一种材料弹性模量的检测装置及方法

1.本发明属于无损检测领域，尤其涉及一种材料弹性模量的检测装置及方法。


背景技术：

2.弹性模量是描述固体材料抵抗形变能力的重要物理量，是选定机械构件的依据之一。弹性模量的测量对研究材料的力学性能、所处状态和寿命有着重要的意义。弹性模量的测量方法可包含动态法和静态法等。动态法测量结果较为准确，但测量方法和测量仪器相对复杂、且操作繁琐。静态法是实验室获得材料弹性模量常见的方法，该方法在已知试样几何尺寸基础上，通过对试样施加一定的外力作用，通过特定的测量方法测量出试样的微小形变量，从而计算出试样的弹性模量。目前材料微小形变量的测量方法主要有光学测量法、电学测量法、超声测量法等。传统的光学测量法因为光束光强在空间不均匀和算法的缺陷等因素会造成一定的测量偏差；电学测量法只适用于金属材料，具有较大的局限性。
3.涡旋光是一种特殊的奇异光，其光强呈环形分布、波前结构呈螺旋形、光束的中心由于其相位的相互抵消成为奇异点，致使中心产生一个相位无法定义较小的暗斑，具有确定的轨道角动量，且无加热效应。由于这种光束独特的个性，其被广泛应用于在微粒的光学俘获、微操控、生物医学、通信等研究领域，在无损检测领域涡旋光也逐渐展示出其优异的特性。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种材料弹性模量的检测装置及方法。
5.为了解决上述技术问题，第一方面，公开了一种材料弹性模量的检测装置，包括测试样品、测试光路器件和测力器件，所述测试光路器件和测力器件均固定于水平面上，所述测试样品的一端通过夹子与测力器件相连，测试样品的另一端通过夹子与测试光路器件相连，测力器件和测试光路器件对测试样品施加拉力或挤压力，使得测试样品发生形变，测力器件读取拉力值，测试光路器件计算测试样品发生的形变量。
6.结合第一方面，在一种实现方式中，所述测试光路器件包括激光器、扩束装置、涡旋光生成器件、光澜、分束器、柱透镜、第一反光镜、第二反光镜、工业相机和电脑，
7.所述激光器，用于发出单色激光束；
8.所述扩束装置，用于接收所述单色激光束，并将单色激光束变成向前传输的直径变大的平行单色光束；
9.所述涡旋光生成器件，用于接收所述平行单色光束，并将平行单色光束变成拓扑荷数为l的涡旋光束；
10.所述光澜，用于接收拓扑荷数为l的涡旋光束，并发送至分束器；
11.所述分束器，用于接收从光澜发送的拓扑荷数为l的涡旋光，并将其分成第一涡旋光束和第二涡旋光束；同时接收柱透镜和第二反光镜反射回的涡旋光束；
12.所述柱透镜，用于接收第二涡旋光束，并发送至第一反光镜；
13.所述第一反光镜，用于接收柱透镜发送的第二涡旋光束，并将第二涡旋光束反射回柱透镜，获得拓扑荷数为-l的第三涡旋光束；拓扑荷数为-l的第三涡旋光束再通过分束器传输至工业相机；
14.所述第二反光镜，用于接收第一涡旋光束，并将第一涡旋光束反射回分束器，分束器将其传输至工业相机；
15.所述工业相机，用于接收反射回的第一涡旋光束和第三涡旋光束；
16.所述电脑和工业相机连接，用于显示工业相机接收的涡旋光束的干涉图像，并在电脑的显示器上显示。
17.结合第一方面，在一种实现方式中，所述测试光路器件还包括施力螺母和螺杆，第二反光镜设有底座，第二反光镜底座套设于所述螺杆上，测试样品通过夹子与第二反光镜底座相连，螺杆的一端与施力螺母旋转连接；旋转施力螺母时，第二反光镜底座带着第二反光镜沿着螺杆方向移动。
18.结合第一方面，在一种实现方式中，所述测力器件包括拉力传感器和拉力传感器数字显示器，所述拉力传感器与测试样品的一端通过夹子相连，所述拉力传感器数字显示器和拉力传感器通过数据线连接，用于显示拉力值。
