)構(gòu)緊湊。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種多功能三位移激光干涉測(cè)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(gè)分光鏡和三個(gè)開關(guān)控制器，其中測(cè)量u場(chǎng)位移的光路依次通過其中一個(gè)分光鏡、u場(chǎng)開關(guān)控制器和u場(chǎng)光纖分束器后，分兩路分別進(jìn)入三維干涉光路系統(tǒng)中的兩個(gè)激光耦合器和兩個(gè)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，經(jīng)準(zhǔn)直后再分別經(jīng)反射鏡反射后入射到試件表面；測(cè)量v場(chǎng)位移的光路依次通過另一個(gè)分光鏡、v場(chǎng)開關(guān)控制器和v場(chǎng)光纖分束器后，分兩路分別進(jìn)入三維干涉光路系統(tǒng)中的另外兩個(gè)激光耦合器，分別經(jīng)兩個(gè)反射鏡和兩個(gè)準(zhǔn)直鏡后，再分別經(jīng)反射鏡反射入射到試件表面；測(cè)量w場(chǎng)位移的光路依次通過w場(chǎng)開關(guān)控制器和w場(chǎng)光纖耦合器入射到三維干涉光路系統(tǒng)中的另一個(gè)準(zhǔn)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(dá)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(dá)試件，經(jīng)試件表面的光柵反射后穿過分光棱鏡到達(dá)圖像采集攝像系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案中，其特征在于在所述的測(cè)量u場(chǎng)位移的光路中，u場(chǎng)開關(guān)控制器和u場(chǎng)光纖分束器之間設(shè)有u場(chǎng)光纖耦合器；在所述的測(cè)量v場(chǎng)位移的光路中，v場(chǎng)開關(guān)控制器和v場(chǎng)光纖分束器之間設(shè)有v場(chǎng)光纖耦合器；在所述的測(cè)量w場(chǎng)位移的光路中，w場(chǎng)開關(guān)控制器和w場(chǎng)光纖耦合器之間設(shè)有w場(chǎng)光纖耦合器。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于在所述的測(cè)量u場(chǎng)位移的光路中的兩個(gè)反射鏡中的其中一個(gè)反射鏡的后面設(shè)有u場(chǎng)壓電陶瓷相移器；在所述的測(cè)量v場(chǎng)位移的光路中的所述兩個(gè)反射鏡中的其中一個(gè)反射鏡的后面設(shè)有v場(chǎng)壓電陶瓷相移器；在所述的測(cè)量w場(chǎng)位移的光路中的所述反射鏡的后面設(shè)有w場(chǎng)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(guān)控制器均被封裝在一個(gè)暗盒子中，并在該盒子的激光束的入射口設(shè)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(zhǔn)直透鏡以及分光棱鏡均被封裝在一個(gè)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(tái)、精密平移臺(tái)、面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、俯仰臺(tái)以及垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)六部分組成；所述的垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)由螺釘固定在俯仰臺(tái)上；精密平移臺(tái)通過滾珠鋼絲無間隙導(dǎo)軌連接在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，升降平移臺(tái)借助于燕尾槽導(dǎo)軌與精密平移臺(tái)相連，面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)通過滑塊機(jī)構(gòu)和齒輪齒條鎖緊機(jī)構(gòu)與升降平移臺(tái)相連，加載架由螺釘固定在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上；所述的試件上端連有直線運(yùn)動(dòng)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(gè)工作臺(tái)上；所述的三維干涉光路系統(tǒng)通過三個(gè)升降支座固定在工作臺(tái)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(tái)上的燕尾槽導(dǎo)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(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果該測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)u、v、w三個(gè)位移場(chǎng)的高精度實(shí)時(shí)位移測(cè)量，位移測(cè)量靈敏度可達(dá)波長量級(jí)，而且可以分別實(shí)現(xiàn)云紋干涉和電子散斑干涉兩種位移測(cè)量模式。本發(fā)明使用方便，結(jié)構(gòu)緊湊，采用六維調(diào)節(jié)載荷架能實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度(沿x，y，z軸的三個(gè)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng))的調(diào)節(jié)。三個(gè)平動(dòng)精度達(dá)0.1毫米，轉(zhuǎn)動(dòng)精度達(dá)10’，使得本系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)拉壓、三點(diǎn)彎曲加載實(shí)驗(yàn)?？蓱?yīng)用光柵頻率范圍為500線/毫米-3000線/毫米，并具有以下性能參數(shù)位移測(cè)量靈敏度面內(nèi)u & v場(chǎng)為0.417μm 離面w場(chǎng)為0.316μm；測(cè)試區(qū)域 4～50mm；
放大倍數(shù)0.5X～100X條紋分辨率 100條/mm測(cè)量應(yīng)變范圍10με～10％ε


圖1為本發(fā)明的測(cè)量光路系統(tǒng)示意圖(含測(cè)量v場(chǎng)位移光路)。
圖2為本發(fā)明測(cè)量u場(chǎng)位移光路示意圖。
