專利名稱：一種高溫云紋干涉變形測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
一種高溫云紋干涉變形測量系統(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：
近年來隨著科學技術的發(fā)展，材料在高溫條件下的應用越來越廣泛，如發(fā)電廠的高溫管 道、高空探測的隔熱層等等。因此表征材料在高溫條件下的力學性能，就成為了現階段研究 的一個重點和熱點，而如何獲得材料在高溫條件下的變形情況就成為這一研究需要解決的首 要問題。常規(guī)的變形測量方法主要包括電學測量方法和光學測量方法兩大類。電學測量方法 主要是通過電阻應變計來實現，其測量精度高，但是由于電阻應變計需要從用膠粘貼在試件 表面，而且其測量對溫度變化比較敏感，因此電測方法不易實現高溫條件下的精確測量。光 學測量方法采用非接觸測量，可以減少溫度對測量的影響，因此高溫條件下的變形測量通常 采用光學測量方法。光學測量方法中常用的測試方法就是云紋干涉方法。
云紋干涉方法，主要是基于光學干涉原理，通過在試件表面發(fā)生光的干涉，得到干涉條 紋，從干涉條紋中分析出物體的全場變形。云紋干涉方法測量靈敏度高，可以得到全場的變 形信息。目前己有的比較準名的云紋干涉系統(tǒng)主要有Photomechanics Co.的二維云紋干涉儀、 天津大學的智能云紋干涉儀(中國專利申請94118741.1)、上海711研究所的二維相移云紋 干涉儀(中國專利申請200510025444. 1)以及清華大學的多功能三維位移激光干涉測量系統(tǒng) (中國專利申請200410000005.0)。這些系統(tǒng)主要基于云紋干涉的基本原理實現了 u, r兩個 位移場的測量，其中多功能三維位移激光干涉測量系統(tǒng)結合了云紋干涉方法和電子散斑干涉 方法兩種測量系統(tǒng)，實現了三維位移場的測量。但是這些系統(tǒng)主要針對常規(guī)測量開發(fā)，其成 像距離近，溫度場對測量光路影響比較大，而且調節(jié)支架一般與試件加載架相連，在高溫測 量中由于試件加載架位于高溫爐中，無法直接對試件位置進行調解。這些原因導致了現有的 測量系統(tǒng)無法直接應用于高溫條件下的材料變形測量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種高溫云紋干涉變形測量系統(tǒng)，可以實現高溫條件下材料的面內 位移場的實時測量，使用方便、靈敏度高、結構緊湊。
本發(fā)明的技術方案如下
一種高溫云紋干涉變形測量系統(tǒng)，含有圖像采集系統(tǒng)、激光器、分光耦合器、帶有觀測 窗的高溫爐、六維調節(jié)架和云紋干涉光路系統(tǒng)，所述的云紋干涉光路系統(tǒng)包括云紋干涉光學 元件箱、鏡頭和光柵；云紋干涉光學元件箱放置在六維調節(jié)架上，圖像采集系統(tǒng)、鏡頭和光
柵位于同一直線上，光柵粘貼在試件表面，試件放置在帶有觀測窗的高溫爐中，激光器、分 光耦合器位于云紋干涉光路系統(tǒng)的同一側。
一種高溫云紋干涉變形測量系統(tǒng)，其特征在于云紋干涉光路系統(tǒng)中采用的光柵為600線 /mm的光柵；其特征在于云紋干涉光路系統(tǒng)采用焦距至少為100咖、直徑至少為50mm的鏡頭 作為場鏡；其特征在于激光器為半導體綠光激光器，其波長為533nm。
本發(fā)明的技術方案中，其特征在于所述的高溫云紋干涉變形測量系統(tǒng)中，采用光開關 作為分光耦合器，將激光器發(fā)出的激光分為兩路，經由單模光纖和一分二光纖分路器導入測 量光路。
本發(fā)明的技術方案中，其特征在于所述的帶有觀測窗的高溫爐，其觀測窗采用十字形 分塊雙層石英玻璃精密加工而成，內側玻璃的特征尺寸為/,^/。+2/,tanl8.6'，外層玻璃的特 征尺寸為/2=/。+2~&1118.6°，其中/。為試件表面測量區(qū)域特征尺寸，—^分別為試件到內層 玻璃和外層玻璃的距離。
