专利名称：：智能干涉云纹仪的制作方法
技术领域：
：本发明属于实际工程材料和构件强度测试及监控仪器。现有的云纹干涉法测试技术，使用氦氖激光时，栅频为200～3000线/毫米。可用于工程材料和构件的非接触式全场位移、应变的测试，但由于如下的原因，基本上限于实验室应用。1.它是用散装的光学、机械零部件在工作时临时布置、调整成所需光路，用人工方法反复调整达到所需栅频。占据面积大，费时间，要求专门知识和技能。2.必须在暗室进行。3.必须在设有防震系统的工作台上进行。4.获得反映测试结果的云纹图像后，必须通过照像或摄像机采集，经洗相或计算机屏幕再现后，用人工或计算机通过灰度扫描方法提取位移分布数据。前者费时费力，后者在噪声干扰较多时误差较大。因此长期以来，工程材料和构件的现场测试只能使用电测仪器。高灵敏度的云纹干涉法难于在工程现场应用。而电测方法为点测法，要求按应力场的分布规律正确地布点。而应力场的分布规律往往又是企望通过测试得到的结果，这一矛盾有可能造成危险点的漏检，导致错误的结论。美国IBM公司94年推出了手提式工程云纹干涉仪(PortableEngneeringmoireinterferometer即PEMI)并宣称为独家产品。它的测试灵敏度只有2400线/毫米(即417nm/条纹)一种，且不可调。因此只能使用1200线/毫米试件栅，测试距离小于150毫米。此仪器由主体部分(光栅形成系统)与接收系统、显示系统、光源系统四部分组合而成。使用时重新组合和调整，初始状态亦需人工调节，要求专门技术人员才能使用。鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种光、机、电一体化能方便于现场应用的智能干涉云纹仪。这种干涉仪可适用于不同测试灵敏度和不同测试距离，并且有处理和判断功能。它可在不避光的情况下工作，不需要专用防震台，其测试基准光栅频率为500线/毫米～3000线/毫米，至测试对象距离可达1100毫米。本发明的结构及工作原理如附图所示。(本图并作为说明书摘要附图)智能干涉云纹仪具有激光器(1)，扩束镜(2)，准直镜(3)，主分光镜(4)，副分光镜(5)，反射镜组(6)、(7)，摄像机(9)，监视器(10)，电路板(11)，步进电机(12)，及录相机(13)，微机(14)等。将上述部件除录相机(13)微机(14)外，组装在一个封闭的多层框架(15即附图中点划线的部分)内。它可以阻止散射光的进入。激光器(1)发出的激光束经扩束镜(2)和准直镜(3)成为准直光。又经主分光镜(4)分为透射和反射光两束，每一束又经一对副分光镜(5)各分为两束。由反射镜组(6)、(7)出射的两组准直光束射向预制有正交栅的测试对象(8)，形成反映水平和铅垂方向两维位移的等位移线——二组云纹图。两组云纹图象由二维光栅的±1阶衍射束相干涉形成并射向摄象系统，即进入框架(15)。该衍射束的干涉图象经屏幕或直接被摄象机(9)摄入，可在监视器(10)实时显示或微机(14)进行处理，或由录相机(13)录下其全过程待用。在反射镜组(6)、(7)中各设置了两个步进电机(12)驱动的旋转和俯仰机构，实现栅频由微机(14)控制的小步距大范围调节，以及初始云纹和载波云纹的调节。即其尚可调节初始状态接近零场，或者施加载波条纹，并实现对测试对象距离的调节，以适应工程测试现场的不同要求。多层框架(15)可分为三层，这种分层结构既是功能的需要，也是为了减小体积。可转动的反射镜组(6)设置在同一平面即中层上，其中心与测试对象中心同高。而形成水平方向光栅的反射镜组(7)设置在上、下层，其中心位于仪器纵向对称面内，各反射镜中心至测试对象(8)的中心距离相同。而且4个反射镜中心在同一横断面内，与仪器纵向对称面对称分布。由于形成虚光栅的两光束是由同一激光器(1)和扩束镜(2)准直镜(3)等射向测试对象的，其振源基本相同。因此环境或机体振动对云纹图的影响较不敏感。本发明所采用的摄像机要求每秒钟能拍摄20—50帧以上图象，并要求有仝样快速的冻结速度，使≤50次/秒环境振动下的云纹图，仍能清晰成象，从而实现了低频振动环境下的现场测试，而不需专用的防震台。在摄像机(9)的下部装有升降和左右移动机构(16)。由于这一系统安装在封闭的框架(机体)内，漫反射的环境光照大部分被遮挡不能进入，而且在激光束聚焦的焦点处经小孔才能进入成象系统，进一步限制了剩余杂散光束的射入。成功地实现了在正常光照(照度允许达150勒克斯，即200W电灯照明以上)环境的现场测试，完全可以脱离暗室。