专利名称：一种高温云纹干涉变形测量系统的制作方法
技术领域：
一种高温云纹干涉变形测量系统，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：
近年来随着科学技术的发展，材料在高温条件下的应用越来越广泛，如发电厂的高温管 道、高空探测的隔热层等等。因此表征材料在高温条件下的力学性能，就成为了现阶段研究 的一个重点和热点，而如何获得材料在高温条件下的变形情况就成为这一研究需要解决的首 要问题。常规的变形测量方法主要包括电学测量方法和光学测量方法两大类。电学测量方法 主要是通过电阻应变计来实现，其测量精度高，但是由于电阻应变计需要从用胶粘贴在试件 表面，而且其测量对温度变化比较敏感，因此电测方法不易实现高温条件下的精确测量。光 学测量方法采用非接触测量，可以减少温度对测量的影响，因此高温条件下的变形测量通常 采用光学测量方法。光学测量方法中常用的测试方法就是云纹干涉方法。
云纹干涉方法，主要是基于光学干涉原理，通过在试件表面发生光的干涉，得到干涉条 纹，从干涉条纹中分析出物体的全场变形。云纹干涉方法测量灵敏度高，可以得到全场的变 形信息。目前己有的比较准名的云纹干涉系统主要有Photomechanics Co.的二维云纹干涉仪、 天津大学的智能云纹干涉仪(中国专利申请94118741.1)、上海711研究所的二维相移云纹 干涉仪(中国专利申请200510025444. 1)以及清华大学的多功能三维位移激光干涉测量系统 (中国专利申请200410000005.0)。这些系统主要基于云纹干涉的基本原理实现了 u, r两个 位移场的测量，其中多功能三维位移激光干涉测量系统结合了云纹干涉方法和电子散斑干涉 方法两种测量系统，实现了三维位移场的测量。但是这些系统主要针对常规测量开发，其成 像距离近，温度场对测量光路影响比较大，而且调节支架一般与试件加载架相连，在高温测 量中由于试件加载架位于高温炉中，无法直接对试件位置进行调解。这些原因导致了现有的 测量系统无法直接应用于高温条件下的材料变形测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温云纹干涉变形测量系统，可以实现高温条件下材料的面内 位移场的实时测量，使用方便、灵敏度高、结构紧凑。
本发明的技术方案如下
一种高温云纹干涉变形测量系统，含有图像采集系统、激光器、分光耦合器、带有观测 窗的高温炉、六维调节架和云纹干涉光路系统，所述的云纹干涉光路系统包括云纹干涉光学 元件箱、镜头和光栅；云纹干涉光学元件箱放置在六维调节架上，图像采集系统、镜头和光
栅位于同一直线上，光栅粘贴在试件表面，试件放置在带有观测窗的高温炉中，激光器、分 光耦合器位于云纹干涉光路系统的同一侧。
一种高温云纹干涉变形测量系统，其特征在于云纹干涉光路系统中采用的光栅为600线 /mm的光栅；其特征在于云纹干涉光路系统采用焦距至少为100咖、直径至少为50mm的镜头 作为场镜；其特征在于激光器为半导体绿光激光器，其波长为533nm。
本发明的技术方案中，其特征在于所述的高温云纹干涉变形测量系统中，采用光开关 作为分光耦合器，将激光器发出的激光分为两路，经由单模光纤和一分二光纤分路器导入测 量光路。
本发明的技术方案中，其特征在于所述的带有观测窗的高温炉，其观测窗采用十字形 分块双层石英玻璃精密加工而成，内侧玻璃的特征尺寸为/,^/。+2/,tanl8.6'，外层玻璃的特 征尺寸为/2=/。+2~&1118.6°，其中/。为试件表面测量区域特征尺寸，—^分别为试件到内层 玻璃和外层玻璃的距离。
