一種用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括：加載單元，包括用于固定試樣材料的夾具模塊及用于對(duì)試樣材料施加定量載荷的載荷控制器；光學(xué)單元，包括顯微鏡、置于顯微鏡觀測(cè)區(qū)域并與顯微鏡工作空間相適應(yīng)的顯微光彈性儀；用于實(shí)現(xiàn)顯微光彈性光路以獲得放大的試樣微區(qū)等差線和等傾線條紋；圖像采集單元，用于采集顯微鏡放大的微區(qū)干涉條紋圖像信號(hào)實(shí)時(shí)顯示，獲得試樣全場(chǎng)的微區(qū)偏振光場(chǎng)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了顯微光彈性光路，可在顯微鏡較短工作距離內(nèi)獲得試樣微區(qū)等差線及等傾線條紋，并由圖像采集單元在加載的同時(shí)進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)采集，獲得全場(chǎng)的微區(qū)偏振光場(chǎng)，可有效地應(yīng)用于研究材料微區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和演化。
【專利說明】
一種用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光彈性實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光彈性法是一種將光學(xué)和力學(xué)相結(jié)合進(jìn)行應(yīng)力分析的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，它是解決復(fù)雜二維和三維工程結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的有效實(shí)驗(yàn)方法。其利用了透明材料的人工雙折射特性，將飛行器、船舶、橋梁、水壩等大型結(jié)構(gòu)或金剛砂、動(dòng)物骨塊、微電子器件等微小結(jié)構(gòu)經(jīng)過比例縮放做成晶體模型，然后測(cè)得模型應(yīng)力，再由相似關(guān)系換算成實(shí)物的應(yīng)力。
[0003]光彈性法可測(cè)量其他方法難以解決的應(yīng)力集中及內(nèi)部應(yīng)力問題，并具有全場(chǎng)顯示與分析、直觀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。材料的破壞是由于材料微區(qū)損傷的不斷演化和發(fā)展造成的，隨著人們對(duì)材料結(jié)構(gòu)要求的不斷提高，觀測(cè)分析材料微區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移變化越來越得到科研工作者的重視。
[0004]近些年來，相關(guān)學(xué)者在細(xì)觀實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法方面做了很多研究，但是針對(duì)材料微區(qū)應(yīng)力情況的研究涉及較少，由于受實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或裝置的限制，導(dǎo)致難以進(jìn)行深入分析。
[0005]因此，需要發(fā)明一種針對(duì)材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)上述的材料微區(qū)應(yīng)力情況的方面的深入研究，很有必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是要提供一種用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力雙折射材料的微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試。
[0007]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括:
[0008]加載單元，包括用于固定試樣材料的夾具模塊，以及用于對(duì)試樣材料施加定量載荷的載荷控制器；
[0009]光學(xué)單元，用于實(shí)現(xiàn)顯微光彈性光路以獲得放大的試樣微區(qū)等差線和等傾線條紋，包括顯微鏡、置于顯微鏡觀測(cè)區(qū)域并與顯微鏡工作空間相適應(yīng)的顯微光彈性儀;所述顯微光彈性儀包括自下而上沿光路布置的可水平旋轉(zhuǎn)的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件包括可移出或移入光路的一個(gè)起偏鏡、兩個(gè)1/4波片、一個(gè)檢偏鏡；
[0010]圖像采集單元，用于采集所述顯微鏡放大的微區(qū)干涉條紋圖像信號(hào)實(shí)時(shí)顯示，獲得試樣全場(chǎng)的微區(qū)偏振光場(chǎng)。
[0011]所述夾具模塊包括夾具以及夾具電機(jī)。
[0012]所述圖像采集單元包括連接所述顯微鏡的目鏡的CCD照相機(jī)、與所述CCD照相機(jī)的信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡以及連接所述數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī);所述計(jì)算機(jī)內(nèi)置有圖像處理模塊。