19.结合第一方面，在一种实现方式中，所述涡旋光生成器件为叉状光栅，或者螺旋相位板，或者液晶q-plate等。
20.第二方面，公开了一种材料弹性模量的检测方法，包括以下步骤：
21.步骤1，打开激光器，发出单色激光束；
22.步骤2，调节光澜的位置和孔径大小，使拓扑荷数为l的涡旋光通过；
23.步骤3，在电脑的显示器上显示工业相机8接收的拓扑荷数相反的两束涡旋光束对应的干涉图像；所述干涉图像由2l个花瓣状图形等间隔呈圆环形排列；
24.步骤4，调节施力螺母，使螺杆带动第二反光镜(72)沿着螺杆(722)方向移动位移δl，并使对应的干涉图像以图像的中心为转轴旋转，使得前一个花瓣状图形占据相邻花瓣状图形的位置，记录此时拉力传感器数字显示器显示的拉力值f；
25.步骤5，计算测试样品的弹性模量e。
26.结合第二方面，在一种实现方式中，所述步骤3中电脑的显示器上显示的拓扑荷数相反的涡旋光束干涉时的干涉图像的光强表达式如公式(1)所示：
[0027][0028]
其中，i为光强，e
l
(r)表示涡旋光振幅强度，对于同一束涡旋光，其为定值，l表示涡旋光的拓扑荷数，取值为整数或者分数，λ为涡旋光波长，其值与单色激光束的波长相同，δx为第一涡旋光束到第二反光镜的距离与第二涡旋光束到第一反光镜的距离之差，θ为平面极坐标下干涉图像中花瓣状图形的方位角，r为以干涉图像中心为极点花瓣状图形的极径。
[0029]
结合第二方面，在一种实现方式中，所述步骤4中，前一个花瓣状图形占据相邻花瓣状图形的位置，旋转的夹角为则有：
[0030][0031]
因此位移δl表示为：
[0032][0033]
所述步骤5中，测试样品的弹性模量e为：
[0034][0035]
其中，l为测试样品的原长，s为测试样品的受力面积。
[0036]
当涡旋光的拓扑荷数l增大时，其干涉图像的花瓣状图形的个数随之增加，每一个花瓣状图形占据相邻花瓣状图形的位置时，第二反光镜位移δl减小，测试样品被拉伸的形变量减小，测量微小形变量δl精度越高，弹性模量的测量越准确。
[0037]
结合第二方面，在一种实现方式中，为了进一步减小测量误差，重复步骤4，持续对测试样品加力，获得2n组数据，即：f1,f2...fn...f
2n
，为了保持测试样品的形变在弹性限度范围内，n为正整数，其取值大小与测试样品(0)的材料、长度、横截面积以及涡旋光的波长和拓扑荷数有关，运用逐差法计算出待测样品的弹性模量：
[0038][0039]
上式中i取正整数，且i≤n，为相隔n组数据逐差后的平均值，即
[0040]
结合第二方面，在一种实现方式中，当测试样品为圆柱形棒状物体时，步骤4中调节施力螺母，使第二反光镜沿着螺杆方向移动位移δl，对测试样品施加拉力，测试样品的弹性模量e为：
[0041][0042]
其中，d为测试样品的直径。
[0043]
有益效果：
[0044]
本发明提出了一种基于涡旋光无损检测技术运用静态拉伸法测量材料弹性模量的方法和检测装置。该测量方法和装置具有测量精度高、易于操作、线性度和对称度高、稳定性和重复性好等优点。
附图说明
[0045]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0046]
图1是本技术实施例提供的一种材料弹性模量的检测装置示意图一。
[0047]
图2是本技术实施例提供的一种材料弹性模量的检测装置中第二反光镜72连接的
示意图。
[0048]
图3是本技术实施例提供的一种材料弹性模量的检测装置产生的两束拓扑荷数相反的涡旋光束干涉模拟仿真图像。
[0049]
图4是申请实施例提供的一种材料弹性模量的检测装置产生的待测样品在拉力f作用下的形变示意图。
[0050]
图5是本技术实施例提供的一种材料弹性模量的检测装置产生的拓扑荷数l＝6时，δl分别为0和时的干涉图像模拟仿真图。
