技术领域本发明涉及一种基于散斑干涉计量的残余应力测试装置，属于残余应力测试装置技术领域。
背景技术：
残余应力是存在于材料内部的一种应力，其大小和分布与材料加工工艺有关。特别是经过焊接加工的材料，由于焊接过程局部高温的工艺特点，往往在焊接接头位置处出现较高水平的残余应力。残余应力是评价焊接工艺质量以及焊接结构可靠性的一个重要指标。目前残余应力测试手段比较匮乏，比较常用的方法是电测法。即在被测位置处粘贴应变片，并将应变片与电阻应变仪相连接，利用钻孔机在应变片的应变花中心处钻取一定深度的小孔，在应变仪上读取钻孔后应变花位置处材料表面的应变值，通过材料力学应力应变关系计算获得残余应力数值。在实验过程中采用电测法测试残余应力往往会出现较大的误差，其误差来源有：1、测试设备的误差，主要来源于应变片的敏感栅电阻制造误差；2、该方法的理论误差，特别是在焊接接头高梯度应力场中，应变片敏感栅所测得的敏感栅区域平均应变值，与真实应变情况存在较大差别，导致残余应力计算结果出现误差；3、操作者操作过程引起的误差，包括贴片、连线、钻孔位置精度等，对测试结果的精度会产生很大影响。散斑干涉计量技术，是一种基于光学的、全场的、非接触的无损测量与检测技术。当一束相干光照射在平整粗糙的反光表面时，漫反射的光波相互叠加，就会形成明暗相间的斑点状的分布状态，也就是散斑场。散斑场记录着物体表面的几何信息，利用适当的光路和图像处理技术，可对表面位移、应变、粗糙度、三维形貌等进行测量与检测。将散斑干涉法替代电测法来测试小孔周围应变场进而获得残余应力测试结果，可大幅提高测试精度，原因包括：1、散斑干涉法设备的制造误差主要来源于激光器波长的误差，而现有的激光器波长误差为微米数量级远低于应变片敏感栅电阻值的误差；2、散斑干涉法可获得材料表面局部点的应变测量值，即便在高梯度应力场中亦可获得较高测试精度；3、散斑干涉法测试过程简单，没有电测法中的贴片、焊线等复杂操作过程，排除了人为因素造成的误差。利用散斑干涉原理测试焊接残余应力的思想虽然早有学者提出，但一直以来并未给出其特有的应力应变关系数学表达式；或者采用与电测法完全相同的应力应变关系表达式，此方法需要采用四束激光测量小孔周围区域三个方向的应变值才能获得残余应力测试结果，导致相应的测试光路复杂、相应测试系统构建难度大。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即利用散斑干涉原理测试焊接残余应力的思想虽然早有学者提出，但一直以来并未给出其特有的应力应变关系数学表达式；或者采用与电测法完全相同的应力应变关系表达式，此方法需要采用四束激光测量小孔周围区域三个方向的应变值才能获得残余应力测试结果，导致相应的测试光路复杂、相应测试系统构建难度大。进而提供一种基于散斑干涉计量的残余应力测试装置及其方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于散斑干涉计量的残余应力测试装置，包括：干涉仪底座、激光干涉仪、相机支架、相机连接块、工业CCD相机和三个尖角，所述激光干涉仪设置在干涉仪底座的上部，相机支架的下端与激光干涉仪的上部固定连接，相机支架的上端固定有相机连接块，工业CCD相机设置在相机连接块上；所述干涉仪底座为一个U形金属板，干涉仪底座的下端均布有三个尖角，干涉仪底座的上端均布有三个圆形定位孔，所述激光干涉仪为一个U型金属框架结构，激光干涉仪下表面设有三个钢珠且分别与干涉仪底座上的三个圆形定位孔相接触。激光干涉仪、相机支架、相机连接块和工业CCD相机为一个整体结构，可与干涉仪底座分离，通过固定于激光干涉仪下方的三颗钢珠与干涉仪底座定位。测试过程中，先将激光干涉仪置于干涉仪底座上，利用工业CCD相机采集钻孔前的散斑图像，然后移开激光干涉仪，利用钻孔机在被测位置处钻取小孔，再将激光干涉仪放置于干涉仪底座上，利用工业CCD相机采集钻孔后的散斑图像。