本發(fā)明屬于材料結(jié)構(gòu)與性能的中子衍射原位測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置。

背景技術(shù)：

內(nèi)應(yīng)力起源于材料內(nèi)部不同區(qū)域或相的錯配性/非相容性。從材料合成到工程裝備的每一個環(huán)節(jié)都可能引入內(nèi)應(yīng)力。由于是外加負荷撤銷后的殘留作用，也被稱為殘余應(yīng)力。理解和控制殘余應(yīng)力是工程材料研發(fā)及應(yīng)用的先決條件。中子衍射應(yīng)力分析技術(shù)同時面向工程應(yīng)用和基礎(chǔ)研究。該技術(shù)同X射線分析方法類似，均是根據(jù)衍射峰的位移計算應(yīng)變，然后轉(zhuǎn)化為應(yīng)力結(jié)果。對比后者，中子在穿透深度以及區(qū)分相鄰元素等方面具有明顯優(yōu)勢，可滿足整體測試的需求，適合測試大體積形狀不規(guī)則材料或構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力。同時提供可調(diào)的空間分辨，允許對樣品的靈活操作，可監(jiān)視環(huán)境加載條件下內(nèi)應(yīng)力的變化。業(yè)界普遍認為中子衍射分析技術(shù)是目前多晶材料內(nèi)部三維應(yīng)力無損檢測的唯一技術(shù)手段。近年來，隨著工程和材料科學應(yīng)用需求的增加和人們認識的深入，多家中子散射實驗室建立專門的中子衍射應(yīng)力分析譜儀，中子衍射應(yīng)力分析技術(shù)正受到越來越多的關(guān)注。該技術(shù)屬于精密實驗技術(shù)范疇，被測構(gòu)件或樣品的定位至關(guān)重要，如果定位發(fā)生偏差，造成的后果是中子束流入射到樣品表面的區(qū)域?qū)l(fā)生偏移，進而造成實驗結(jié)果不準確。為了克服這一弊端，通常采用三維定位技術(shù)確定中子入射位置。傳統(tǒng)的三維激光/紅外定位技術(shù)需要三個點光源提供基準定位光線，三個點光源的安裝布局對測試樣品周圍空間有一定要求。如果中子衍射應(yīng)力譜儀的起飛角發(fā)生變化，點光源的位置也要做出相應(yīng)的調(diào)整，容易引入額外的誤差。

當前，亟需一種高精度的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置。

本發(fā)明的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置，其特點是，所述的三維定標測量裝置包括三維掃描儀、樣品臺、計算機、入射狹縫、衍射狹縫、準直器和中子探測器；

樣品放置在所述的樣品臺上，中子源發(fā)射的中子射線經(jīng)入射狹縫入射至樣品，衍射后的中子射線沿衍射狹縫入射至準直器后由中子探測器接收，入射狹縫和衍射狹縫呈布拉格角排列；所述的三維掃描儀掃描樣品，并將掃描圖像傳輸至計算機；所述的計算機控制樣品臺移動，改變?nèi)S掃描儀掃描的樣品的測量點位置，通過計算機中的中子衍射應(yīng)力分析模塊實現(xiàn)樣品的中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量。