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采用绿光半导体激光 器作为测量光源避免高温条件下试件表面热辐射红光对测量条纹的影响，采用焦距至少为 IOO删、直径至少为50mm的镜头作为场镜，增大成像距离降低温度场对测量光路的影响，而 且采用光开关控制光路的开关，实现2个方向测量光路的自动化的控制。本发明采用六维调 节架控制云纹干涉光路系统的方向调节，解决高温炉中试件位置难于调节的问题。本发明中 高温炉观测窗采用双层分块石英玻璃精密加工而成，解决高温条件下激光准确进入高温炉的 问题，同时采用十字形分块设计避免高温条件下石英玻璃发生膨胀破裂的问题。本发明使用 方便，结构紧凑。使用600线/mm的光栅，并具有以下的性能参数
位移测量灵敏度 u场和v场均为0. 834pm;
测试区域 40X40mm的区域；
放大倍数 0.5X 100X
条纹分辨率 100条纹/mm
应变测量范围 10(^￡ 10%e
图1为本发明结构示意图(含云纹干涉光路系统K场光路)
图2为本发明所用的十字形石英玻璃示意图 图3为本发明所用的十字形石英玻璃侧视图 图4为本发明所用的六维调节架示意图 图5为图4的A-A剖面图
图中l一图像采集系统；2 —激光器；3 —分光耦合器；4一带有观测窗的高温炉；5 —六 维调节架;6-云纹干涉光路系统；7-试件；8 —镜头；9一观测窗；10—三维调节架；ll一左右调节旋转旋钮；12 —上下调节测微丝杠；13 —前后调节旋转旋钮；14一一分二光纤分束器； 15 —第一激光耦合器；16 —第二激光耦合器；17 —第一反射镜；18 —第二反射镜；19一第--准直透镜；20 —第二准直透镜；21 —第三反射镜；22 —第四反射镜；23—^场的激光；24—" 场的激光；25 — x方向精密平移台；26—升降平移台；27 — y方向精密平移台；28 —俯仰台；
29 —面内旋转台；30 — X方向旋转旋钮；31 —线性导轨；32 —滑块机构；33 —升降旋转旋钮；
34—升降杆；35 —螺杆；36 — y方向测微丝杆；37 —平板；38 —支撑弹簧；39 —滚珠；40 — 第一调节螺杆；41一第二调节螺杆；42—固紧螺钉；43 —面内旋转测微丝杆；44一光栅
具体实施例方式
下面结合附图进一歩说明本发明的具体结构及实施方式
如图1所示，本发明所述的高温云纹干涉变形测量系统主要由图像采集系统1、激光器2、 分光耦合器3、带有观测窗的高温炉4、六维调节架5和云纹干涉光路系统组成，全部安装在 一个实验台上。云纹干涉光路系统包括云纹干涉光学元件箱6、镜头8和光栅44，云纹干涉 光学元件箱6集成为一个暗箱，通过六维调节架5固定在试验台上。图像采集系统l由一个 三维调节架10和螺钉固定在云纹干涉光学元件箱6上，图像采集系统l、镜头8和光栅44 位于同一直线上。光栅44粘贴在试件7表面， 一起放置在带有观测窗的高温炉6中。激光器 2和分光耦合器3分别由紧固螺钉固定在试验台上，位于云纹干涉光路系统的同一侧。
本发明所述的激光器2采用的是波长为533nra的半导体绿光激光器。在高温环境中，试 件表面会产生热辐射，诱发出红光，常规的云纹干涉系统，采用红光光源照明在试件表面形 成干涉条纹，其产生的干涉条纹会受到热辐射诱发的红光的影响，从而导致条纹对比度降低。 本发明采用波长比红光短的绿光激光器作为照明光源，试件表面的干涉条纹受红光影响小， 条纹对比度高。
本发明采用600线/mm的光栅44作为试件栅，粘贴在试件7表面。根据云纹干涉理论， 采用600线/mm的光栅可以减小衍射角，从而增大云纹干涉光学元件箱6和高温炉5之间的 距离，即物距，减少高温环境对云纹干涉光学元件箱6的影响。云纹干涉光路系统中采用长 焦距(焦距250)大直径(直径80mm)的镜头8作为场镜，可以实现大物距的测量，降低了 高温环境对测量光路的影响，同时增大了观测范围，提高了条纹的分辨率。
