专利名称：多功能三维位移激光干涉测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种构件变形和位移测试的三维位移激光干涉测量系统，属于光测力学、工程材料、构件变形和位移测试技术领域。
背景技术：
目前现有技术中应用的位移激光干涉测量系统多属于在实验台上临时搭建的散装结构，无法适用于现场构件变形测量。针对这种情况，国内外已推出一些便携式商用激光干涉测量系统，包括云纹干涉仪和散斑干涉仪。比较著名的云纹干涉仪有Photomechanics Co.的二维云纹干涉仪和天津大学的智能云纹干涉仪(中国专利申请94118741.1)，两者在测量原理上没有本质的区别，均采用了D.Post和B.Han在他们的著作《High SensitivityMoiré》(SPRINGER-VERLAG，1994)中阐述的双光束和四光束光路，可以实现u，v两个位移场的测量，其中智能干涉云纹仪的主要技术特征是在光路中的反射镜上配置两个步进电机，实现了栅频由微机控制的小步距、大范围调节及初始云纹和载波云纹的自动调节。著名的散斑干涉仪包括中国科技大学研制的电子散斑干涉仪和西安交通大学研制的多功能数字散斑干涉仪等。这几种干涉仪均配有摄像机和图像卡，采集到的图像由计算机进行数据处理。但前两种装置仅适用于云纹干涉法且只能实现面内u，v两个位移场的测量，后两者只适用于散斑干涉法，它们都无法实现同时测量u，v，w三维位移场，更无法实现云纹干涉法和电子散斑干涉法两种模式对位移的测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能三维位移激光干涉测量系统，既可实现物体表面三维位移场(面内位移u，v和离面位移w)的实时测量，同时又可实现云纹干涉和电子散斑干涉两种位移测量模式，使用方便，且灵敏度高，结构紧凑。
本发明的技术方案如下一种多功能三位移激光干涉测量系统，含有激光器，图像采集摄像系统以及放置试件的加载架，其特征在于该系统还包括分光耦合器和三维干涉光路系统，所述的分光耦合器含有将激光器发出的光分为三路的两个分光镜和三个开关控制器，其中测量u场位移的光路依次通过其中一个分光镜、u场开关控制器和u场光纤分束器后，分两路分别进入三维干涉光路系统中的两个激光耦合器和两个准直镜准直，经准直后再分别经反射镜反射后入射到试件表面；测量v场位移的光路依次通过另一个分光镜、v场开关控制器和v场光纤分束器后，分两路分别进入三维干涉光路系统中的另外两个激光耦合器，分别经两个反射镜和两个准直镜后，再分别经反射镜反射入射到试件表面；测量w场位移的光路依次通过w场开关控制器和w场光纤耦合器入射到三维干涉光路系统中的另一个准直镜后，经一分光棱镜后分为两束光，其中一束光直接透过该分光棱镜入射到一反射镜上，反射后再经该分光棱镜到达图像采集摄像系统，另一光束经该分光棱镜反射后到达试件，经试件表面的光栅反射后穿过分光棱镜到达图像采集摄像系统。
本发明的技术方案中，其特征在于在所述的测量u场位移的光路中，u场开关控制器和u场光纤分束器之间设有u场光纤耦合器；在所述的测量v场位移的光路中，v场开关控制器和v场光纤分束器之间设有v场光纤耦合器；在所述的测量w场位移的光路中，w场开关控制器和w场光纤耦合器之间设有w场光纤耦合器。
本发明的技术特征还在于在所述的测量u场位移的光路中的两个反射镜中的其中一个反射镜的后面设有u场压电陶瓷相移器；在所述的测量v场位移的光路中的所述两个反射镜中的其中一个反射镜的后面设有v场压电陶瓷相移器；在所述的测量w场位移的光路中的所述反射镜的后面设有w场压电陶瓷相移器。
在本发明所述的分光耦合器中，所述的分光镜、光纤耦合器以及开关控制器均被封装在一个暗盒子中，并在该盒子的激光束的入射口设有滤波孔。所述的三维干涉光路系统中所述的激光耦合器、反射镜、准直透镜以及分光棱镜均被封装在一个暗箱内。