本發(fā)明與現有技術相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果該測量系統(tǒng)采用綠光半導體激光 器作為測量光源避免高溫條件下試件表面熱輻射紅光對測量條紋的影響，采用焦距至少為 IOO刪、直徑至少為50mm的鏡頭作為場鏡，增大成像距離降低溫度場對測量光路的影響，而 且采用光開關控制光路的開關，實現2個方向測量光路的自動化的控制。本發(fā)明采用六維調 節(jié)架控制云紋干涉光路系統(tǒng)的方向調節(jié)，解決高溫爐中試件位置難于調節(jié)的問題。本發(fā)明中 高溫爐觀測窗采用雙層分塊石英玻璃精密加工而成，解決高溫條件下激光準確進入高溫爐的 問題，同時采用十字形分塊設計避免高溫條件下石英玻璃發(fā)生膨脹破裂的問題。本發(fā)明使用 方便，結構緊湊。使用600線/mm的光柵，并具有以下的性能參數
位移測量靈敏度 u場和v場均為0. 834pm;
測試區(qū)域 40X40mm的區(qū)域；
放大倍數 0.5X 100X
條紋分辨率 100條紋/mm
應變測量范圍 10(^￡ 10%e


圖1為本發(fā)明結構示意圖(含云紋干涉光路系統(tǒng)K場光路)
圖2為本發(fā)明所用的十字形石英玻璃示意圖 圖3為本發(fā)明所用的十字形石英玻璃側視圖 圖4為本發(fā)明所用的六維調節(jié)架示意圖 圖5為圖4的A-A剖面圖
圖中l(wèi)一圖像采集系統(tǒng)；2 —激光器；3 —分光耦合器；4一帶有觀測窗的高溫爐；5 —六 維調節(jié)架;6-云紋干涉光路系統(tǒng)；7-試件；8 —鏡頭；9一觀測窗；10—三維調節(jié)架；ll一左右調節(jié)旋轉旋鈕；12 —上下調節(jié)測微絲杠；13 —前后調節(jié)旋轉旋鈕；14一一分二光纖分束器； 15 —第一激光耦合器；16 —第二激光耦合器；17 —第一反射鏡；18 —第二反射鏡；19一第--準直透鏡；20 —第二準直透鏡；21 —第三反射鏡；22 —第四反射鏡；23—^場的激光；24—" 場的激光；25 — x方向精密平移臺；26—升降平移臺；27 — y方向精密平移臺；28 —俯仰臺；
29 —面內旋轉臺；30 — X方向旋轉旋鈕；31 —線性導軌；32 —滑塊機構；33 —升降旋轉旋鈕；
34—升降桿；35 —螺桿；36 — y方向測微絲桿；37 —平板；38 —支撐彈簧；39 —滾珠；40 — 第一調節(jié)螺桿；41一第二調節(jié)螺桿；42—固緊螺釘；43 —面內旋轉測微絲桿；44一光柵
具體實施例方式
下面結合附圖進一歩說明本發(fā)明的具體結構及實施方式
如圖1所示，本發(fā)明所述的高溫云紋干涉變形測量系統(tǒng)主要由圖像采集系統(tǒng)1、激光器2、 分光耦合器3、帶有觀測窗的高溫爐4、六維調節(jié)架5和云紋干涉光路系統(tǒng)組成，全部安裝在 一個實驗臺上。云紋干涉光路系統(tǒng)包括云紋干涉光學元件箱6、鏡頭8和光柵44，云紋干涉 光學元件箱6集成為一個暗箱，通過六維調節(jié)架5固定在試驗臺上。圖像采集系統(tǒng)l由一個 三維調節(jié)架10和螺釘固定在云紋干涉光學元件箱6上，圖像采集系統(tǒng)l、鏡頭8和光柵44 位于同一直線上。光柵44粘貼在試件7表面， 一起放置在帶有觀測窗的高溫爐6中。激光器 2和分光耦合器3分別由緊固螺釘固定在試驗臺上，位于云紋干涉光路系統(tǒng)的同一側。
本發(fā)明所述的激光器2采用的是波長為533nra的半導體綠光激光器。在高溫環(huán)境中，試 件表面會產生熱輻射，誘發(fā)出紅光，常規(guī)的云紋干涉系統(tǒng)，采用紅光光源照明在試件表面形 成干涉條紋，其產生的干涉條紋會受到熱輻射誘發(fā)的紅光的影響，從而導致條紋對比度降低。 本發(fā)明采用波長比紅光短的綠光激光器作為照明光源，試件表面的干涉條紋受紅光影響小， 條紋對比度高。
本發(fā)明采用600線/mm的光柵44作為試件柵，粘貼在試件7表面。根據云紋干涉理論， 采用600線/mm的光柵可以減小衍射角，從而增大云紋干涉光學元件箱6和高溫爐5之間的 距離，即物距，減少高溫環(huán)境對云紋干涉光學元件箱6的影響。云紋干涉光路系統(tǒng)中采用長 焦距(焦距250)大直徑(直徑80mm)的鏡頭8作為場鏡，可以實現大物距的測量，降低了 高溫環(huán)境對測量光路的影響，同時增大了觀測范圍，提高了條紋的分辨率。