[0051]
图6是本技术实施例提供的一种材料弹性模量的检测装置示意图二。
[0052]
图中标号说明：测试样品0、测试光路器件100、激光器1、扩束装置2、涡旋光生成器件3、光澜4、分束器5、柱透镜6、第一反光镜71、第二反光镜72、工业相机8、电脑81、测力器件9、拉力传感器91、拉力传感器数字显示器92、激光束11、拓扑荷数为l的涡旋光束12、第一涡旋光束121、第二涡旋光束122和第三涡旋光束123。
具体实施方式
[0053]
下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
[0054]
本技术实施例提供的一种材料弹性模量的检测装置及方法，不但可以应用于拉伸法测材料弹性模量，还可应用于压缩法测材料弹性模量。
[0055]
本技术第一实施例公开一种材料弹性模量的检测装置，如图1所示，包括测试样品0、测试光路器件100和测力器件9，所述测试光路器件100和测力器件9均固定于水平面上，所述测试样品0的一端通过夹子与测力器件9相连，测试样品0的另一端通过夹子与测试光路器件100相连，测力器件9和测试光路器件100对测试样品0施加拉力或挤压力，使得测试样品0发生形变，测力器件9读取拉力值，测试光路器件100计算测试样品0发生的形变量。
[0056]
第一实施例中，如图6所示，所述测试光路器件100包括激光器1、扩束装置2、涡旋光生成器件3、光澜4、分束器5、柱透镜6、第一反光镜71、第二反光镜72、工业相机8和电脑81，
[0057]
所述激光器1，用于发出单色激光束11；
[0058]
所述扩束装置2，用于接收所述单色激光束11，并将单色激光束11变成向前传输的直径变大的平行单色光束；本实施例中，扩束装置2包括第一凸透镜和第二凸透镜(未在图中标号)，所述平行单色光束的直径取值范围为2～3毫米；
[0059]
所述涡旋光生成器件3，用于接收所述平行单色光束，并将平行单色光束变成拓扑荷数为l的涡旋光束12；
[0060]
所述光澜4，用于接收拓扑荷数为l的涡旋光束12，并发送至分束器5；
[0061]
所述分束器5，用于接收从光澜4发送的拓扑荷数为l的涡旋光束12，并将其分成第一涡旋光束121和第二涡旋光束122；同时接收柱透镜6和第二反光镜72反射回的涡旋光束；
[0062]
所述柱透镜6，用于接收第二涡旋光束122，并发送至第一反光镜71；
[0063]
所述第一反光镜71，用于接收柱透镜6发送的第二涡旋光束122，并将第二涡旋光束122反射回柱透镜6，获得拓扑荷数为-l的第三涡旋光束123；拓扑荷数为-l的第三涡旋光束123再通过分束器5传输至工业相机8；
[0064]
所述第二反光镜72，用于接收第一涡旋光束121，并将第一涡旋光束121反射回分束器5，分束器5将其传输至工业相机8；
[0065]
所述工业相机8，用于接收反射回的第一涡旋光束121和第三涡旋光束123；本实施例中，工业相机8为ccd(charge coupled device，电荷耦合器件)相机。
[0066]
所述电脑81和工业相机8连接，用于显示工业相机(8)接收的拓扑荷数相反的第一涡旋光束121和第三涡旋光束123的干涉图像。
[0067]
第一实施例中，如图2所示，所述测试光路器件100还包括施力螺母721和螺杆722，第二反光镜72设有底座，第二反光镜72底座套设于所述螺杆722上，测试样品0通过夹子与第二反光镜72底座相连，螺杆722的一端与施力螺母721旋转连接；旋转施力螺母721时，第二反光镜72底座带着第二反光镜72沿着螺杆方向移动。
[0068]
第一实施例中，所述测力器件9包括拉力传感器91和拉力传感器数字显示器92，所述拉力传感器91与测试样品0的一端通过夹子相连，所述拉力传感器数字显示器92和拉力传感器91通过数据线连接，用于显示拉力值。
