一种用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统，包括：加载单元，包括用于固定试样材料的夹具模块及用于对试样材料施加定量载荷的载荷控制器；光学单元，包括显微镜、置于显微镜观测区域并与显微镜工作空间相适应的显微光弹性仪；用于实现显微光弹性光路以获得放大的试样微区等差线和等倾线条纹；图像采集单元，用于采集显微镜放大的微区干涉条纹图像信号实时显示，获得试样全场的微区偏振光场。本发明实现了显微光弹性光路，可在显微镜较短工作距离内获得试样微区等差线及等倾线条纹，并由图像采集单元在加载的同时进行图像实时采集，获得全场的微区偏振光场，可有效地应用于研究材料微区的应力状态和演化。
【专利说明】
一种用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统
技术领域
[0001]本发明涉及光弹性实验技术领域，具体涉及一种用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统。
【背景技术】
[0002]光弹性法是一种将光学和力学相结合进行应力分析的实验技术，它是解决复杂二维和三维工程结构应力分析的有效实验方法。其利用了透明材料的人工双折射特性，将飞行器、船舶、桥梁、水坝等大型结构或金刚砂、动物骨块、微电子器件等微小结构经过比例缩放做成晶体模型，然后测得模型应力，再由相似关系换算成实物的应力。
[0003]光弹性法可测量其他方法难以解决的应力集中及内部应力问题，并具有全场显示与分析、直观性强等优点。材料的破坏是由于材料微区损伤的不断演化和发展造成的，随着人们对材料结构要求的不断提高，观测分析材料微区的应力、应变以及位移变化越来越得到科研工作者的重视。
[0004]近些年来，相关学者在细观实验力学方法方面做了很多研究，但是针对材料微区应力情况的研究涉及较少，由于受实验系统或装置的限制，导致难以进行深入分析。
[0005]因此，需要发明一种针对材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统以实现上述的材料微区应力情况的方面的深入研究，很有必要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是要提供一种用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统，以实现应力双折射材料的微区应力场测试。
[0007]本发明是这样实现的，一种用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统，包括:
[0008]加载单元，包括用于固定试样材料的夹具模块，以及用于对试样材料施加定量载荷的载荷控制器；
[0009]光学单元，用于实现显微光弹性光路以获得放大的试样微区等差线和等倾线条纹，包括显微镜、置于显微镜观测区域并与显微镜工作空间相适应的显微光弹性仪;所述显微光弹性仪包括自下而上沿光路布置的可水平旋转的光学元件，所述光学元件包括可移出或移入光路的一个起偏镜、两个1/4波片、一个检偏镜；
[0010]图像采集单元，用于采集所述显微镜放大的微区干涉条纹图像信号实时显示，获得试样全场的微区偏振光场。
[0011]所述夹具模块包括夹具以及夹具电机。
[0012]所述图像采集单元包括连接所述显微镜的目镜的CCD照相机、与所述CCD照相机的信号输出端连接数据采集卡以及连接所述数据采集卡的计算机;所述计算机内置有图像处理模块。
[0013]所述起偏镜、1/4波片以及检偏镜安装于显微光弹性仪支架上，所述显微光弹性仪支架设有可旋转的承载台，用于对承载所述起偏镜、1/4波片以及检偏镜的光学元件承载工具进彳丁承载。
[0014]所述用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统还包括有透射平行光源，用于为所述光学单元提供实验所需平行光。
[0015]本发明光学单元通过显微光弹性仪与显微镜组合在一起，实现显微光弹性光路，可迅速的测得试样材料微区的全场应力情况，并可以通过载荷控制器控制载荷加载大小以得到不同载荷下的应力分布，且在载荷加载的同时进行图像实时采集，可以有效的应用于研究材料微区的应力状态和演化。
【附图说明】
[0016]图1为本发明提供的用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统的结构框图；
[0017]图2为本发明提供的用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统的框架示意图；
