專利名稱：：智能干涉云紋儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于實際工程材料和構(gòu)件強度測試及監(jiān)控儀器?，F(xiàn)有的云紋干涉法測試技術(shù)，使用氦氖激光時，柵頻為200～3000線/毫米。可用于工程材料和構(gòu)件的非接觸式全場位移、應變的測試，但由于如下的原因，基本上限于實驗室應用。1.它是用散裝的光學、機械零部件在工作時臨時布置、調(diào)整成所需光路，用人工方法反復調(diào)整達到所需柵頻。占據(jù)面積大，費時間，要求專門知識和技能。2.必須在暗室進行。3.必須在設(shè)有防震系統(tǒng)的工作臺上進行。4.獲得反映測試結(jié)果的云紋圖像后，必須通過照像或攝像機采集，經(jīng)洗相或計算機屏幕再現(xiàn)后，用人工或計算機通過灰度掃描方法提取位移分布數(shù)據(jù)。前者費時費力，后者在噪聲干擾較多時誤差較大。因此長期以來，工程材料和構(gòu)件的現(xiàn)場測試只能使用電測儀器。高靈敏度的云紋干涉法難于在工程現(xiàn)場應用。而電測方法為點測法，要求按應力場的分布規(guī)律正確地布點。而應力場的分布規(guī)律往往又是企望通過測試得到的結(jié)果，這一矛盾有可能造成危險點的漏檢，導致錯誤的結(jié)論。美國IBM公司94年推出了手提式工程云紋干涉儀(PortableEngneeringmoireinterferometer即PEMI)并宣稱為獨家產(chǎn)品。它的測試靈敏度只有2400線/毫米(即417nm/條紋)一種，且不可調(diào)。因此只能使用1200線/毫米試件柵，測試距離小于150毫米。此儀器由主體部分(光柵形成系統(tǒng))與接收系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、光源系統(tǒng)四部分組合而成。使用時重新組合和調(diào)整，初始狀態(tài)亦需人工調(diào)節(jié)，要求專門技術(shù)人員才能使用。鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是提供一種光、機、電一體化能方便于現(xiàn)場應用的智能干涉云紋儀。這種干涉儀可適用于不同測試靈敏度和不同測試距離，并且有處理和判斷功能。它可在不避光的情況下工作，不需要專用防震臺，其測試基準光柵頻率為500線/毫米～3000線/毫米，至測試對象距離可達1100毫米。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作原理如附圖所示。(本圖并作為說明書摘要附圖)智能干涉云紋儀具有激光器(1)，擴束鏡(2)，準直鏡(3)，主分光鏡(4)，副分光鏡(5)，反射鏡組(6)、(7)，攝像機(9)，監(jiān)視器(10)，電路板(11)，步進電機(12)，及錄相機(13)，微機(14)等。將上述部件除錄相機(13)微機(14)外，組裝在一個封閉的多層框架(15即附圖中點劃線的部分)內(nèi)。它可以阻止散射光的進入。激光器(1)發(fā)出的激光束經(jīng)擴束鏡(2)和準直鏡(3)成為準直光。又經(jīng)主分光鏡(4)分為透射和反射光兩束，每一束又經(jīng)一對副分光鏡(5)各分為兩束。由反射鏡組(6)、(7)出射的兩組準直光束射向預制有正交柵的測試對象(8)，形成反映水平和鉛垂方向兩維位移的等位移線——二組云紋圖。兩組云紋圖象由二維光柵的±1階衍射束相干涉形成并射向攝象系統(tǒng)，即進入框架(15)。該衍射束的干涉圖象經(jīng)屏幕或直接被攝象機(9)攝入，可在監(jiān)視器(10)實時顯示或微機(14)進行處理，或由錄相機(13)錄下其全過程待用。