本發(fā)明中采用光開關作為分光耦合器3，激光器2發(fā)出的光進入光開關3中，在光開關內 部，激光被分成兩路，分別進入〃場、K場的測量光路。測量y場位移時，光開關打開K場 激光23同時關閉"場的激光24，通過干涉光路將激光反射到試件表面；測量 〃場位移時， 光開關打開"場激光24同時關閉z場的激光23，通過干涉光路將激光反射到試件表面。下
面以測量K場位移為例，簡單說明干涉光路的結構，K場激光23通過單模光纖，進入一分二
光纖分束器14，分成兩路光，由單模光纖導入云紋干涉光路系統(tǒng)6中的第一激光耦合器15 和第二激光耦合器16，經過第一反射鏡17、第二反射鏡18和第一準直透鏡19、第二準直透
鏡20準直后，由第三反射鏡21和第四反射鏡22反射到試件7表面，形成干涉條紋。測量" 場位移的光路和上述測量r場位移的光路基本相同。
如圖2所示，本發(fā)明所述的高溫爐4觀測窗采用十字形分塊雙層石英玻璃9精密加工而 成。高溫爐4為了保證隔熱效果，采用雙層的石英玻璃作為觀測窗。如圖3所示按照入射光 線角度嚴格設計十字形的觀測窗的大小，根據云紋干涉理論，激光的入射角a，激光的波長義 以及光柵的頻率/,應該滿足衍射方程，
sin a =義/ (1)
本發(fā)明采用的激光波長為；i二533"OT，光柵頻率為/二600線/mm，因此激光的入射角為 = arcsin0.3198 = 18.6° 。試件7表面可觀測區(qū)域特征尺寸為/。，內側石英玻璃9a同試件7的 距離為r,，則內側石英玻璃9a的特征尺寸/, =/。 +2^, tanl8.6。；外側石英玻璃9b同試件7的 距離為G，則外側石英玻璃9b的特征尺寸/2=/。+2/21肌18.6°。同時本發(fā)明所用十字形石英玻 璃采用分塊拼接而成，由兩塊正方形石英玻璃和一塊長方形石英玻璃共同組成了十字形觀測 窗，避免了大塊石英玻璃在高溫環(huán)境下，由于熱膨脹效應引起的玻璃破碎。
如圖4所示，本發(fā)明所述的六維調節(jié)架由x方向精密平移臺25、 y方向精密平移臺27、 升降平移臺26、面內旋轉臺29和俯仰臺28五部分共同構成。所述的云紋干涉光路系統(tǒng)通過 螺釘同六維調節(jié)架連結，由于高溫爐4中試件7的位置不易調整，通過六維調節(jié)架的調節(jié)可 以實現云紋干涉光路系統(tǒng)的6個方向的精確移動和轉動，可以保證通過云紋干涉光路系統(tǒng)6 的激光正好通過觀測窗9照射到試件7表面。所述的升降平移臺26由螺釘固定在x方向精密 平移臺25上，y方向精密平移臺27由螺釘固定在升降平移臺26上，俯仰臺28通過螺釘連 接在y方向精密平移臺27上，面內旋轉臺29由螺釘固定在俯仰臺28上。x方向精密平移臺 25主要是通過x方向旋轉旋鈕30，使滑塊機構32沿線性導軌31移動，實現x方向的精密平 移；升降平移臺26由螺釘固定在x方向精密平移臺25上，通過升降旋轉旋鈕33，使升降桿 34沿螺桿35移動，實現升降運動；y方向精密平移臺27由螺釘固定在升降平移臺26上，通 過調節(jié)y方向測微絲桿36驅動，使y方向精密平移臺27的上部，沿光滑凸槽導軌作y方向 平移；俯仰臺28通過螺釘連接在y方向精密平移臺27上，俯仰臺28由兩塊平板37a和37b、 支撐彈簧38、滾珠39、第一調節(jié)螺桿(端部為圓球)40和第二調節(jié)螺桿41組成，如圖5示， 通過第一調節(jié)螺桿40，可以使上平板繞滾珠39和第二調節(jié)螺桿41的中心連線為軸旋轉，通 過第二調節(jié)螺桿41，可以使上平板繞滾珠39和第一調節(jié)螺桿40的中心連線為軸旋轉，從而 實現兩個垂直面方向的旋轉；面內旋轉臺29由螺釘固定在俯仰臺28上，面內旋轉臺由兩部 分組成，通過固緊螺釘42將上部和下部固定，送開固緊螺釘42，上部可以在面內實現360 度旋轉，旋緊固緊螺釘42，通過調節(jié)面內旋轉測微絲杠43，可以提供10度以內的精確旋轉 定位。
