專利名稱：：智能干涉云紋儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于實(shí)際工程材料和構(gòu)件強(qiáng)度測(cè)試及監(jiān)控儀器。現(xiàn)有的云紋干涉法測(cè)試技術(shù)，使用氦氖激光時(shí)，柵頻為200～3000線/毫米。可用于工程材料和構(gòu)件的非接觸式全場(chǎng)位移、應(yīng)變的測(cè)試，但由于如下的原因，基本上限于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。1.它是用散裝的光學(xué)、機(jī)械零部件在工作時(shí)臨時(shí)布置、調(diào)整成所需光路，用人工方法反復(fù)調(diào)整達(dá)到所需柵頻。占據(jù)面積大，費(fèi)時(shí)間，要求專門知識(shí)和技能。2.必須在暗室進(jìn)行。3.必須在設(shè)有防震系統(tǒng)的工作臺(tái)上進(jìn)行。4.獲得反映測(cè)試結(jié)果的云紋圖像后，必須通過照像或攝像機(jī)采集，經(jīng)洗相或計(jì)算機(jī)屏幕再現(xiàn)后，用人工或計(jì)算機(jī)通過灰度掃描方法提取位移分布數(shù)據(jù)。前者費(fèi)時(shí)費(fèi)力，后者在噪聲干擾較多時(shí)誤差較大。因此長(zhǎng)期以來，工程材料和構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試只能使用電測(cè)儀器。高靈敏度的云紋干涉法難于在工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。而電測(cè)方法為點(diǎn)測(cè)法，要求按應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律正確地布點(diǎn)。而應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律往往又是企望通過測(cè)試得到的結(jié)果，這一矛盾有可能造成危險(xiǎn)點(diǎn)的漏檢，導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。美國(guó)IBM公司94年推出了手提式工程云紋干涉儀(PortableEngneeringmoireinterferometer即PEMI)并宣稱為獨(dú)家產(chǎn)品。它的測(cè)試靈敏度只有2400線/毫米(即417nm/條紋)一種，且不可調(diào)。因此只能使用1200線/毫米試件柵，測(cè)試距離小于150毫米。此儀器由主體部分(光柵形成系統(tǒng))與接收系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、光源系統(tǒng)四部分組合而成。使用時(shí)重新組合和調(diào)整，初始狀態(tài)亦需人工調(diào)節(jié)，要求專門技術(shù)人員才能使用。鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是提供一種光、機(jī)、電一體化能方便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的智能干涉云紋儀。這種干涉儀可適用于不同測(cè)試靈敏度和不同測(cè)試距離，并且有處理和判斷功能。它可在不避光的情況下工作，不需要專用防震臺(tái)，其測(cè)試基準(zhǔn)光柵頻率為500線/毫米～3000線/毫米，至測(cè)試對(duì)象距離可達(dá)1100毫米。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作原理如附圖所示。(本圖并作為說明書摘要附圖)智能干涉云紋儀具有激光器(1)，擴(kuò)束鏡(2)，準(zhǔn)直鏡(3)，主分光鏡(4)，副分光鏡(5)，反射鏡組(6)、(7)，攝像機(jī)(9)，監(jiān)視器(10)，電路板(11)，步進(jìn)電機(jī)(12)，及錄相機(jī)(13)，微機(jī)(14)等。將上述部件除錄相機(jī)(13)微機(jī)(14)外，組裝在一個(gè)封閉的多層框架(15即附圖中點(diǎn)劃線的部分)內(nèi)。它可以阻止散射光的進(jìn)入。激光器(1)發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡(2)和準(zhǔn)直鏡(3)成為準(zhǔn)直光。又經(jīng)主分光鏡(4)分為透射和反射光兩束，每一束又經(jīng)一對(duì)副分光鏡(5)各分為兩束。由反射鏡組(6)、(7)出射的兩組準(zhǔn)直光束射向預(yù)制有正交柵的測(cè)試對(duì)象(8)，形成反映水平和鉛垂方向兩維位移的等位移線——二組云紋圖。兩組云紋圖象由二維光柵的±1階衍射束相干涉形成并射向攝象系統(tǒng)，即進(jìn)入框架(15)。該衍射束的干涉圖象經(jīng)屏幕或直接被攝象機(jī)(9)攝入，可在監(jiān)視器(10)實(shí)時(shí)顯示或微機(jī)(14)進(jìn)行處理，或由錄相機(jī)(13)錄下其全過程待用。在反射鏡組(6)、(7)中各設(shè)置了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)(12)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)和俯仰機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)柵頻由微機(jī)(14)控制的小步距大范圍調(diào)節(jié)，以及初始云紋和載波云紋的調(diào)節(jié)。