所述的三維掃描儀包括光柵投影儀，攝像機Ⅰ和攝像機Ⅱ，光柵投影儀發(fā)射光柵束至樣品，通過攝像機Ⅰ和攝像機Ⅱ的互補測量獲得樣品的掃描圖像。

所述的樣品臺為四自由度運動機構(gòu)，通過電機帶動樣品在X、Y、Z方向運動和水平旋轉(zhuǎn)。

所述的三維掃描儀與計算機之間的通訊采用光纖通訊、串口通訊或以太網(wǎng)通訊中的一種。

所述的樣品臺與計算機之間的通訊采用串口通訊或以太網(wǎng)通訊中的一種。

所述的入射狹縫和衍射狹縫窗口尺寸范圍為0mm×0mm至20mm×100mm的矩形窗口。

所述的準直器為徑向準直器或Soller準直器中的一種。

所述的中子探測器的結(jié)構(gòu)為多絲正比室結(jié)構(gòu)或3He管組成的探測器陣列結(jié)構(gòu)中的一種。

所述的中子源為反應(yīng)堆中子源、脈沖堆中子源或散裂中子源中的一種。

本發(fā)明的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置的工作過程如下：首先利用三維掃描儀配合樣品臺的多自由度運動，將放置于樣品臺上的樣品的外觀信息采集到計算機中，獲得掃描圖像，建立樣品的三維模型。然后針對該三維模型進行分網(wǎng)處理，并對每個網(wǎng)格賦予唯一標識。接下來通過手動或自動模式在三維模型上任選一個目標網(wǎng)格，借助安裝在計算機中的運動控制程序控制樣品臺運動，使得入射狹縫對準該目標網(wǎng)格，同時，衍射狹縫、準直器和中子探測器移動到布拉格角的位置，打開中子源的中子束流開關(guān)，發(fā)射出中子射線，開始中子衍射應(yīng)力測量。通過樣品臺的移動，中子衍射應(yīng)力譜儀將對樣品的每一個小型區(qū)域完成應(yīng)力分布探測，整合處理，得到應(yīng)力值。最后，將樣品的三維模型與其測試區(qū)域的應(yīng)力值一一對應(yīng)，實現(xiàn)應(yīng)力分布三維顯示。本發(fā)明的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置的優(yōu)勢在于操作人員不需要掌握圖像處理，光學定位等多個領(lǐng)域的相關(guān)知識，僅需掌握譜儀運行流程即可。本發(fā)明的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置開展的中子衍射應(yīng)力測量實驗的樣品定位精度可達100μm，降低了因人為操作帶來的樣品定位誤差。

三維掃描儀的工作原理是利用光柵投影儀投射編碼的光柵條紋，同步觸發(fā)成一定夾角的攝像機Ⅰ和攝像機Ⅱ工作，采集對應(yīng)的受到被掃描物體表面形貌調(diào)制后的光柵條紋，通過解相得到樣品表面的云數(shù)據(jù)，樣品表面輪廓以坐標的形式呈現(xiàn)。每次通過攝像機Ⅰ和攝像機Ⅱ得到兩個公共視野區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，針對不同視野的數(shù)據(jù)，通常采用兩次測量公共區(qū)域的公共參考點，并將數(shù)據(jù)拼接實現(xiàn)數(shù)據(jù)坐標統(tǒng)一?；诮Y(jié)構(gòu)光圖像的數(shù)據(jù)獲取方式，采集速度快，尤其適合不規(guī)則曲面的數(shù)據(jù)獲取與分析。通過三維掃描儀完成對樣品的圖像采集以后，在電腦中完成三維建模。三維模型置于坐標系中，每個測試點被賦予唯一的坐標。

使用三維掃描儀測量時，對樣品無需借助輔助手段進行費時費力的物理找正。操作者只需將樣品安放的位置和方向通過一定的測量和操作告訴計算機，便可實現(xiàn)快速而精確的數(shù)學找正。通過測量實際基準元素上各個測量點的坐標，計算機對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的數(shù)學處理，就可以確定被測樣品的基準體系。在該基準體系下，再測量實際被測元素上的點，然后進行計算就得到實際的測量結(jié)果。上述的數(shù)學找正，就是建立樣品坐標系的過程。正確的建立樣品坐標系對于保證迅速而準確地進行測量工作至關(guān)重要，否則就可能導致錯誤的測量結(jié)果。

中子衍射應(yīng)力譜儀采用地毯式掃描測試的方式獲得樣品內(nèi)部應(yīng)力分布情況。首先，針對已經(jīng)采集到計算機內(nèi)的樣品的三維模型，利用鼠標在其表面任意選擇一個區(qū)域（假設(shè)平面區(qū)域尺寸為2mm×2mm）作為起始測試區(qū)域，通過控制系統(tǒng)聯(lián)動，中子射線將對準該區(qū)域進行測試。然后，從選定的起始測試區(qū)域開始，控制測試區(qū)域依次沿X/Y/Z方向移動，配合樣品臺的旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)對樣品的全表面掃描。對得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，即將其轉(zhuǎn)化為計算機中的中子衍射應(yīng)力分析模塊可以識別的格式和數(shù)值。經(jīng)過數(shù)據(jù)反演，最終獲得應(yīng)力分布圖像。

本發(fā)明的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置，其核心組件包括一個具有多自由度運動能力的樣品臺和一臺高精度三維掃描儀，二者配合使用，可以實現(xiàn)對樣品的精確三維定標，該三維定標測量裝置對空間要求低，不需要額外安裝基準點光源，避免引入額外的誤差，對測試樣品的定位精度可達100μm。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置中的三維掃描儀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.三維掃描儀 2.樣品臺 3.計算機 4.入射狹縫 5.樣品 6.衍射狹縫 7.準直器 8.中子探測器 9.光柵投影儀 10.攝像機Ⅰ 11.攝像機Ⅱ。