本發(fā)明中的圖像采集系統(tǒng)l用來采集圖像，由CCD和成像鏡頭構成，通過三維調節(jié)架iO
和螺釘固定在云紋干涉光學元件箱6上，通過左右調節(jié)旋轉旋鈕11實現圖像采集系統(tǒng)1的左 右移動，通過前后調節(jié)旋轉旋鈕13可以實現圖像采集系統(tǒng)1的前后移動，通過上下調節(jié)測微 絲杠12可以實現圖像采集系統(tǒng)1的上下移動。
采用本發(fā)明測量時，首先將試件7放置到高溫爐5中的，通過六維調節(jié)架5，調整云紋干 涉光學元件箱6，使激光正好通過高溫爐上的觀測窗9，照射到試件7表面，試件表面的反射 光線通過場鏡8，進入到圖像采集系統(tǒng)l中。試驗開始前調節(jié)分光耦合器3，先使光線進入測 量y場位移光路，通過調整云紋干涉光學元件箱6中的各個光學元件的位置，使試件表面的 干涉條紋恰好處于零場位置(即沒有干涉條紋)，再使光線入測量"場位移光路，同上操作， 完成〃場光路的零場調節(jié)；調節(jié)零場過程中，通過三維調節(jié)架IO，調整圖像采集系統(tǒng)l的位 置，保證采集圖像質量；試驗開始后，通過分光耦合器3實現光路的自動轉換，由圖像釆集 系統(tǒng)1分別記錄試件表面的"場干涉條紋圖和^場干涉條紋圖；試驗結束后，根據y場和k 場的干涉條紋場就可以計算出試件的 〃場位移和r場位移。
權利要求
1.一種高溫云紋干涉變形測量系統(tǒng)，含有圖像采集系統(tǒng)(1)、激光器(2)、分光耦合器(3)、帶有觀測窗的高溫爐(4)、六維調節(jié)架(5)和云紋干涉光路系統(tǒng)，所述的云紋干涉光路系統(tǒng)包括云紋干涉光學元件箱(6)、鏡頭(8)和光柵(44)；云紋干涉光學元件箱(6)放置在六維調節(jié)架(5)上，圖像采集系統(tǒng)(1)、鏡頭(8)和光柵(44)位于同一直線上，光柵(44)粘貼在試件(7)表面，試件(7)放置在帶有觀測窗的高溫爐(4)中，激光器(2)、分光耦合器(3)位于云紋干涉光路系統(tǒng)的同一側，其特征在于所述的云紋干涉光路系統(tǒng)采用焦距至少為100mm、直徑至少為50mm的鏡頭(8)作為場鏡，云紋干涉光路系統(tǒng)中采用的光柵為600線/mm的光柵；所述的激光器(2)為半導體綠光激光器，其波長為533nm。
2. 按照權利要求1所述的高溫云紋干涉變形測量系統(tǒng)，其特征在于采用光開關作為分 光耦合器(3)，將激光器(2)發(fā)出的激光分為兩路，經由單模光纖和一分二光纖分路器(14) 導入測量光路。
3. 按照權利要求1所述的高溫云紋干涉變形測量系統(tǒng)，其特征在于所述的帶有觀測窗 的高溫爐(4)的觀測窗口采用十字形分塊雙層石英玻璃構成，內側玻璃的特征尺寸為 /1=/。+2^31118.6°，外層玻璃的特征尺寸為/2=/。+2^&1118.6°，其中/。為試件(7)表面測量 區(qū)域特征尺寸，r,、 ,2分別為試件(7)到內層玻璃和外層玻璃的距離。
全文摘要
一種高溫云紋干涉變形測量系統(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、分光耦合器、高溫爐、六維調節(jié)架和云紋干涉光路系統(tǒng)五部分組成。該測量系統(tǒng)可以實現在高溫條件下對u，v兩個位移場的高精度實時測量。系統(tǒng)使用綠光照明避免熱輻射紅光對測量的影響，利用光開關實現面內位移場的自動化測量，采用十字形分塊雙層石英玻璃解決高溫爐的觀測窗設計，同時用600線/mm的光柵和長焦距大直徑的鏡頭作為場鏡，增大測量物距，減小高溫對測量系統(tǒng)的影響，提高條紋分辨率。通過六維調節(jié)架，調節(jié)云紋干涉光路系統(tǒng)，解決高溫爐中試件難于調節(jié)的問題。系統(tǒng)使用方便，測量靈敏度高。
文檔編號G01B11/16GK101349549SQ20081011980
公開日2009年1月21日 申請日期2008年9月11日 優(yōu)先權日2008年9月11日
發(fā)明者戴福隆, 方岱寧, 韜 花, 謝惠民 申請人:清華大學