即其尚可調(diào)節(jié)初始狀態(tài)接近零場(chǎng)，或者施加載波條紋，并實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試對(duì)象距離的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)工程測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的不同要求。多層框架(15)可分為三層，這種分層結(jié)構(gòu)既是功能的需要，也是為了減小體積?？赊D(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡組(6)設(shè)置在同一平面即中層上，其中心與測(cè)試對(duì)象中心同高。而形成水平方向光柵的反射鏡組(7)設(shè)置在上、下層，其中心位于儀器縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，各反射鏡中心至測(cè)試對(duì)象(8)的中心距離相同。而且4個(gè)反射鏡中心在同一橫斷面內(nèi)，與儀器縱向?qū)ΨQ面對(duì)稱分布。由于形成虛光柵的兩光束是由同一激光器(1)和擴(kuò)束鏡(2)準(zhǔn)直鏡(3)等射向測(cè)試對(duì)象的，其振源基本相同。因此環(huán)境或機(jī)體振動(dòng)對(duì)云紋圖的影響較不敏感。本發(fā)明所采用的攝像機(jī)要求每秒鐘能拍攝20—50幀以上圖象，并要求有仝樣快速的凍結(jié)速度，使≤50次/秒環(huán)境振動(dòng)下的云紋圖，仍能清晰成象，從而實(shí)現(xiàn)了低頻振動(dòng)環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，而不需專用的防震臺(tái)。在攝像機(jī)(9)的下部裝有升降和左右移動(dòng)機(jī)構(gòu)(16)。由于這一系統(tǒng)安裝在封閉的框架(機(jī)體)內(nèi)，漫反射的環(huán)境光照大部分被遮擋不能進(jìn)入，而且在激光束聚焦的焦點(diǎn)處經(jīng)小孔才能進(jìn)入成象系統(tǒng)，進(jìn)一步限制了剩余雜散光束的射入。成功地實(shí)現(xiàn)了在正常光照(照度允許達(dá)150勒克斯，即200W電燈照明以上)環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，完全可以脫離暗室。攝像機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)(16)的運(yùn)動(dòng)及攝像機(jī)的光圈、焦距，拍攝距離均由微機(jī)(14)或按鍵控制。它可以對(duì)云紋圖象全景采集，不同位置的局部放大攝像，進(jìn)一步保證了條紋圖的清晰度和測(cè)試精度。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，微機(jī)(14)內(nèi)裝有步進(jìn)系統(tǒng)的專用線路卡和圖象處理卡及配套使用的軟件包。步進(jìn)系統(tǒng)的傳動(dòng)采用了普通的精密螺紋或蝸輪方式，驅(qū)動(dòng)線路板(11)是裝在封閉框架(15)內(nèi)，在微機(jī)中裝有步進(jìn)系統(tǒng)的專用線路卡與之相連，專用線路卡是微機(jī)(14)發(fā)出不同指令時(shí)接通指定接口的集成電路板。圖象處理卡為512×512×8bit以上的圖象卡。配套使用的軟件包可凍結(jié)并存儲(chǔ)圖象在硬盤，隨時(shí)由微機(jī)(14)進(jìn)行保持邊緣濾波，錐形濾波，黑、白條紋邊緣檢測(cè)，條紋二值化、細(xì)化等預(yù)處理，從所采集的圖象中提取位移，應(yīng)變、應(yīng)力或應(yīng)力強(qiáng)度因子等物理量，確定其分布規(guī)律，并將結(jié)果與設(shè)定的臨界值相比較，在到達(dá)臨界值時(shí)發(fā)出警報(bào)或執(zhí)行預(yù)定措施命令。本發(fā)明利用激光束直線傳播特性，通過設(shè)置直線通道和小光圈接收辦法，將全部光機(jī)零部件組合封閉在一起，實(shí)現(xiàn)正常光照下的測(cè)試。實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)達(dá)Φ100毫米直徑圓面積的二維位移場(chǎng)的全場(chǎng)測(cè)試。由于在反射鏡組上安裝了由微機(jī)或按鍵控制的步進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)光柵和載波條紋等自動(dòng)、半自動(dòng)調(diào)節(jié)，步距達(dá)每步0.0042°即每步15″，每步改變柵頻數(shù)小于3線/毫米，僅為柵線頻率的0.6％(500線/毫米時(shí))～0.1％(3000線/毫米時(shí))。全部光、機(jī)、電系統(tǒng)包括監(jiān)視器(10)在內(nèi)，整個(gè)儀器主體部份體積為0.5×0.6×0.8M3，是通常同類試驗(yàn)裝置的1/6左右。還帶行走輪，水平360°旋轉(zhuǎn)，俯仰±30°旋轉(zhuǎn)，液壓升降調(diào)節(jié)及鎖緊裝置，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)及使用。