本发明中采用光开关作为分光耦合器3，激光器2发出的光进入光开关3中，在光开关内 部，激光被分成两路，分别进入〃场、K场的测量光路。测量y场位移时，光开关打开K场 激光23同时关闭"场的激光24，通过干涉光路将激光反射到试件表面；测量 〃场位移时， 光开关打开"场激光24同时关闭z场的激光23，通过干涉光路将激光反射到试件表面。下
面以测量K场位移为例，简单说明干涉光路的结构，K场激光23通过单模光纤，进入一分二
光纤分束器14，分成两路光，由单模光纤导入云纹干涉光路系统6中的第一激光耦合器15 和第二激光耦合器16，经过第一反射镜17、第二反射镜18和第一准直透镜19、第二准直透
镜20准直后，由第三反射镜21和第四反射镜22反射到试件7表面，形成干涉条纹。测量" 场位移的光路和上述测量r场位移的光路基本相同。
如图2所示，本发明所述的高温炉4观测窗采用十字形分块双层石英玻璃9精密加工而 成。高温炉4为了保证隔热效果，采用双层的石英玻璃作为观测窗。如图3所示按照入射光 线角度严格设计十字形的观测窗的大小，根据云纹干涉理论，激光的入射角a，激光的波长义 以及光栅的频率/,应该满足衍射方程，
sin a =义/ (1)
本发明采用的激光波长为；i二533"OT，光栅频率为/二600线/mm，因此激光的入射角为 = arcsin0.3198 = 18.6° 。试件7表面可观测区域特征尺寸为/。，内侧石英玻璃9a同试件7的 距离为r,，则内侧石英玻璃9a的特征尺寸/, =/。 +2^, tanl8.6。；外侧石英玻璃9b同试件7的 距离为G，则外侧石英玻璃9b的特征尺寸/2=/。+2/21肌18.6°。同时本发明所用十字形石英玻 璃采用分块拼接而成，由两块正方形石英玻璃和一块长方形石英玻璃共同组成了十字形观测 窗，避免了大块石英玻璃在高温环境下，由于热膨胀效应引起的玻璃破碎。
如图4所示，本发明所述的六维调节架由x方向精密平移台25、 y方向精密平移台27、 升降平移台26、面内旋转台29和俯仰台28五部分共同构成。所述的云纹干涉光路系统通过 螺钉同六维调节架连结，由于高温炉4中试件7的位置不易调整，通过六维调节架的调节可 以实现云纹干涉光路系统的6个方向的精确移动和转动，可以保证通过云纹干涉光路系统6 的激光正好通过观测窗9照射到试件7表面。所述的升降平移台26由螺钉固定在x方向精密 平移台25上，y方向精密平移台27由螺钉固定在升降平移台26上，俯仰台28通过螺钉连 接在y方向精密平移台27上，面内旋转台29由螺钉固定在俯仰台28上。x方向精密平移台 25主要是通过x方向旋转旋钮30，使滑块机构32沿线性导轨31移动，实现x方向的精密平 移；升降平移台26由螺钉固定在x方向精密平移台25上，通过升降旋转旋钮33，使升降杆 34沿螺杆35移动，实现升降运动；y方向精密平移台27由螺钉固定在升降平移台26上，通 过调节y方向测微丝杆36驱动，使y方向精密平移台27的上部，沿光滑凸槽导轨作y方向 平移；俯仰台28通过螺钉连接在y方向精密平移台27上，俯仰台28由两块平板37a和37b、 支撑弹簧38、滚珠39、第一调节螺杆(端部为圆球)40和第二调节螺杆41组成，如图5示， 通过第一调节螺杆40，可以使上平板绕滚珠39和第二调节螺杆41的中心连线为轴旋转，通 过第二调节螺杆41，可以使上平板绕滚珠39和第一调节螺杆40的中心连线为轴旋转，从而 实现两个垂直面方向的旋转；面内旋转台29由螺钉固定在俯仰台28上，面内旋转台由两部 分组成，通过固紧螺钉42将上部和下部固定，送开固紧螺钉42，上部可以在面内实现360 度旋转，旋紧固紧螺钉42，通过调节面内旋转测微丝杠43，可以提供10度以内的精确旋转 定位。