在反射鏡組(6)、(7)中各設(shè)置了兩個步進電機(12)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)和俯仰機構(gòu)，實現(xiàn)柵頻由微機(14)控制的小步距大范圍調(diào)節(jié)，以及初始云紋和載波云紋的調(diào)節(jié)。即其尚可調(diào)節(jié)初始狀態(tài)接近零場，或者施加載波條紋，并實現(xiàn)對測試對象距離的調(diào)節(jié)，以適應工程測試現(xiàn)場的不同要求。多層框架(15)可分為三層，這種分層結(jié)構(gòu)既是功能的需要，也是為了減小體積?？赊D(zhuǎn)動的反射鏡組(6)設(shè)置在同一平面即中層上，其中心與測試對象中心同高。而形成水平方向光柵的反射鏡組(7)設(shè)置在上、下層，其中心位于儀器縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，各反射鏡中心至測試對象(8)的中心距離相同。而且4個反射鏡中心在同一橫斷面內(nèi)，與儀器縱向?qū)ΨQ面對稱分布。由于形成虛光柵的兩光束是由同一激光器(1)和擴束鏡(2)準直鏡(3)等射向測試對象的，其振源基本相同。因此環(huán)境或機體振動對云紋圖的影響較不敏感。本發(fā)明所采用的攝像機要求每秒鐘能拍攝20—50幀以上圖象，并要求有仝樣快速的凍結(jié)速度，使≤50次/秒環(huán)境振動下的云紋圖，仍能清晰成象，從而實現(xiàn)了低頻振動環(huán)境下的現(xiàn)場測試，而不需專用的防震臺。在攝像機(9)的下部裝有升降和左右移動機構(gòu)(16)。由于這一系統(tǒng)安裝在封閉的框架(機體)內(nèi)，漫反射的環(huán)境光照大部分被遮擋不能進入，而且在激光束聚焦的焦點處經(jīng)小孔才能進入成象系統(tǒng)，進一步限制了剩余雜散光束的射入。成功地實現(xiàn)了在正常光照(照度允許達150勒克斯，即200W電燈照明以上)環(huán)境的現(xiàn)場測試，完全可以脫離暗室。攝像機移動機構(gòu)(16)的運動及攝像機的光圈、焦距，拍攝距離均由微機(14)或按鍵控制。它可以對云紋圖象全景采集，不同位置的局部放大攝像，進一步保證了條紋圖的清晰度和測試精度。為了實現(xiàn)上述功能，微機(14)內(nèi)裝有步進系統(tǒng)的專用線路卡和圖象處理卡及配套使用的軟件包。步進系統(tǒng)的傳動采用了普通的精密螺紋或蝸輪方式，驅(qū)動線路板(11)是裝在封閉框架(15)內(nèi)，在微機中裝有步進系統(tǒng)的專用線路卡與之相連，專用線路卡是微機(14)發(fā)出不同指令時接通指定接口的集成電路板。圖象處理卡為512×512×8bit以上的圖象卡。配套使用的軟件包可凍結(jié)并存儲圖象在硬盤，隨時由微機(14)進行保持邊緣濾波，錐形濾波，黑、白條紋邊緣檢測，條紋二值化、細化等預處理，從所采集的圖象中提取位移，應變、應力或應力強度因子等物理量，確定其分布規(guī)律，并將結(jié)果與設(shè)定的臨界值相比較，在到達臨界值時發(fā)出警報或執(zhí)行預定措施命令。本發(fā)明利用激光束直線傳播特性，通過設(shè)置直線通道和小光圈接收辦法，將全部光機零部件組合封閉在一起，實現(xiàn)正常光照下的測試。實現(xiàn)視場達Φ100毫米直徑圓面積的二維位移場的全場測試。由于在反射鏡組上安裝了由微機或按鍵控制的步進系統(tǒng)，實現(xiàn)了基準光柵和載波條紋等自動、半自動調(diào)節(jié)，步距達每步0.0042°即每步15″，每步改變柵頻數(shù)小于3線/毫米，僅為柵線頻率的0.6％(500線/毫米時)～0.1％(3000線/毫米時)。全部光、機、電系統(tǒng)包括監(jiān)視器(10)在內(nèi)，整個儀器主體部份體積為0.5×0.6×0.8M3，是通常同類試驗裝置的1/6左右。