圖中的虛線表示中子射線。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。

如圖1、2所示，本發(fā)明的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置包括三維掃描儀1、樣品臺2、計算機3、入射狹縫4、衍射狹縫6、準直器7和中子探測器8；

樣品5放置在所述的樣品臺2上，中子源發(fā)射的中子射線經(jīng)入射狹縫4入射至樣品5，衍射后的中子射線沿衍射狹縫6入射至準直器7后由中子探測器8接收，入射狹縫4和衍射狹縫6呈布拉格角排列；所述的三維掃描儀1掃描樣品5，并將掃描圖像傳輸至計算機3；所述的計算機3控制樣品臺2移動，改變?nèi)S掃描儀1掃描的樣品5的測量點位置，通過計算機3中的中子衍射應(yīng)力分析模塊實現(xiàn)樣品5的中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量。

所述的三維掃描儀1包括光柵投影儀9，攝像機Ⅰ10和攝像機Ⅱ11，光柵投影儀9發(fā)射光柵束至樣品5，通過攝像機Ⅰ10和攝像機Ⅱ11的互補測量獲得樣品5的掃描圖像。

所述的樣品臺2為四自由度運動機構(gòu)，通過電機帶動樣品5在X、Y、Z方向運動和水平旋轉(zhuǎn)。

所述的三維掃描儀1與計算機3之間的通訊采用光纖通訊、串口通訊或以太網(wǎng)通訊中的一種。

所述的樣品臺2與計算機3之間的通訊采用串口通訊或以太網(wǎng)通訊中的一種。

所述的入射狹縫4和衍射狹縫6窗口尺寸范圍為0mm×0mm至20mm×100mm的矩形窗口。

所述的準直器7為徑向準直器或Soller準直器中的一種。

所述的中子探測器8的結(jié)構(gòu)為多絲正比室結(jié)構(gòu)或3He管組成的探測器陣列結(jié)構(gòu)中的一種。

所述的中子源為反應(yīng)堆中子源、脈沖堆中子源或散裂中子源中的一種。

實施例1

本發(fā)明的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置的工作過程如下：首先利用三維掃描儀配合樣品臺的多自由度運動，將放置于樣品臺上的樣品的外觀信息采集到計算機中，獲得掃描圖像，建立樣品的三維模型。然后針對該三維模型進行分網(wǎng)處理，并對每個網(wǎng)格賦予唯一標識。接下來通過手動或自動模式在三維模型上任選一個目標網(wǎng)格，借助安裝在計算機中的運動控制程序控制樣品臺運動，使得入射狹縫對準該目標網(wǎng)格，同時，衍射狹縫、準直器和中子探測器移動到布拉格角的位置，打開中子源的中子束流開關(guān)，發(fā)射出中子射線，開始中子衍射應(yīng)力測量。通過樣品臺的移動，中子衍射應(yīng)力譜儀將對樣品的每一個小型區(qū)域完成應(yīng)力分布探測，整合處理，得到應(yīng)力值。最后，將樣品的三維模型與其測試區(qū)域的應(yīng)力值一一對應(yīng)，實現(xiàn)應(yīng)力分布三維顯示。本發(fā)明的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置的優(yōu)勢在于操作人員不需要掌握圖像處理，光學定位等多個領(lǐng)域的相關(guān)知識，僅需掌握譜儀運行流程即可。本發(fā)明的用于中子衍射應(yīng)力分析的三維定標測量裝置開展的中子衍射應(yīng)力測量實驗的樣品定位精度可達100μm，降低了因人為操作帶來的樣品定位誤差。

三個實施例，三個樣品，三個矩形最小到最大20*100，搭配不同的設(shè)備和設(shè)備結(jié)構(gòu)，得出100μm以內(nèi)的三個精度。

不關(guān)系精度的選擇，直接在后面寫成“還可以采用串口通訊或以太網(wǎng)通訊”。

實施例2

本實施例與實施例1的實施方式基本相同，主要區(qū)別在于，樣品2，矩形2，不同的設(shè)備和設(shè)備結(jié)構(gòu)，得出100μm以內(nèi)的精度2。

實施例3

本實施例與實施例1的實施方式基本相同，主要區(qū)別在于，樣品2，矩形2，不同的設(shè)備和設(shè)備結(jié)構(gòu)，得出100μm以內(nèi)的精度2。