[0013]所述起偏鏡、1/4波片以及檢偏鏡安裝于顯微光彈性儀支架上，所述顯微光彈性儀支架設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的承載臺(tái)，用于對(duì)承載所述起偏鏡、1/4波片以及檢偏鏡的光學(xué)元件承載工具進(jìn)彳丁承載。
[0014]所述用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括有透射平行光源，用于為所述光學(xué)單元提供實(shí)驗(yàn)所需平行光。
[0015]本發(fā)明光學(xué)單元通過顯微光彈性儀與顯微鏡組合在一起，實(shí)現(xiàn)顯微光彈性光路，可迅速的測(cè)得試樣材料微區(qū)的全場(chǎng)應(yīng)力情況，并可以通過載荷控制器控制載荷加載大小以得到不同載荷下的應(yīng)力分布，且在載荷加載的同時(shí)進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)采集，可以有效的應(yīng)用于研究材料微區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和演化。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明提供的用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0017]圖2為本發(fā)明提供的用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框架示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明提供的用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光路示意圖；
[0019]圖中:加載單元1、光學(xué)單元2、圖像采集單元3、顯微光彈性儀支架4、顯微鏡5、夾具
6、載荷控制器7、CXD照相機(jī)8、采集卡與計(jì)算機(jī)9、目鏡10、平行光源11、起偏鏡12、1/4波片
13、檢偏鏡14。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面，結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明并不局限于所列的實(shí)施例。
[0021]參見圖1-3所示，一種用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括:
[0022]加載單元I，包括用于固定試樣材料的夾具模塊，以及用于對(duì)試樣材料施加定量載荷的載荷控制器7;
[0023]光學(xué)單元2，用于實(shí)現(xiàn)顯微光彈性光路以獲得置于顯微光彈性光路上的放大的試樣微區(qū)等差線和等傾線條紋，包括顯微鏡5、置于顯微鏡觀測(cè)區(qū)域并與顯微鏡工作空間相適應(yīng)的以實(shí)現(xiàn)顯微光彈性光路的顯微光彈性儀;所述顯微光彈性儀包括自下而上沿光路布置的可水平任意旋轉(zhuǎn)的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件包括可移出或移入光路的一個(gè)起偏鏡12、兩個(gè)1/4波片13、一個(gè)檢偏鏡14;
[0024]圖像采集單元3，可在加載單元對(duì)試樣材料進(jìn)行加載一定的載荷的同時(shí)，采集所述顯微鏡放大的試樣微區(qū)干涉條紋圖像信號(hào)實(shí)時(shí)顯示，獲得試樣全場(chǎng)的微區(qū)偏振光場(chǎng)。
[0025]由于試樣材料一光彈性材料內(nèi)部在載荷作用下會(huì)變成各向異性，產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。在偏振光場(chǎng)中，可看到觀測(cè)模型上產(chǎn)生的干涉條紋圖，通過本系統(tǒng)來測(cè)量計(jì)算這些干涉條紋就可以確定試樣材料在受載情況下的應(yīng)力狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)試。
[0026]需要說明的是，本發(fā)明中，所述試樣材料可以是應(yīng)力雙折射材料，由夾具模塊夾緊后置于顯微光彈性儀的光路上(兩個(gè)1/4波片13之間)，并連接載荷控制器7，實(shí)驗(yàn)時(shí)可由載荷控制器7對(duì)應(yīng)力雙折射材料施加一定量的載荷量，就可以通過圖像采集單元采集干涉條紋，以研究不同載荷下試樣材料微區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)變化情況。
[0027]本發(fā)明的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些各向同性的非晶體材料進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試，當(dāng)各向同性的非晶體材料的試樣材料受到載荷作用而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出光學(xué)各向異性，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，有內(nèi)部微缺陷的材料同理，通過顯微鏡5將微區(qū)顯微放大，利用相連的圖像采集單元3獲得微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)，特別是可以得到全場(chǎng)的微區(qū)偏振光場(chǎng)。
