一种三维云纹干涉仪及材料表面测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种三维云纹干涉仪及材料表面测量方法。
【背景技术】
[0002] 表面微观变形（微米级）是材料研宄的难点。主要表现在：一、材料种类繁多，没 有通用的表面微观变形的检测仪器；二、材料实际受载荷千变万化，还有可能是多种载荷的 耦合情况，测量环境复杂；三、微米级测量要求精度高，对环境及测量仪器的灵敏度等也要 求高。综合以上原因，使得表面微观变形测量测不准确甚至导致测量失败。
[0003] 目前，材料表面微米级测量的实验方法主要有：电测法和光测法。电测法是在试件 表面粘贴应变片，是一种接触式测量法，测量准确程度受环境影响较大，且为逐点测量，只 有贴有应变片的位置才能获得测量数据。光侧法种类繁多，有数字相关法、电子散斑法、投 影栅法、云纹法等。电测法是一种接触式测量法，在测量过程中，受到很多因素的限制，如高 温、有毒有害环境，需测试件内部等，此类情况均不能使用电测法测量。光测法克服了电测 法的缺点，是一种非接触测量法，理论上，光能照射到的地方均可以测量，相当于在被测试 件表面粘贴无数的应变片，所以是一种全场测量技术。
[0004] 云纹法作为光测法的一种测量方式，现有的云纹干涉技术或仪器均为面内测量仪 器，只能测量试件表面以及平行于试件表面方向的变形，见现有技术[1](参见陆鹏，陈巨 兵，张熹等?残余应力沿深度分布分析仪：中国，103033297A. 2013-04-10。），现有技术[2] (参见陈巨兵，余征跃，张熹等.面内三方向云纹干涉仪：中国，1740738.2006-03-01.)。 而实际测量试件多为三维物体，且受载多为空间载荷，因此对于试件表面变形测量仅限于 面内测量已经不能满足工程实际需求了。因此，需要一种即能测量面内变形，又能测量垂直 于试件表面的变形的云纹干涉仪。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种三维云纹干涉仪及其测量方法， 相对于目前光测法本发明能够实现测量试件三维变形，从而提高测量范围。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
[0007] -种三维云纹干涉仪，包括：光源、光路提升机构、扩束器、三维云纹仪本体、试件 平台、相位及其控制系统、图像采集及处理系统.
[0008] 三维云纹仪本体包括非球面镜、全反射镜M^M/、M2、M2'、、、!(/、K2、K2'、M3、 输出全反射镜、分光棱镜以及成像屏。
[0009] 光源发出的激光经光路提升机构实现光路提升；提升后的光路到达扩束器实现扩 束，形成锥形扩束光。
[0010] 在扩束器后方放置三维云纹本体；其中扩束器的中心点与非球面镜的焦点重合， 扩束光经过非球面镜形成准直光，全反射镜Mi、M/、M2、M2' 'KpK/、K2、K/布置在非 球面镜后面，全反射镜MpM/、M2、M/放置方向与水平成45°角，全反射镜Mi、M2、M/、 M/依次上下左右均匀布置第一圆周上，KpH/、K/全反射镜依次上下左右均匀布置 在第二圆周上，第一圆周的圆周直径大于第二圆周的直径，第一圆周与第二圆周的圆心重 合，且圆心过非球面镜的中心光轴，同时两个圆周所在的平面与非球面镜的中心光轴垂直； 准直光到达全反射镜A、M2被反射后形成两束光，并再次到全反射镜Ki、K2上进行二次反射， 形成两束对称光在光栅试件表面干涉；准直光到达全反射镜M/、M2'被反射后形成两束 光，并再次到全反射镜V、K2'上进行二次反射，形成两束对称光在光栅试件表面干涉。 [0011] 分光棱镜和输出全反射镜位于全反射镜MpM/、M2、M/、、、!(/、K2、K/的后 面，其中心位于非球面镜的中心光轴上，但非同时使用，输出全反射镜、分光棱镜的斜面与 水平方向成45°角放置；分光棱镜和输出全反射镜正上方放置全反射镜M3，水平放置；分 光棱镜和输出全反射镜正下方放置成像屏，水平放置；全反射镜A、M2、KpK2以及输出全反 射镜组成V场云纹测量镜组，全反射镜A'、M/、K/、K/以及输出全反射镜组成U场 云纹测量镜组，分光棱镜、全反射镜M3组成W场云纹测量镜组。