還帶行走輪，水平360°旋轉(zhuǎn)，俯仰±30°旋轉(zhuǎn)，液壓升降調(diào)節(jié)及鎖緊裝置，便于現(xiàn)場調(diào)節(jié)及使用。本儀器不僅可在教學、科研單位應用于全場應力應變分析等教學，科研工作中，而且可廣泛應用于實際工程材料，工程構(gòu)件，包括各向異性的固體生物材料，復合材料等復雜的或新興材料，在工業(yè)現(xiàn)場的強度測試，或危險部位的監(jiān)控中得到應用；還可以在高溫、高壓的石油管道的監(jiān)控系統(tǒng)、某些復合材料的無損檢測和無損評估中應用；如果采用脈沖激光器和高速攝象裝置，還可以應用于動態(tài)和沖擊測試、振動測試。權(quán)利要求1.智能干涉云紋儀，具有激光器(1)，擴束鏡(2)，準直鏡(3)，主分光鏡(4)，副分光鏡(5)，反射鏡組(6)、(7)、攝像機(9)，監(jiān)視器(10)，驅(qū)動線路板(11)，步進電機(12)及錄相機(13)微機(14)等，其特征是將上述部件除錄相機(13)微機(14)外，組裝在一個封閉的多層框架(15)內(nèi)，由反射鏡組(6)、(7)出射的兩組準直光束射向預制有正交柵的測試對象(8)，其±1階衍射束進入框架(15)，該衍射束的干涉圖象經(jīng)屏幕或直接被攝象機(9)攝入，可在監(jiān)視器(10)實時顯示或為錄像機(13)錄入，在反射鏡(6)、(7)中各設(shè)置了兩個步進電機(12)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)和俯仰機構(gòu)，實現(xiàn)柵頻由微機(14)控制的小步距大范圍調(diào)節(jié)及初始云紋和載波云紋的調(diào)節(jié)。2.按照權(quán)利要求1所述的智能干涉云紋儀，其特征是所述的多層框架(15)可分為三層，可轉(zhuǎn)動的反射鏡組(6)設(shè)置在同一平面(中層)，其中心與測試對象中心同高，可轉(zhuǎn)動的反射鏡組(7)設(shè)置在上、下層，其中心位于儀器縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，各反射鏡中心至測試對象(8)的中心距離是相同的，而且4個反射鏡中心在同一橫斷面內(nèi)，與儀器縱向?qū)ΨQ面成對稱分布。3.按照權(quán)利要求1所述的智能干涉云紋儀，其特征是所述的攝像機(9)每秒種能拍攝20—50幀以上圖象，在攝像機(9)的下部裝有升降和左右移動機構(gòu)(16)，此機構(gòu)的運動及攝像機的光圈、焦距、拍攝距離均由微機(14)或按鍵控制。4.按照權(quán)利要求1所述的智能干涉云紋儀，其特征是所述的微機(14)內(nèi)裝有步進系統(tǒng)的專用線路卡，和圖象處理卡及配套使用的軟件包，除執(zhí)行控制外，當位移，應變等物理量達臨界值時可發(fā)出警報或執(zhí)行預定措施命令。全文摘要本發(fā)明屬工程材料、構(gòu)件強度測試及監(jiān)控儀器，包括激光器1擴束鏡2準直鏡3，主分光鏡4副分光鏡5，反射鏡組6、7，攝象機9，監(jiān)視器10，線路板11，步進電機12，錄相機13和微機14，移動和升降9機構(gòu)16。除13、14外，組合在封閉的框架15內(nèi)，由微機驅(qū)動6、7，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和俯仰運動，實現(xiàn)柵頻的小步距，大范圍調(diào)節(jié)及初始云紋和載波云紋的調(diào)節(jié)，適應不同距離的調(diào)試。微機內(nèi)裝有步進線路卡，圖象處理卡和配套軟件，可執(zhí)行控制、處理、判斷功能。文檔編號G01B11/02GK1114746SQ9411874公開日1996年1月10日申請日期1994年12月1日優(yōu)先權(quán)日1994年12月1日發(fā)明者羅至善,吉貴軍,張紹義,胡小唐申請人:天津大學