[0028]需要說明的是，在使用本發(fā)明系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)將所述1/4波片13移出光路，即可調(diào)整獲得平面偏振光場(chǎng)，將1/4波片13移入光路，即可調(diào)整獲得平面圓偏振光場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)顯微光彈性光路，既可獲得微區(qū)平面偏振光場(chǎng)，又可獲得微區(qū)圓偏振光場(chǎng)，這樣通過該顯微光彈性光路可以實(shí)現(xiàn)微觀應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力方向以及主應(yīng)力差的大小測(cè)試。
[0029]本發(fā)明光學(xué)單元通過將顯微光彈性儀與顯微鏡組合設(shè)計(jì)在一起，實(shí)現(xiàn)了顯微光彈性光路，可迅速的測(cè)得試樣材料微區(qū)的全場(chǎng)應(yīng)力情況，并可以通過載荷控制器控制載荷加載大小以得到不同載荷下的應(yīng)力分布，且在載荷加載的同時(shí)進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)采集，可以有效地應(yīng)用于研究材料微區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和演化。
[0030]本發(fā)明中，所述的加載單元可以采用可進(jìn)行微拉伸的加載試驗(yàn)機(jī)，其中，所述的加載單元的夾具模塊具體與顯微鏡5的載物臺(tái)S相關(guān)聯(lián)，這樣可將需觀測(cè)的區(qū)域調(diào)整到顯微鏡的視場(chǎng)范圍之內(nèi)。
[0031]所述加載單元通過對(duì)施加載荷的大小進(jìn)行定量控制，可獲取不同載荷下試樣的微區(qū)干涉條紋(即微區(qū)等差線和等傾線條紋)圖像，從而獲取不同載荷條件下的試樣微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)情況。
[0032]具體實(shí)現(xiàn)上，本發(fā)明中，所述夾具模塊包括夾具6以及夾具電機(jī)，夾具用于夾緊試樣材料，夾具電機(jī)用于控制夾具進(jìn)行夾緊或松開。
[0033]具體實(shí)現(xiàn)上，本發(fā)明中，所述圖像采集單元可以是包括連接所述顯微鏡5的目鏡10的CCD照相機(jī)8、與所述CCD照相機(jī)8的信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡以及連接所述數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī);所述計(jì)算機(jī)內(nèi)置有圖像處理模塊并連接顯示屏。
[0034]具體的，所述CCD相機(jī)8直接與顯微鏡5的目鏡10相連，獲取被放大的微區(qū)干涉條紋圖像信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)。所述計(jì)算機(jī)中內(nèi)有嵌有圖像處理軟件，可實(shí)時(shí)顯示或捕捉圖像。
[0035]在實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將實(shí)驗(yàn)用試樣材料固定在夾具上，調(diào)整顯微光彈性儀，在顯微鏡5下找到待測(cè)試區(qū)域，利用CCD相機(jī)8獲取穩(wěn)定的微區(qū)圖像送入采集卡與計(jì)算機(jī)9中，然后開始對(duì)試樣進(jìn)行加載一定的載荷，同時(shí)對(duì)試樣微區(qū)的干涉條紋圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。根據(jù)光彈性法，可以簡(jiǎn)單的調(diào)整各個(gè)光學(xué)元件，從而獲取試樣微區(qū)不同的偏振光場(chǎng)。
[0036]這樣，通過所述CCD照相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)采集顯微鏡輸出的放大的試樣微區(qū)等差線和等傾線條紋，然后通過連接計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)，并由計(jì)算機(jī)連接的顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，從而獲得試樣全場(chǎng)的微區(qū)偏振光場(chǎng)。
[0037]具體實(shí)現(xiàn)上，所述計(jì)算機(jī)可以是筆記本電腦或臺(tái)式電腦等，內(nèi)置有專用的圖像處理程序或軟件工具。
[0038]為了實(shí)現(xiàn)所述的光學(xué)元件的方便拆裝或件任意角度的旋轉(zhuǎn)控制，本發(fā)明中，具體的，所述起偏鏡、1/4波片以及檢偏鏡安裝于顯微光彈性儀支架4上，所述顯微光彈性儀支架4設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的承載臺(tái)，用于對(duì)承載所述起偏鏡、1/4波片以及檢偏鏡的光學(xué)元件承載工具進(jìn)行承載，從而實(shí)現(xiàn)由顯微光彈性儀支架支撐1/4波片13與偏振片，同時(shí)滿足1/4波片13與偏振片的移出光路功能，實(shí)現(xiàn)了顯微光彈性光路，且方便拆裝光學(xué)元件，方便操作。
[0039]其中，所述顯微光彈性儀支架及光學(xué)元件的尺寸大小，根據(jù)顯微鏡的工作空間大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，可置于所述顯微鏡的工作空間中，并能使顯微鏡可以在較短的工作距離內(nèi)獲得試樣微區(qū)等差線和等傾線條紋。