本发明所述的加载架采用六维调节载荷架，它由加载架、升降平移台、精密平移台、面内旋转台、俯仰台以及垂直面内旋转台六部分组成；所述的垂直面内旋转台由螺钉固定在俯仰台上；精密平移台通过滚珠钢丝无间隙导轨连接在垂直面内旋转台上，升降平移台借助于燕尾槽导轨与精密平移台相连，面内旋转台通过滑块机构和齿轮齿条锁紧机构与升降平移台相连，加载架由螺钉固定在面内旋转台上；所述的试件上端连有直线运动的螺杆，下端连接力传感器。
本发明中所述的激光器、分光耦合器、三维干涉光路系统、图像采集摄像系统、六维调节载荷架全部安装在一个工作台上；所述的三维干涉光路系统通过三个升降支座固定在工作台上，所述的激光器和分光耦合器位于三维干涉光路系统的同一侧；六维调节载荷架与图像采集摄像系统分别通过工作台上的燕尾槽导轨安装在三维干涉光路系统的左右两侧。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果该测量系统可以实现u、v、w三个位移场的高精度实时位移测量，位移测量灵敏度可达波长量级，而且可以分别实现云纹干涉和电子散斑干涉两种位移测量模式。本发明使用方便，结构紧凑，采用六维调节载荷架能实现六个自由度(沿x，y，z轴的三个平动和转动)的调节。三个平动精度达0.1毫米，转动精度达10’，使得本系统可同时实现拉压、三点弯曲加载实验。可应用光栅频率范围为500线/毫米-3000线/毫米，并具有以下性能参数位移测量灵敏度面内u & v场为0.417μm 离面w场为0.316μm；测试区域 4～50mm；
放大倍数0.5X～100X条纹分辨率 100条/mm测量应变范围10με～10％ε
图1为本发明的测量光路系统示意图(含测量v场位移光路)。
图2为本发明测量u场位移光路示意图。
图3为本发明测量w场位移光路示意图。
图4为本发明的六维调节载荷架的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式如图1所示，本发明所述的多功能三维位移激光干涉测量系统主要由激光器1、可控制分光以形成三个位移场的分光耦合器2、三维干涉光路系统3、图像采集摄像系统4、六维调节载荷架5组成，全部安装在一个工作台面上。三维干涉光路系统3被集成在暗箱内，通过三个升降支座固定在工作台面上，使系统小型化。激光器1和分光耦合器2被紧固螺钉固定在工作台上，位于三维干涉光路系统3的同一侧。六维调节载荷架5与图像采集摄像系统4分别安装在三维干涉光路系统的前后两侧，它们都可以在工作台上的燕尾槽导轨上直线滑动，变换前后方位。
本发明所述的分光耦合器2含有将激光器1发出的光分为三路的两个分光镜7、8和开关控制器15、16、17，其中测量u场位移的光路依次通过分光镜7、开关控制器15、光纤分束器14后，分两路分别进入三维干涉光路系统3中的激光耦合器41和42，经准直镜26和27准直，并经反射镜44和45反射后入射到试件40表面；测量v场位移的光路依次通过分光镜8、开关控制器16和光纤分束器13后分别进入三维干涉光路系统3中的激光耦合器18和19，经反射镜20、21和准直镜22、23准直后再经反射镜24、25反射入射到试件40表面；测量w场位移的光路依次通过开关17、光纤耦合器12入射到三维干涉光路系统中的准直镜28后，经分光棱镜29后分为两束光，其中一束光直接透过分光棱镜29入射到反射镜30，反射后再经该分光棱镜29到达图像采集摄像系统4；另一光束经分光棱镜29反射后到达试件40，经试件表面的光栅反射后穿过分光棱镜29到达图像采集摄像系统4。