本发明中的图像采集系统l用来采集图像，由CCD和成像镜头构成，通过三维调节架iO
和螺钉固定在云纹干涉光学元件箱6上，通过左右调节旋转旋钮11实现图像采集系统1的左 右移动，通过前后调节旋转旋钮13可以实现图像采集系统1的前后移动，通过上下调节测微 丝杠12可以实现图像采集系统1的上下移动。
采用本发明测量时，首先将试件7放置到高温炉5中的，通过六维调节架5，调整云纹干 涉光学元件箱6，使激光正好通过高温炉上的观测窗9，照射到试件7表面，试件表面的反射 光线通过场镜8，进入到图像采集系统l中。试验开始前调节分光耦合器3，先使光线进入测 量y场位移光路，通过调整云纹干涉光学元件箱6中的各个光学元件的位置，使试件表面的 干涉条纹恰好处于零场位置(即没有干涉条纹)，再使光线入测量"场位移光路，同上操作， 完成〃场光路的零场调节；调节零场过程中，通过三维调节架IO，调整图像采集系统l的位 置，保证采集图像质量；试验开始后，通过分光耦合器3实现光路的自动转换，由图像釆集 系统1分别记录试件表面的"场干涉条纹图和^场干涉条纹图；试验结束后，根据y场和k 场的干涉条纹场就可以计算出试件的 〃场位移和r场位移。
权利要求
1.一种高温云纹干涉变形测量系统，含有图像采集系统(1)、激光器(2)、分光耦合器(3)、带有观测窗的高温炉(4)、六维调节架(5)和云纹干涉光路系统，所述的云纹干涉光路系统包括云纹干涉光学元件箱(6)、镜头(8)和光栅(44)；云纹干涉光学元件箱(6)放置在六维调节架(5)上，图像采集系统(1)、镜头(8)和光栅(44)位于同一直线上，光栅(44)粘贴在试件(7)表面，试件(7)放置在带有观测窗的高温炉(4)中，激光器(2)、分光耦合器(3)位于云纹干涉光路系统的同一侧，其特征在于所述的云纹干涉光路系统采用焦距至少为100mm、直径至少为50mm的镜头(8)作为场镜，云纹干涉光路系统中采用的光栅为600线/mm的光栅；所述的激光器(2)为半导体绿光激光器，其波长为533nm。
2. 按照权利要求1所述的高温云纹干涉变形测量系统，其特征在于采用光开关作为分 光耦合器(3)，将激光器(2)发出的激光分为两路，经由单模光纤和一分二光纤分路器(14) 导入测量光路。
3. 按照权利要求1所述的高温云纹干涉变形测量系统，其特征在于所述的带有观测窗 的高温炉(4)的观测窗口采用十字形分块双层石英玻璃构成，内侧玻璃的特征尺寸为 /1=/。+2^31118.6°，外层玻璃的特征尺寸为/2=/。+2^&1118.6°，其中/。为试件(7)表面测量 区域特征尺寸，r,、 ,2分别为试件(7)到内层玻璃和外层玻璃的距离。
全文摘要
一种高温云纹干涉变形测量系统，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、分光耦合器、高温炉、六维调节架和云纹干涉光路系统五部分组成。该测量系统可以实现在高温条件下对u，v两个位移场的高精度实时测量。系统使用绿光照明避免热辐射红光对测量的影响，利用光开关实现面内位移场的自动化测量，采用十字形分块双层石英玻璃解决高温炉的观测窗设计，同时用600线/mm的光栅和长焦距大直径的镜头作为场镜，增大测量物距，减小高温对测量系统的影响，提高条纹分辨率。通过六维调节架，调节云纹干涉光路系统，解决高温炉中试件难于调节的问题。系统使用方便，测量灵敏度高。
文档编号G01B11/16GK101349549SQ20081011980
公开日2009年1月21日 申请日期2008年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者戴福隆, 方岱宁, 韬 花, 谢惠民 申请人:清华大学