[0018]图3为本发明提供的用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统的光路示意图；
[0019]图中:加载单元1、光学单元2、图像采集单元3、显微光弹性仪支架4、显微镜5、夹具
6、载荷控制器7、CXD照相机8、采集卡与计算机9、目镜10、平行光源11、起偏镜12、1/4波片
13、检偏镜14。
【具体实施方式】
[0020]下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。
[0021]参见图1-3所示，一种用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统，包括:
[0022]加载单元I，包括用于固定试样材料的夹具模块，以及用于对试样材料施加定量载荷的载荷控制器7;
[0023]光学单元2，用于实现显微光弹性光路以获得置于显微光弹性光路上的放大的试样微区等差线和等倾线条纹，包括显微镜5、置于显微镜观测区域并与显微镜工作空间相适应的以实现显微光弹性光路的显微光弹性仪;所述显微光弹性仪包括自下而上沿光路布置的可水平任意旋转的光学元件，所述光学元件包括可移出或移入光路的一个起偏镜12、两个1/4波片13、一个检偏镜14;
[0024]图像采集单元3，可在加载单元对试样材料进行加载一定的载荷的同时，采集所述显微镜放大的试样微区干涉条纹图像信号实时显示，获得试样全场的微区偏振光场。
[0025]由于试样材料一光弹性材料内部在载荷作用下会变成各向异性，产生双折射效应。在偏振光场中，可看到观测模型上产生的干涉条纹图，通过本系统来测量计算这些干涉条纹就可以确定试样材料在受载情况下的应力状态，从而实现材料微区应力场的测试。
[0026]需要说明的是，本发明中，所述试样材料可以是应力双折射材料，由夹具模块夹紧后置于显微光弹性仪的光路上(两个1/4波片13之间)，并连接载荷控制器7，实验时可由载荷控制器7对应力双折射材料施加一定量的载荷量，就可以通过图像采集单元采集干涉条纹，以研究不同载荷下试样材料微区的应力场变化情况。
[0027]本发明的系统可以实现对一些各向同性的非晶体材料进行应力场测试，当各向同性的非晶体材料的试样材料受到载荷作用而产生应力时，就会表现出光学各向异性，产生双折射现象，有内部微缺陷的材料同理，通过显微镜5将微区显微放大，利用相连的图像采集单元3获得微区应力场，特别是可以得到全场的微区偏振光场。
[0028]需要说明的是，在使用本发明系统时，当将所述1/4波片13移出光路，即可调整获得平面偏振光场，将1/4波片13移入光路，即可调整获得平面圆偏振光场，从而实现显微光弹性光路，既可获得微区平面偏振光场，又可获得微区圆偏振光场，这样通过该显微光弹性光路可以实现微观应力场的主应力方向以及主应力差的大小测试。
[0029]本发明光学单元通过将显微光弹性仪与显微镜组合设计在一起，实现了显微光弹性光路，可迅速的测得试样材料微区的全场应力情况，并可以通过载荷控制器控制载荷加载大小以得到不同载荷下的应力分布，且在载荷加载的同时进行图像实时采集，可以有效地应用于研究材料微区的应力状态和演化。
[0030]本发明中，所述的加载单元可以采用可进行微拉伸的加载试验机，其中，所述的加载单元的夹具模块具体与显微镜5的载物台S相关联，这样可将需观测的区域调整到显微镜的视场范围之内。
[0031]所述加载单元通过对施加载荷的大小进行定量控制，可获取不同载荷下试样的微区干涉条纹(即微区等差线和等倾线条纹)图像，从而获取不同载荷条件下的试样微区应力场情况。
[0032]具体实现上，本发明中，所述夹具模块包括夹具6以及夹具电机，夹具用于夹紧试样材料，夹具电机用于控制夹具进行夹紧或松开。
[0033]具体实现上，本发明中，所述图像采集单元可以是包括连接所述显微镜5的目镜10的CCD照相机8、与所述CCD照相机8的信号输出端连接数据采集卡以及连接所述数据采集卡的计算机;所述计算机内置有图像处理模块并连接显示屏。
[0034]具体的，所述CCD相机8直接与显微镜5的目镜10相连，获取被放大的微区干涉条纹图像信号，数据采集卡将采集到的数据存入计算机。所述计算机中内有嵌有图像处理软件，可实时显示或捕捉图像。
[0035]在实验时，首先将实验用试样材料固定在夹具上，调整显微光弹性仪，在显微镜5下找到待测试区域，利用CCD相机8获取稳定的微区图像送入采集卡与计算机9中，然后开始对试样进行加载一定的载荷，同时对试样微区的干涉条纹图像进行实时采集。根据光弹性法，可以简单的调整各个光学元件，从而获取试样微区不同的偏振光场。