圖3為本發(fā)明測(cè)量w場(chǎng)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(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及實(shí)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(cè)量系統(tǒng)主要由激光器1、可控制分光以形成三個(gè)位移場(chǎng)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(gè)工作臺(tái)面上。三維干涉光路系統(tǒng)3被集成在暗箱內(nèi)，通過三個(gè)升降支座固定在工作臺(tái)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(tái)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(tái)上的燕尾槽導(dǎo)軌上直線滑動(dòng)，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(gè)分光鏡7、8和開關(guān)控制器15、16、17，其中測(cè)量u場(chǎng)位移的光路依次通過分光鏡7、開關(guān)控制器15、光纖分束器14后，分兩路分別進(jìn)入三維干涉光路系統(tǒng)3中的激光耦合器41和42，經(jīng)準(zhǔn)直鏡26和27準(zhǔn)直，并經(jīng)反射鏡44和45反射后入射到試件40表面；測(cè)量v場(chǎng)位移的光路依次通過分光鏡8、開關(guān)控制器16和光纖分束器13后分別進(jìn)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(zhǔn)直鏡22、23準(zhǔn)直后再經(jīng)反射鏡24、25反射入射到試件40表面；測(cè)量w場(chǎng)位移的光路依次通過開關(guān)17、光纖耦合器12入射到三維干涉光路系統(tǒng)中的準(zhǔn)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(dá)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(dá)試件40，經(jīng)試件表面的光柵反射后穿過分光棱鏡29到達(dá)圖像采集攝像系統(tǒng)4。
分光耦合器2中的光學(xué)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(guān)控制器15、16、17均被封裝在一個(gè)盒子中，并在該盒子的激光束的入射口設(shè)有濾波孔6，盒子通過螺釘固定在工作臺(tái)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(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)量光束。分光耦合器內(nèi)設(shè)置有開關(guān)控制器15、16、17，可分別控制u、v、w三個(gè)位移場(chǎng)測(cè)量光路的使用。
三維干涉光路系統(tǒng)3中的光學(xué)器件，即激光耦合器18、19、41、42、12，反射鏡20、21、24、25、44、45、30，準(zhǔn)直透鏡22、23、26、27、28，以及分光棱鏡29均被封裝在一個(gè)暗箱內(nèi)。其中激光耦合器18、反射鏡20、25，以及準(zhǔn)直透鏡23被固定在暗箱內(nèi)的頂部，與此對(duì)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(zhǔn)直透鏡22，這些光學(xué)元件用來測(cè)量v場(chǎng)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(zhǔn)直透鏡27，其右側(cè)壁面上對(duì)稱的位置上分別有激光耦合器41、反射鏡44、準(zhǔn)直透鏡26，這些光學(xué)元件用來測(cè)量u場(chǎng)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(zhǔn)直透鏡28、分光棱鏡29、反射鏡30，這些光學(xué)元件用來測(cè)量w場(chǎng)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(tái)35(型號(hào)GCM-150104M)、精密平移臺(tái)36(型號(hào)GCM-125301AM)、面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)37(型號(hào)GCM-1101M)、俯仰臺(tái)38(型號(hào)GCM-190)以及垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)39(型號(hào)GCM-1101M)六部分組成。所述的垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)39由螺釘固定在俯仰臺(tái)38上；精密平移臺(tái)36通過滾珠鋼絲無間隙導(dǎo)軌連接在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)39上；升降平移臺(tái)35借助于燕尾槽導(dǎo)軌48與精密平移臺(tái)36相連；面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)37通過滑塊機(jī)構(gòu)和齒輪齒條鎖緊機(jī)構(gòu)與升降平移臺(tái)35相連；加載架34由螺釘固定在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)37上。俯仰臺(tái)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(tái)底板相連。旋轉(zhuǎn)螺桿46，可以改變俯仰臺(tái)的俯仰角；垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)39由緊固螺釘連接在俯仰臺(tái)38上，垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的作用是精密調(diào)節(jié)試件的垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)零場(chǎng)和消除在施加載荷過程中產(chǎn)生的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)。精密平移臺(tái)36通過滾珠鋼絲無間隙導(dǎo)軌連接在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)39上，可以由測(cè)微絲桿47進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為平移臺(tái)提供直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的位移分辨率可達(dá)0.001mm。升降平移臺(tái)35借助于燕尾槽導(dǎo)軌48與精密平移臺(tái)36相連，平移臺(tái)可以沿直線導(dǎo)軌前后滑動(dòng)。