[0069]
第一实施例中，所述涡旋光生成器件为叉状光栅，或者螺旋相位板，或者液晶q-plate等。
[0070]
本技术第二实施例公开一种材料弹性模量的检测方法，包括以下步骤：
[0071]
步骤1，打开激光器1，发出单色激光束11；
[0072]
步骤2，调节光澜4的位置和孔径大小，使拓扑荷数为l的涡旋光束12通过；
[0073]
步骤3，在电脑81的显示器上显示工业相机8接收的拓扑荷数相反的两束涡旋光束对应的干涉图像；所述干涉图像由2l个花瓣状图形等间隔呈圆环形排列，如模拟仿真图3和图5所示，图3中涡旋光的拓扑荷数为8，图5中涡旋光的拓扑荷数为6；
[0074]
电脑81的显示器上显示的拓扑荷数相反的涡旋光束干涉时的干涉图像的光强表达式如公式(1)所示：
[0075][0076]
其中，i(r)为光强，e
l
(r)表示涡旋光振幅强度，对于同一束涡旋光，其为定值，l表示涡旋光的拓扑荷数，λ为涡旋光波长，其值与单色激光束11的波长相同，δx为第一涡旋光束121到第二反光镜72的距离与第二涡旋光束122到第一反光镜71的距离之差，θ为平面极坐标下干涉图像中花瓣状图形的方位角，r为以干涉图像中心为极点花瓣状图形的极径。
[0077]
步骤4，调节施力螺母721，使螺杆722带动第二反光镜72沿着螺杆722方向移动位移δl，并使对应的干涉图像以图像的中心为转轴旋转，使得前一个花瓣状图形占据相邻花瓣状图形的位置如图5所示，记录此时拉力传感器数字显示器92显示的拉力值f；
[0078]
前一个花瓣状图形占据相邻花瓣状图形的位置，旋转的夹角为则有：
[0079][0080]
因此位移δl表示为：
[0081]
[0082]
步骤5，计算测试样品0的弹性模量e：
[0083][0084]
其中，l为测试样品0的原长，s为测试样品0的受力面积。
[0085]
第二实施例中，重复步骤4，持续对测试样品加力，获得2n组数据，即：f1,f2...fn...f
2n
，为了保持测试样品的形变在弹性限度范围内，n为正整数，其取值大小与测试样品0的材料、长度、横截面积以及涡旋光的波长和拓扑荷数有关，当测试样品0为直径0.6mm、长度1cm的碳钢材料，涡旋光波长为632nm、拓扑荷数为4时，n为小于等于50的自然数；运用逐差法计算出待测样品的弹性模量：
[0086][0087]
上式中i取正整数，且i≤n，为相隔n组数据逐差后的平均值，即如测量得到4组数据分别为f1、f2、f3、f4，则n取2，i取1和2，
[0088]
第二实施例中，当测试样品0为圆柱形棒状物体时，测试样品0的原长为l，涡旋光波长为632nm时，涡旋光的拓扑荷数l＝6。在电脑81的显示器上观察到如模拟仿真图5所示的12个花瓣状图形的干涉图像，每2个花瓣状图形的夹角为调节施力螺母721，使第二反光镜72沿着螺杆722方向移动，先对测试样品0施加20n的拉力，将圆柱形棒状物体(例如金属丝)原本可能存在弯折的地方拉直，再通过拉力传感器显示器把此时拉力值设置为0n，以防测试样品存在弯折而对测量结果造成影响。继续调节施力螺母721，使圆柱形棒状物体随着第二反光镜72的移动而被拉长，第二反光镜72在螺杆722上移动位移过程中，在电脑81的显示器上观察到干涉图像的每一个花瓣旋转并占据相邻花瓣的位置，如图5所示。此过程中，测试样品0被拉伸δl，如图4所示，记录此时拉力传感器数字显示器92显示的拉力值f，测试样品0的弹性模量e为：
[0089][0090]
其中，d为测试样品0的直径。
[0091]
本发明提供了一种材料弹性模量的检测装置及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。