[0012] 分光棱镜和输出全反射镜后方放置试件平台，试件平台竖直放置，与非球面镜中 心光轴垂直，将光栅转移在被测材料表面，形成光栅试件置于试件平台上，图像采集与处理 系统从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理。
[0013] 所述相位及其控制系统由相移器驱动电源及3个PZT相移器构成，3个相移器分别 设在全反射镜M3、Ki、K/上，3个PZT相移器用于对反射光进行相移。
[0014] 所述一种三维云纹干涉仪，进一步包括：全反射镜固定框，带有刻度的转盘，蜗轮， 蜗杆。
[0015] 所述全反射镜KpKyK/、K/角度可调节，针对每个需要角度调节的全反射镜， 设置角度调节组件，包括：全反射镜固定框、带有刻度的转盘、蜗轮和蜗杆；蜗轮和蜗杆组 成垂直转动元件，带有刻度的转盘固定在蜗轮上，全反射镜固定框固定在带有刻度的转盘 上，需要调节的全反射镜固定全反射镜固定框上。
[0016] 所述的三维云纹干涉仪，进一步包括准直光校验器，当对准直光进行准直校验时， 将准直光校验器放置于输出全反射镜和试件平台之间；准直光校验器由平面楔镜附加升降 及转动调节功能形成；平面楔镜前后表面平面度精度达到A/1〇以上；玻璃的一面为标准 平面，另一面相对于该标准平面有一微小的斜度，斜度约为2"，形成玻璃楔。
[0017] 所述三维云纹反射仪的材料表面测量方法，具体包括以下步骤：
[0018] 步骤1 :准直光校验。
[0019] 准直光校验器和扩束光成45°方向布置，观察成像屏上干涉条纹，当干涉条纹水 平时，认为扩束器的中心点和非球面镜的焦点完全重合，完成准直光的获取，当干涉条纹非 水平时，左右移动扩束器，使得干涉条纹水平，此时认为扩束器的中心点和非球面镜的焦点 完全重合，完成准直光的获取；检验好准直光后，将准直校验器移出光场。
[0020] 步骤2 :将光栅试件放置在试件平台上。
[0021] 步骤3 :测量光栅试件的形变在U、V、W场形成的位移。
[0022] (1)测量UV面内位移
[0023] UV面内位移测量可分为U场和V场分别测量，测量原理相同。
[0024] 遮蔽全反射镜M/、M/、K/、K/、M3，并放置输出全反射镜于全反射镜札為、 心、1(2和试件平台中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行V场位移测量；准直光到达 全反射镜A、M2被反射，反射后被分为2束光，这2束光再入射到全反射镜Ki、1(2上进行二 次反射，形成对称的两束光，光束1和光束2,光束1和光束2在光栅试件表面干涉，然后再 次反射回输出全反射镜，通过输出全反射镜最终成像到成像屏上；图像采集与处理系统从 成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理。
[0025] 遮蔽全反射镜乂為、^^，并放置输出全反射镜于全反射镜M/、M/、K/、 IV和试件平台中间，其中心位于非球面镜的中心光轴上，进行U场位移测量；准直光到达 全反射镜M/、M/被反射，反射后被分为2束光，这2束光再入射到全反射镜K/、K/ 上进行二次反射到光栅试件表面，然后再次反射回输出全反射镜，通过输出全反射镜最终 成像到成像屏上；图像采集与处理系统从成像屏上采集干涉条纹图像并进行处理。
[0026] (2)测量W离面位移
[0027] 遮蔽全反射镜、M/、K/、K/，并放置分光棱镜于 K2、M/、M/、K/、K2'和试