面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)37通過滑塊機(jī)構(gòu)和升降平移臺(tái)35上的光滑凹槽導(dǎo)軌相連，由導(dǎo)軌上的齒輪齒條實(shí)現(xiàn)升降和前后、左右平移(相對(duì)于試件)，具有移動(dòng)行程長，速度快，移動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，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(dòng)來達(dá)到對(duì)中目的，滿足云紋干涉對(duì)試件位置調(diào)整的要求。旋轉(zhuǎn)臺(tái)37上的測(cè)微絲桿49可以提供360°的手動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使試件在被測(cè)面內(nèi)得到精確細(xì)微的角度調(diào)整，精度可達(dá)±10″，能夠方便地施加載波(或消除載波)、調(diào)零場(chǎng)和消除在施加載荷過程中產(chǎn)生的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)。加載架34由緊固螺釘固定在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)37上。試件上端連接直線運(yùn)動(dòng)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(diǎn)彎、純彎等實(shí)驗(yàn)。
圖像采集攝像系統(tǒng)4用來實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
采用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)如下兩種位移測(cè)量模式，其測(cè)量過程如下
1)云紋干涉法測(cè)量模式此時(shí)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(dāng)測(cè)量v場(chǎng)位移時(shí)(如圖1)，v場(chǎng)測(cè)量光路開關(guān)16打開，激光束經(jīng)光纖耦合器10和光纖分束器13后到達(dá)激光耦合器18和19，光束擴(kuò)束后分別到達(dá)反射鏡20、21。經(jīng)20反射的光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡22準(zhǔn)直后，經(jīng)反射鏡24反射后入射到試件表面40；同時(shí)，經(jīng)反射鏡21反射的光束通過準(zhǔn)直鏡23準(zhǔn)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(gè)±1級(jí)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(jì)算機(jī)。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(cè)量物體表面的面內(nèi)位移和應(yīng)變。測(cè)量u場(chǎng)位移時(shí)，原理與測(cè)量v場(chǎng)位移相同(如圖2)。將u場(chǎng)測(cè)量開關(guān)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(dá)激光耦合器41和42。由兩個(gè)激光耦合器41、42發(fā)出的擴(kuò)散光分別經(jīng)準(zhǔn)直鏡26、27準(zhǔn)直后入射到垂直于水平面的兩個(gè)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(gè)±1級(jí)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(cè)量w場(chǎng)位移時(shí)，需應(yīng)用泰曼/格林干涉光路測(cè)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(cè)量試件表面的離面位移信息。測(cè)量中，需將w場(chǎng)位移開關(guān)17打開，u場(chǎng)和v場(chǎng)測(cè)量開關(guān)15，16關(guān)閉。此時(shí)，激光通過光纖耦合器11、12后擴(kuò)束入射到準(zhǔn)直鏡28后成為準(zhǔn)直光，準(zhǔn)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(dá)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(dá)試件40，試件反射光穿過分光棱鏡29后到達(dá)攝像系統(tǒng)4，作為反射物光；這兩束光到達(dá)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(cè)量模式當(dāng)應(yīng)用電子散斑法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可采用與云紋干涉面內(nèi)位移和離面位移測(cè)量相同的光路，不同的是試件表面無需制作光柵。當(dāng)測(cè)量面內(nèi)位移時(shí)，兩束準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)電子散斑干涉，并獲得實(shí)時(shí)面內(nèi)位移的電子散斑干涉條紋場(chǎng)。當(dāng)測(cè)量離面位移時(shí)，使用與泰曼/格林干涉相同的光路，應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序可以處理兩散斑場(chǎng)的疊加，獲得實(shí)時(shí)離面位移的電子散斑干涉條紋場(chǎng)。
本發(fā)明還分別在u、v、w位移場(chǎng)的測(cè)量光路中裝配了三個(gè)壓電陶瓷相移器31、32和33。在所述的測(cè)量u場(chǎng)位移的光路中的反射鏡20或21的后面設(shè)有相移器31；在所述的測(cè)量v位移場(chǎng)的光路中的反射鏡44或45的后面設(shè)有相移器32；在所述的測(cè)量w位移場(chǎng)的光路中的反射鏡30的后面設(shè)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(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)。經(jīng)過相移技術(shù)處理后的位移測(cè)量精度可達(dá)納米量級(jí)。
權(quán)利要求