摄像机移动机构(16)的运动及摄像机的光圈、焦距，拍摄距离均由微机(14)或按键控制。它可以对云纹图象全景采集，不同位置的局部放大摄像，进一步保证了条纹图的清晰度和测试精度。为了实现上述功能，微机(14)内装有步进系统的专用线路卡和图象处理卡及配套使用的软件包。步进系统的传动采用了普通的精密螺纹或蜗轮方式，驱动线路板(11)是装在封闭框架(15)内，在微机中装有步进系统的专用线路卡与之相连，专用线路卡是微机(14)发出不同指令时接通指定接口的集成电路板。图象处理卡为512×512×8bit以上的图象卡。配套使用的软件包可冻结并存储图象在硬盘，随时由微机(14)进行保持边缘滤波，锥形滤波，黑、白条纹边缘检测，条纹二值化、细化等预处理，从所采集的图象中提取位移，应变、应力或应力强度因子等物理量，确定其分布规律，并将结果与设定的临界值相比较，在到达临界值时发出警报或执行预定措施命令。本发明利用激光束直线传播特性，通过设置直线通道和小光圈接收办法，将全部光机零部件组合封闭在一起，实现正常光照下的测试。实现视场达Φ100毫米直径圆面积的二维位移场的全场测试。由于在反射镜组上安装了由微机或按键控制的步进系统，实现了基准光栅和载波条纹等自动、半自动调节，步距达每步0.0042°即每步15″，每步改变栅频数小于3线/毫米，仅为栅线频率的0.6％(500线/毫米时)～0.1％(3000线/毫米时)。全部光、机、电系统包括监视器(10)在内，整个仪器主体部份体积为0.5×0.6×0.8M3，是通常同类试验装置的1/6左右。还带行走轮，水平360°旋转，俯仰±30°旋转，液压升降调节及锁紧装置，便于现场调节及使用。本仪器不仅可在教学、科研单位应用于全场应力应变分析等教学，科研工作中，而且可广泛应用于实际工程材料，工程构件，包括各向异性的固体生物材料，复合材料等复杂的或新兴材料，在工业现场的强度测试，或危险部位的监控中得到应用；还可以在高温、高压的石油管道的监控系统、某些复合材料的无损检测和无损评估中应用；如果采用脉冲激光器和高速摄象装置，还可以应用于动态和冲击测试、振动测试。权利要求1.智能干涉云纹仪，具有激光器(1)，扩束镜(2)，准直镜(3)，主分光镜(4)，副分光镜(5)，反射镜组(6)、(7)、摄像机(9)，监视器(10)，驱动线路板(11)，步进电机(12)及录相机(13)微机(14)等，其特征是将上述部件除录相机(13)微机(14)外，组装在一个封闭的多层框架(15)内，由反射镜组(6)、(7)出射的两组准直光束射向预制有正交栅的测试对象(8)，其±1阶衍射束进入框架(15)，该衍射束的干涉图象经屏幕或直接被摄象机(9)摄入，可在监视器(10)实时显示或为录像机(13)录入，在反射镜(6)、(7)中各设置了两个步进电机(12)驱动的旋转和俯仰机构，实现栅频由微机(14)控制的小步距大范围调节及初始云纹和载波云纹的调节。2.按照权利要求1所述的智能干涉云纹仪，其特征是所述的多层框架(15)可分为三层，可转动的反射镜组(6)设置在同一平面(中层)，其中心与测试对象中心同高，可转动的反射镜组(7)设置在上、下层，其中心位于仪器纵向对称面内，各反射镜中心至测试对象(8)的中心距离是相同的，而且4个反射镜中心在同一横断面内，与仪器纵向对称面成对称分布。3.按照权利要求1所述的智能干涉云纹仪，其特征是所述的摄像机(9)每秒种能拍摄20—50帧以上图象，在摄像机(9)的下部装有升降和左右移动机构(16)，此机构的运动及摄像机的光圈、焦距、拍摄距离均由微机(14)或按键控制。4.按照权利要求1所述的智能干涉云纹仪，其特征是所述的微机(14)内装有步进系统的专用线路卡，和图象处理卡及配套使用的软件包，除执行控制外，当位移，应变等物理量达临界值时可发出警报或执行预定措施命令。全文摘要本发明属工程材料、构件强度测试及监控仪器，包括激光器1扩束镜2准直镜3，主分光镜4副分光镜5，反射镜组6、7，摄象机9，监视器10，线路板11，步进电机12，录相机13和微机14，移动和升降9机构16。除13、14外，组合在封闭的框架15内，由微机驱动6、7，产生旋转和俯仰运动，实现栅频的小步距，大范围调节及初始云纹和载波云纹的调节，适应不同距离的调试。微机内装有步进线路卡，图象处理卡和配套软件，可执行控制、处理、判断功能。文档编号G01B11/02GK1114746SQ9411874公开日1996年1月10日申请日期1994年12月1日优先权日1994年12月1日发明者罗至善,吉贵军,张绍义,胡小唐申请人:天津大学