[0036]这样，通过所述CCD照相机，可以实现采集显微镜输出的放大的试样微区等差线和等倾线条纹，然后通过连接计算机的数据采集卡送入计算机，并由计算机连接的显示器进行实时显示，从而获得试样全场的微区偏振光场。
[0037]具体实现上，所述计算机可以是笔记本电脑或台式电脑等，内置有专用的图像处理程序或软件工具。
[0038]为了实现所述的光学元件的方便拆装或件任意角度的旋转控制，本发明中，具体的，所述起偏镜、1/4波片以及检偏镜安装于显微光弹性仪支架4上，所述显微光弹性仪支架4设有可旋转的承载台，用于对承载所述起偏镜、1/4波片以及检偏镜的光学元件承载工具进行承载，从而实现由显微光弹性仪支架支撑1/4波片13与偏振片，同时满足1/4波片13与偏振片的移出光路功能，实现了显微光弹性光路，且方便拆装光学元件，方便操作。
[0039]其中，所述显微光弹性仪支架及光学元件的尺寸大小，根据显微镜的工作空间大小进行设计，可置于所述显微镜的工作空间中，并能使显微镜可以在较短的工作距离内获得试样微区等差线和等倾线条纹。
[0040]使用时，将光学元件放置在所设计的显微光弹性仪支架4上的可旋转的承载台，并进行旋转调整，实现显微光弹性光路，然后调整显微镜找到需要的视场区域，最后通过与显微镜的目镜10相连的CCD照相机8，获取试样微区等差线及等倾线条纹，并显示和存储在计算机中。
[0041]本发明所述的光学单元利用所述的显微光弹性仪支架很好的实现偏振片和1/4波片的移入和移出，实现显微光弹性光路，可使显微镜在较短的工作距离内获得试样微区等差线和等倾线条纹。
[0042]需要说明的是，本发明中，为了试验需要，所述用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统，还包括有透射平行光源11，用于为所述光学单元提供实验所需平行光。
[0043]所述的透射平行光源11优选的置于所述显微镜的工作空间中，并置于所述显微光弹性仪的下方，实现自起偏镜12侧提供实验所需平行光。
[0044]以上分析，可以看出，本发明通过将显微光弹性仪与加载单元、显微镜、CXD相机、采集卡与计算机相结合，实现显微光弹性光路，在显微镜较短的工作距离内获得试样微区等差线及等倾线条纹，从而实现应力双折射材料的微区应力场测试，可以为应力双折射材料的微区应力场测试深入研究提供一种有效的实验系统或装置。
[0045]应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不限制本发明，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统，其特征在于，包括: 加载单元，包括用于固定试样材料的夹具模块，以及用于对试样材料施加定量载荷的载荷控制器； 光学单元，用于实现显微光弹性光路以获得放大的试样微区等差线和等倾线条纹，包括显微镜、置于显微镜观测区域并与显微镜工作空间相适应的显微光弹性仪;所述显微光弹性仪包括自下而上沿光路布置的可水平旋转的光学元件，所述光学元件包括可移出或移入光路的一个起偏镜、两个I/4波片、一个检偏镜； 图像采集单元，用于采集所述显微镜放大的微区干涉条纹图像信号实时显示，获得试样全场的微区偏振光场。2.根据权利要求1所述用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统，其特征在于，所述夹具模块包括夹具以及夹具电机。3.根据权利要求1所述用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统，其特征在于，所述图像采集单元包括连接所述显微镜的目镜的CCD照相机、与所述CCD照相机的信号输出端连接数据采集卡以及连接所述数据采集卡的计算机;所述计算机内置有图像处理模块。4.根据权利要求1所述用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统，其特征在于，所述起偏镜、1/4波片以及检偏镜安装于显微光弹性仪支架上，所述显微光弹性仪支架设有可旋转的承载台，用于对承载所述起偏镜、1/4波片以及检偏镜的光学元件承载工具进行承载。5.根据权利要求1-4任一项所述用于材料微区应力场测试的显微光弹性实验系统，其特征在于，还包括有透射平行光源，用于为所述光学单元提供实验所需平行光。
【文档编号】G01N3/02GK105928775SQ201610240962
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】王怀文, 王荣, 沈廉程, 杨璐, 黄群
【申请人】天津商业大学