1.一種多功能三位移激光干涉測(cè)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(gè)分光鏡(7、8)和三個(gè)開關(guān)控制器(15、16、17)，其中測(cè)量u場(chǎng)位移的光路依次通過一個(gè)分光鏡(7)、u場(chǎng)開關(guān)控制器(15)和u場(chǎng)光纖分束器(14)后，分兩路分別進(jìn)入三維干涉光路系統(tǒng)中的兩個(gè)激光耦合器(41、42)、兩個(gè)準(zhǔn)直鏡(26、27)準(zhǔn)直后，再分別經(jīng)反射鏡(44、45)反射后入射到試件(40)表面；測(cè)量v場(chǎng)位移的光路依次通過另一個(gè)分光鏡8、v場(chǎng)開關(guān)控制器(16)和v場(chǎng)光纖分束器(13)后，分兩路分別進(jìn)入三維干涉光路系統(tǒng)中的另兩個(gè)激光耦合器(18、19)，分別經(jīng)兩個(gè)反射鏡(20、21)反射和準(zhǔn)直鏡(22、23)準(zhǔn)直后，再經(jīng)反射鏡(24、25)反射入射到試件(40)表面；測(cè)量w場(chǎng)位移的光路依次通過w場(chǎng)開關(guān)控制器(17)、w場(chǎng)光纖耦合器(12)入射到三維干涉光路系統(tǒng)中的準(zhǔn)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(dá)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(dá)試件(40)，經(jīng)試件表面的光柵反射后穿過棱鏡29到達(dá)圖像采集攝像系統(tǒng)(4)。
2.按照權(quán)利要求1所述的三位移激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于在所述的測(cè)量u場(chǎng)位移的光路中的反射鏡(20)或(21)的后面設(shè)有壓電陶瓷相移器相(31)；在所述的測(cè)量v場(chǎng)位移的光路中的反射鏡(44)或(45)的后面設(shè)有壓電陶瓷相移器(32)；在所述的測(cè)量w場(chǎng)位移的光路中的反射鏡(30)的后面設(shè)有壓電陶瓷相移器(33)。
3.按照權(quán)利要求1所述的三位移激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于在所述的測(cè)量u場(chǎng)位移的光路中，在u場(chǎng)開關(guān)控制器(15)和u場(chǎng)光纖分束器(14)之間設(shè)有光纖耦合器(9)；在所述的測(cè)量v場(chǎng)位移的光路中，在v場(chǎng)開關(guān)控制器(16)和v場(chǎng)光纖分束器(13)之間設(shè)有光纖耦合器(10)；在所述的測(cè)量w場(chǎng)位移的光路中，在w場(chǎng)開關(guān)控制器(17)和w場(chǎng)光纖耦合器(12)之間設(shè)有光纖耦合器(11)。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述的三位移激光干涉測(cè)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(guān)控制器(15、16、17)被封裝在一個(gè)暗盒子中，并在該盒子的激光束的入射口設(shè)有濾波孔(6)。
5.按照權(quán)利要求1、2或3所述的三位移激光干涉測(cè)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(zhǔn)直透鏡(22、23、26、27、28)以及分光棱鏡(29)被封裝在一個(gè)暗箱內(nèi)。
6.按照權(quán)利要求1所述的三位移激光干涉測(cè)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(tái)(35)、精密平移臺(tái)(36)、面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(37)、俯仰臺(tái)(38)、垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(39)六部分組成；所述的垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(39)由螺釘固定在俯仰臺(tái)(38)上，精密平移臺(tái)(36)通過滾珠鋼絲無間隙導(dǎo)軌連接在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(39)上，升降平移臺(tái)(35)借助于燕尾槽導(dǎo)軌與精密平移臺(tái)(36)相連，面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(37)通過滑塊機(jī)構(gòu)和齒輪齒條鎖緊機(jī)構(gòu)與升降平移臺(tái)(35)相連；加載架34由螺釘固定在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)37上；所述的試件(40)上端連接直線運(yùn)動(dòng)的螺桿，下端連接力傳感器。
7.按照權(quán)利要求1或6所述的三位移激光干涉測(cè)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(gè)工作臺(tái)上；所述的三維干涉光路系統(tǒng)(3)通過三個(gè)升降支座固定在工作臺(tái)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(tái)上的燕尾槽導(dǎo)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(cè)量系統(tǒng)，屬于光測(cè)力學(xué)、工程材料、構(gòu)件變形和位移測(cè)試技術(shù)領(lǐng)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(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)u、v、w三個(gè)位移場(chǎng)的高精度實(shí)時(shí)測(cè)量，位移測(cè)量靈敏度可達(dá)波長量級(jí)，并具有云紋干涉和電子散斑干涉兩種位移測(cè)量模式。采用六維調(diào)節(jié)載荷架能實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的調(diào)節(jié)，使得本系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)單向拉壓、三點(diǎn)彎曲加載實(shí)驗(yàn)，具有使用方便，結(jié)構(gòu)緊湊、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。系統(tǒng)配有相移裝置，經(jīng)過相移技術(shù)處理后的位移測(cè)量精度可達(dá)納米量級(jí)。
文檔編號(hào)G01B9/021GK1556371SQ20041000000
公開日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2004年1月2日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:清華大學(xué)