分光耦合器2中的光学器件，即分光镜7、8，光纤耦合器9、10、11、12，光纤分束器13、14以及开关控制器15、16、17均被封装在一个盒子中，并在该盒子的激光束的入射口设有滤波孔6，盒子通过螺钉固定在工作台面上。激光器1发出的光束经过分光耦合器2后被分为五束光纤光束。其中光束通过分光镜7、光纤耦合器9、光纤分束器14后形成位移u场测量双光束，光束通过分光镜8、光纤耦合器10、光纤分束器13后形成位移v场测量双光束。通过分光镜8、光纤耦合器11、光纤耦合器12后形成离面位移w场测量光束。分光耦合器内设置有开关控制器15、16、17，可分别控制u、v、w三个位移场测量光路的使用。
三维干涉光路系统3中的光学器件，即激光耦合器18、19、41、42、12，反射镜20、21、24、25、44、45、30，准直透镜22、23、26、27、28，以及分光棱镜29均被封装在一个暗箱内。其中激光耦合器18、反射镜20、25，以及准直透镜23被固定在暗箱内的顶部，与此对称位置(箱体的底部)上分别有激光耦合器19、反射镜21、24，以及准直透镜22，这些光学元件用来测量v场位移(如图1所示)。箱体内左侧壁面上固定有激光耦合器42、反射镜45和准直透镜27，其右侧壁面上对称的位置上分别有激光耦合器41、反射镜44、准直透镜26，这些光学元件用来测量u场位移(如图2所示)；在暗箱前后中心线上，依次安装激光耦合器12、准直透镜28、分光棱镜29、反射镜30，这些光学元件用来测量w场的位移(如图3所示)。
六维调节载荷架5(如图4)由加载架34、升降平移台35(型号GCM-150104M)、精密平移台36(型号GCM-125301AM)、面内旋转台37(型号GCM-1101M)、俯仰台38(型号GCM-190)以及垂直面内旋转台39(型号GCM-1101M)六部分组成。所述的垂直面内旋转台39由螺钉固定在俯仰台38上；精密平移台36通过滚珠钢丝无间隙导轨连接在垂直面内旋转台39上；升降平移台35借助于燕尾槽导轨48与精密平移台36相连；面内旋转台37通过滑块机构和齿轮齿条锁紧机构与升降平移台35相连；加载架34由螺钉固定在面内旋转台37上。俯仰台38通过调节螺钉(下端头为球形)和调节螺杆与工作台底板相连。旋转螺杆46，可以改变俯仰台的俯仰角；垂直面内旋转台39由紧固螺钉连接在俯仰台38上，垂直面内旋转台的作用是精密调节试件的垂直面内转动，达到调零场和消除在施加载荷过程中产生的刚体转动。精密平移台36通过滚珠钢丝无间隙导轨连接在垂直面内旋转台39上，可以由测微丝杆47进行驱动，为平移台提供直线运动，运动的位移分辨率可达0.001mm。升降平移台35借助于燕尾槽导轨48与精密平移台36相连，平移台可以沿直线导轨前后滑动。面内旋转台37通过滑块机构和升降平移台35上的光滑凹槽导轨相连，由导轨上的齿轮齿条实现升降和前后、左右平移(相对于试件)，具有移动行程长，速度快，移动平稳等特点，精度为0.1mm，可方便地调节试件的上下和前后、左右移动来达到对中目的，满足云纹干涉对试件位置调整的要求。旋转台37上的测微丝杆49可以提供360°的手动旋转，使试件在被测面内得到精确细微的角度调整，精度可达±10″，能够方便地施加载波(或消除载波)、调零场和消除在施加载荷过程中产生的刚体转动。加载架34由紧固螺钉固定在面内旋转台37上。试件上端连接直线运动的螺杆50，螺杆固定于加载架的顶部，下端连接力传感器51。加载架可提供单向拉压、三点弯、纯弯等实验。
图像采集摄像系统4用来实时采集云纹图像。由CCD和具有水平和铅垂方向的三自由度固定支架组成。由CCD采集的图像直接输入计算机进行数据处理。
采用本发明可以实现如下两种位移测量模式，其测量过程如下
1)云纹干涉法测量模式此时试件表面需要制作有全息光栅，频率为500线/毫米-3000线/毫米。