[0040]使用時(shí)，將光學(xué)元件放置在所設(shè)計(jì)的顯微光彈性儀支架4上的可旋轉(zhuǎn)的承載臺(tái)，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)顯微光彈性光路，然后調(diào)整顯微鏡找到需要的視場(chǎng)區(qū)域，最后通過與顯微鏡的目鏡10相連的CCD照相機(jī)8，獲取試樣微區(qū)等差線及等傾線條紋，并顯示和存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。
[0041]本發(fā)明所述的光學(xué)單元利用所述的顯微光彈性儀支架很好的實(shí)現(xiàn)偏振片和1/4波片的移入和移出，實(shí)現(xiàn)顯微光彈性光路，可使顯微鏡在較短的工作距離內(nèi)獲得試樣微區(qū)等差線和等傾線條紋。
[0042]需要說明的是，本發(fā)明中，為了試驗(yàn)需要，所述用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還包括有透射平行光源11，用于為所述光學(xué)單元提供實(shí)驗(yàn)所需平行光。
[0043]所述的透射平行光源11優(yōu)選的置于所述顯微鏡的工作空間中，并置于所述顯微光彈性儀的下方，實(shí)現(xiàn)自起偏鏡12側(cè)提供實(shí)驗(yàn)所需平行光。
[0044]以上分析，可以看出，本發(fā)明通過將顯微光彈性儀與加載單元、顯微鏡、CXD相機(jī)、采集卡與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)顯微光彈性光路，在顯微鏡較短的工作距離內(nèi)獲得試樣微區(qū)等差線及等傾線條紋，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力雙折射材料的微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試，可以為應(yīng)力雙折射材料的微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試深入研究提供一種有效的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或裝置。
[0045]應(yīng)當(dāng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不限制本發(fā)明，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，可以根據(jù)上述說明加以增減、替換、變換或改進(jìn)，而所有這些增減、替換、變換或改進(jìn)后的技術(shù)方案，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括: 加載單元，包括用于固定試樣材料的夾具模塊，以及用于對(duì)試樣材料施加定量載荷的載荷控制器； 光學(xué)單元，用于實(shí)現(xiàn)顯微光彈性光路以獲得放大的試樣微區(qū)等差線和等傾線條紋，包括顯微鏡、置于顯微鏡觀測(cè)區(qū)域并與顯微鏡工作空間相適應(yīng)的顯微光彈性儀;所述顯微光彈性儀包括自下而上沿光路布置的可水平旋轉(zhuǎn)的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件包括可移出或移入光路的一個(gè)起偏鏡、兩個(gè)I/4波片、一個(gè)檢偏鏡； 圖像采集單元，用于采集所述顯微鏡放大的微區(qū)干涉條紋圖像信號(hào)實(shí)時(shí)顯示，獲得試樣全場(chǎng)的微區(qū)偏振光場(chǎng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述夾具模塊包括夾具以及夾具電機(jī)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像采集單元包括連接所述顯微鏡的目鏡的CCD照相機(jī)、與所述CCD照相機(jī)的信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡以及連接所述數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī);所述計(jì)算機(jī)內(nèi)置有圖像處理模塊。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述起偏鏡、1/4波片以及檢偏鏡安裝于顯微光彈性儀支架上，所述顯微光彈性儀支架設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的承載臺(tái)，用于對(duì)承載所述起偏鏡、1/4波片以及檢偏鏡的光學(xué)元件承載工具進(jìn)行承載。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述用于材料微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試的顯微光彈性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，還包括有透射平行光源，用于為所述光學(xué)單元提供實(shí)驗(yàn)所需平行光。
【文檔編號(hào)】G01N3/02GK105928775SQ201610240962
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月18日
【發(fā)明人】王懷文, 王榮, 沈廉程, 楊璐, 黃群
【申請(qǐng)人】天津商業(yè)大學(xué)