整个测试过程保持干涉仪底座不移动，即可保证钻孔后激光干涉仪和工业CCD相机的位置与钻孔前一致。将钻孔前散斑图像I1和钻孔后的散斑图像I2，在计算机中进行分析运算可获得孔周围应变场测试结果，该应变场中各点应变的方向与入射于材料表面的两束激光方向相同，可定义为X方向。在距离孔中心半径为r的圆周上，取两两夹角为45°的三个点P1、P2和P3，可获得这三个点的X方向应变值，可将其分别记为ε1、ε2和ε3。设所钻孔的半径为a，孔中心处残余应力第一主应力为σ1，第二主应力为σ2，第一主应力与X方向的夹角为利用材料力学应力应变关系以及弹性力学基本假设推导出三个点的应变ε1、ε2和ε3与孔中心位置O处残余应力σ1、σ2以及夹角满足以下数学关系式解该方程，即可由已知量ε1、ε2和ε3来求得残余主应力σ1和σ2以及主方向角其中A=E(1+ν)a2r2B=3a2r2-2]]>在上述数学关系式中，E为被测材料杨氏模量，υ为被测材料泊松比。将本发明的装置与激光器、光纤组件、打孔机以及带有图像分析处理功能的计算机共同使用，可测得小孔周围应变场，在应变场中提取三个位置点的应变数值，代入本发明的残余应力-应变公式之中即可获得残余应力测试结果。为了进一步降低测试误差，可在所得应变场之中提取多组夹角45°的点(例如300个或者3000个或者更多)，分别求取对应的残余应力测试结果，将多组测试结果取平均值获得最终的残余应力测试结果。附图说明图1为本发明基于散斑干涉计量的残余应力测试装置的整体结构示意图。图2为干涉仪底座1的示意图。图3为图2的A向视图。图4为本发明基于散斑干涉计量技术的残余应力测试方法所涉及的孔周残余应力-应变关系示意图。图5是五个光学镜片组成干涉光路的示意图。图中的附图标记，1为干涉仪底座，2为激光干涉仪，3为相机支架，4为相机连接块，5为工业CCD相机，6为尖角，7为圆形定位孔，11为激光束，12为分光镜，13为反光镜，14为激光扩束镜。具体实施方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。如图1～图3所示，本实施例所涉及的一种基于散斑干涉计量的残余应力测试装置，包括：干涉仪底座1、激光干涉仪2、相机支架3、相机连接块4、工业CCD相机5和三个尖角6，所述激光干涉仪2设置在干涉仪底座1的上部，相机支架3的下端与激光干涉仪2的上部固定连接，相机支架3的上端固定有相机连接块4，工业CCD相机5设置在相机连接块4上，所述干涉仪底座1为一个U形金属板，干涉仪底座1的下端均布有三个尖角6，三个尖角6用于将测试装置固定在被测材料表面上；干涉仪底座1的上端均布有三个圆形定位孔7，干涉仪底座1主要起到定位的作用。所述激光干涉仪2为一个U型金属框架结构，激光干涉仪2下表面设有三个钢珠且分别与干涉仪底座1上的三个圆形定位孔7相接触，从而对干涉仪进行精确定位。所述激光干涉仪2的U型金属框架内部集成了一个分光镜12、两个反光镜13和两个激光扩束镜14共五个光学镜片，由以上五个光学镜片即组成了一个干涉光路，分光镜12的作用是将激光器发出的激光分成两束相干光，反光镜13的作用是调整两束激光的方向使两束光轴线位于同一平面内且与被测材料表面夹角相同，激光分束器的作用是将两束激光扩束获得10mm直径的光斑，所述激光干涉仪2和U型金属框架外弧面处与光纤连接，内弧面处固定两个激光扩束镜14以获得两束相干光。所述工业CCD相机5由光学相机和成像镜头两部分构成，用于采集被测材料表面在钻孔前后的散斑场，并将其转换成数字信号以数字图像的格式输入计算机，在计算机中对两幅数字图像进行分析处理可提取孔周围材料的应变场信息，再利用本发明给出的残余应力-应变数学关系表达式，即可计算获得残余应力测试结果。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。