当测量v场位移时(如图1)，v场测量光路开关16打开，激光束经光纤耦合器10和光纤分束器13后到达激光耦合器18和19，光束扩束后分别到达反射镜20、21。经20反射的光束经准直镜22准直后，经反射镜24反射后入射到试件表面40；同时，经反射镜21反射的光束通过准直镜23准直后，经反射镜25反射后入射到试件表面40。两入射光与试件栅发生衍射，两个±1级衍射光波相互干涉形成干涉云纹条纹图，并由图像采集摄像系统4输入计算机。该干涉条纹图上包含了试件的Y方向面内变形信息，可测量物体表面的面内位移和应变。测量u场位移时，原理与测量v场位移相同(如图2)。将u场测量开关15打开，激光束经光纤耦合器9和光纤分束器14，分两路分别到达激光耦合器41和42。由两个激光耦合器41、42发出的扩散光分别经准直镜26、27准直后入射到垂直于水平面的两个反射镜44和45上，两束反射光改变方向后入射到试件40表面，并在试件栅表面发生衍射，两个±1级衍射光波相互干涉形成云纹条纹图，并成像在图像采集摄像系统4上。在测量w场位移时，需应用泰曼/格林干涉光路测量(如图3)，由试件栅表面上发射的反射物光与参考光干涉形成的干涉条纹图可定量测量试件表面的离面位移信息。测量中，需将w场位移开关17打开，u场和v场测量开关15，16关闭。此时，激光通过光纤耦合器11、12后扩束入射到准直镜28后成为准直光，准直光通过分光棱镜29后分为两束光，其中，一束光直接透过分光棱镜29入射到反射镜30上，此光束从30反射后经过分光棱镜29再次反射到达摄像系统4，作为参考光；另外一光束，从分光棱镜29反射到达试件40，试件反射光穿过分光棱镜29后到达摄像系统4，作为反射物光；这两束光到达摄像系统后发生干涉，此干涉条纹代表等离面位移迹线。
2)电子散斑法测量模式当应用电子散斑法进行测量时，可采用与云纹干涉面内位移和离面位移测量相同的光路，不同的是试件表面无需制作光栅。当测量面内位移时，两束准直光照射在试件40表面，在图像采集摄像系统4上形成散斑并实现电子散斑干涉，并获得实时面内位移的电子散斑干涉条纹场。当测量离面位移时，使用与泰曼/格林干涉相同的光路，应用计算机程序可以处理两散斑场的叠加，获得实时离面位移的电子散斑干涉条纹场。
本发明还分别在u、v、w位移场的测量光路中装配了三个压电陶瓷相移器31、32和33。在所述的测量u场位移的光路中的反射镜20或21的后面设有相移器31；在所述的测量v位移场的光路中的反射镜44或45的后面设有相移器32；在所述的测量w位移场的光路中的反射镜30的后面设有相移器33。干涉条纹的相移可以通过调节相移器31、32、33的输入电压来控制，输入电压由计算机调节。经过相移技术处理后的位移测量精度可达纳米量级。
权利要求
1.一种多功能三位移激光干涉测量系统，含有激光器(1)，图像采集摄像系统(4)以及放置试件的加载架(5)，其特征在于该系统还包括分光耦合器(2)和三维干涉光路系统(3)，所述的分光耦合器含有将激光器发出的光分为三路的两个分光镜(7、8)和三个开关控制器(15、16、17)，其中测量u场位移的光路依次通过一个分光镜(7)、u场开关控制器(15)和u场光纤分束器(14)后，分两路分别进入三维干涉光路系统中的两个激光耦合器(41、42)、两个准直镜(26、27)准直后，再分别经反射镜(44、45)反射后入射到试件(40)表面；测量v场位移的光路依次通过另一个分光镜8、v场开关控制器(16)和v场光纤分束器(13)后，分两路分别进入三维干涉光路系统中的另两个激光耦合器(18、19)，分别经两个反射镜(20、21)反射和准直镜(22、23)准直后，再经反射镜(24、25)反射入射到试件(40)表面；测量w场位移的光路依次通过w场开关控制器(17)、w场光纤耦合器(12)入射到三维干涉光路系统中的准直镜(28)后，经一分光棱镜(29)分为两束光，其中一束光直接透过分光棱镜(29)入射到一反射镜(30)上，反射后再经分光棱镜(29)到达图像采集摄像系统(4)，另一光束经分光棱镜(29)反射后到达试件(40)，经试件表面的光栅反射后穿过棱镜29到达图像采集摄像系统(4)。