本儀器不僅可在教學(xué)、科研單位應(yīng)用于全場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變分析等教學(xué)，科研工作中，而且可廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程材料，工程構(gòu)件，包括各向異性的固體生物材料，復(fù)合材料等復(fù)雜的或新興材料，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)度測(cè)試，或危險(xiǎn)部位的監(jiān)控中得到應(yīng)用；還可以在高溫、高壓的石油管道的監(jiān)控系統(tǒng)、某些復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)和無(wú)損評(píng)估中應(yīng)用；如果采用脈沖激光器和高速攝象裝置，還可以應(yīng)用于動(dòng)態(tài)和沖擊測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試。權(quán)利要求1.智能干涉云紋儀，具有激光器(1)，擴(kuò)束鏡(2)，準(zhǔn)直鏡(3)，主分光鏡(4)，副分光鏡(5)，反射鏡組(6)、(7)、攝像機(jī)(9)，監(jiān)視器(10)，驅(qū)動(dòng)線路板(11)，步進(jìn)電機(jī)(12)及錄相機(jī)(13)微機(jī)(14)等，其特征是將上述部件除錄相機(jī)(13)微機(jī)(14)外，組裝在一個(gè)封閉的多層框架(15)內(nèi)，由反射鏡組(6)、(7)出射的兩組準(zhǔn)直光束射向預(yù)制有正交柵的測(cè)試對(duì)象(8)，其±1階衍射束進(jìn)入框架(15)，該衍射束的干涉圖象經(jīng)屏幕或直接被攝象機(jī)(9)攝入，可在監(jiān)視器(10)實(shí)時(shí)顯示或?yàn)殇浵駲C(jī)(13)錄入，在反射鏡(6)、(7)中各設(shè)置了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)(12)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)和俯仰機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)柵頻由微機(jī)(14)控制的小步距大范圍調(diào)節(jié)及初始云紋和載波云紋的調(diào)節(jié)。2.按照權(quán)利要求1所述的智能干涉云紋儀，其特征是所述的多層框架(15)可分為三層，可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡組(6)設(shè)置在同一平面(中層)，其中心與測(cè)試對(duì)象中心同高，可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡組(7)設(shè)置在上、下層，其中心位于儀器縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，各反射鏡中心至測(cè)試對(duì)象(8)的中心距離是相同的，而且4個(gè)反射鏡中心在同一橫斷面內(nèi)，與儀器縱向?qū)ΨQ面成對(duì)稱分布。3.按照權(quán)利要求1所述的智能干涉云紋儀，其特征是所述的攝像機(jī)(9)每秒種能拍攝20—50幀以上圖象，在攝像機(jī)(9)的下部裝有升降和左右移動(dòng)機(jī)構(gòu)(16)，此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及攝像機(jī)的光圈、焦距、拍攝距離均由微機(jī)(14)或按鍵控制。4.按照權(quán)利要求1所述的智能干涉云紋儀，其特征是所述的微機(jī)(14)內(nèi)裝有步進(jìn)系統(tǒng)的專用線路卡，和圖象處理卡及配套使用的軟件包，除執(zhí)行控制外，當(dāng)位移，應(yīng)變等物理量達(dá)臨界值時(shí)可發(fā)出警報(bào)或執(zhí)行預(yù)定措施命令。全文摘要本發(fā)明屬工程材料、構(gòu)件強(qiáng)度測(cè)試及監(jiān)控儀器，包括激光器1擴(kuò)束鏡2準(zhǔn)直鏡3，主分光鏡4副分光鏡5，反射鏡組6、7，攝象機(jī)9，監(jiān)視器10，線路板11，步進(jìn)電機(jī)12，錄相機(jī)13和微機(jī)14，移動(dòng)和升降9機(jī)構(gòu)16。除13、14外，組合在封閉的框架15內(nèi)，由微機(jī)驅(qū)動(dòng)6、7，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)柵頻的小步距，大范圍調(diào)節(jié)及初始云紋和載波云紋的調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同距離的調(diào)試。微機(jī)內(nèi)裝有步進(jìn)線路卡，圖象處理卡和配套軟件，可執(zhí)行控制、處理、判斷功能。文檔編號(hào)G01B11/02GK1114746SQ9411874公開日1996年1月10日申請(qǐng)日期1994年12月1日優(yōu)先權(quán)日1994年12月1日發(fā)明者羅至善,吉貴軍,張紹義,胡小唐申請(qǐng)人:天津大學(xué)