2.按照权利要求1所述的三位移激光干涉测量系统，其特征在于在所述的测量u场位移的光路中的反射镜(20)或(21)的后面设有压电陶瓷相移器相(31)；在所述的测量v场位移的光路中的反射镜(44)或(45)的后面设有压电陶瓷相移器(32)；在所述的测量w场位移的光路中的反射镜(30)的后面设有压电陶瓷相移器(33)。
3.按照权利要求1所述的三位移激光干涉测量系统，其特征在于在所述的测量u场位移的光路中，在u场开关控制器(15)和u场光纤分束器(14)之间设有光纤耦合器(9)；在所述的测量v场位移的光路中，在v场开关控制器(16)和v场光纤分束器(13)之间设有光纤耦合器(10)；在所述的测量w场位移的光路中，在w场开关控制器(17)和w场光纤耦合器(12)之间设有光纤耦合器(11)。
4.按照权利要求1、2或3所述的三位移激光干涉测量系统，其特征在于所述的分光耦合器(2)中的分光镜(7、8)，光纤耦合器(9、10、11)以及开关控制器(15、16、17)被封装在一个暗盒子中，并在该盒子的激光束的入射口设有滤波孔(6)。
5.按照权利要求1、2或3所述的三位移激光干涉测量系统，其特征在于所述的三维干涉光路系统(3)中的激光耦合器(18、19、41、42、12)，反射镜(20、21、24、25、44、45、30)，准直透镜(22、23、26、27、28)以及分光棱镜(29)被封装在一个暗箱内。
6.按照权利要求1所述的三位移激光干涉测量系统，其特征在于所述的加载架(5)采用六维调节载荷架，它由加载架(34)、升降平移台(35)、精密平移台(36)、面内旋转台(37)、俯仰台(38)、垂直面内旋转台(39)六部分组成；所述的垂直面内旋转台(39)由螺钉固定在俯仰台(38)上，精密平移台(36)通过滚珠钢丝无间隙导轨连接在垂直面内旋转台(39)上，升降平移台(35)借助于燕尾槽导轨与精密平移台(36)相连，面内旋转台(37)通过滑块机构和齿轮齿条锁紧机构与升降平移台(35)相连；加载架34由螺钉固定在面内旋转台37上；所述的试件(40)上端连接直线运动的螺杆，下端连接力传感器。
7.按照权利要求1或6所述的三位移激光干涉测量系统，其特征在于所述的激光器(1)、分光耦合器(2)、三维干涉光路系统(3)、三维调节摄像系统(4)、六维调节载荷架(5)全部安装在一个工作台上；所述的三维干涉光路系统(3)通过三个升降支座固定在工作台上，所述的激光器(1)和分光耦合器(2)位于三维干涉光路系统(3)的同一侧；六维调节载荷架5与图像采集摄像系统4分别通过工作台上的燕尾槽导轨安装在三维干涉光路系统(3)的左右两侧。
全文摘要
一种多功能三位移激光干涉测量系统，属于光测力学、工程材料、构件变形和位移测试技术领域。本发明由激光器，图像采集摄像系统，分光耦合器，三维干涉光路系统和六维调节载荷架五部分组成。该测量系统可实现u、v、w三个位移场的高精度实时测量，位移测量灵敏度可达波长量级，并具有云纹干涉和电子散斑干涉两种位移测量模式。采用六维调节载荷架能实现六个自由度的调节，使得本系统可同时实现单向拉压、三点弯曲加载实验，具有使用方便，结构紧凑、测量精度高等特点。系统配有相移装置，经过相移技术处理后的位移测量精度可达纳米量级。
文档编号G01B9/021GK1556371SQ20041000000
公开日2004年12月22日 申请日期2004年1月2日 优先权日2004年1月2日
发明者戴福隆, 谢惠民, 方岱宁, 尚海霞, 刘战伟 申请人:清华大学