专利名称：残余应力沿深度分布分析仪的制作方法
技术领域：
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种光学无损检测仪器。
背景技术：
残余应力及其沿深度方向分布的测试一直是实验固体力学研究的难点和热点。残余应力的存在使得结构不稳定甚至破坏的例子屡见不鲜，无损检测领域也将残余应力检测列为极为重要的研究领域。例如，对于港口瞬变负荷，在大容量电网可稳定运行；但在应急状况下，采用较小容量备用电站供电时，一般做法是通过增大电站容量来满足港口这类特殊用电负荷的要求；但是机组频繁突加突卸，机组转速频繁大幅波动，机组轴系扭矩冲击剧烈，将大幅降低轴系疲劳寿命，造成严重问题。开展港口瞬变负荷备用柴油发电机组技术研究，采用蓄能机组应对冲击瞬变负荷，机组轴系串接了蓄能飞轮，轴系冲击较普通机组小，通过“残余应力沿深度分布分析仪”来测试残余应力及其沿深度方向分布，从而研究轴系长期冲击和疲劳状态下材料的残余应力，以保证轴系使用寿命和安全。专利为ZL200510027941. 5的发明中公布了一种面内三方向云纹干涉仪，该仪器应用高密度衍射光栅和激光干涉技术进行位移和变形的测量，因为残余应力的成因很复杂，造成它的大小及分布也非常复杂，尤其是沿深度方向。钻孔测试残余应力是最常见的方法，美国ASTM专门制订了电阻应变花结合钻孔测量残余应力及其沿深度分布的标准。由于电阻应变花在测量钻孔过程的释放应变存在难以克服的缺陷，限制了该方法的测量精度。目前，国内外还未有上述“电阻应变花结合钻孔测量残余应力及其沿深度分布”的装置，只是应用粘贴应变片(又叫电阻应变花)的电测方法来间接和逐点测量，贴到应变片的地方有数据，没有贴到的没有数据，所以这是一种逐点测量技术，且受到环境、温度等限制，既不稳定，还很不准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学无损检测仪器，该仪器能直接获得试件沿深度上的残余应力分布数据。本发明的技术方案是一种残余应力沿深度分布分析仪，它包括激光器、空间滤波器、三方向云纹仪本体、试件平台、相移器全反射部件、钻孔装置、图像采集装置及控制处理系统；激光器固定在支撑架上；空间滤波器包括高倍物镜、针孔、物镜调节座、物镜调节座支撑、滑动平板、固定平板、针孔调节座支撑、针孔调节座、螺柱A、调平板、固定板和螺柱B ;高倍物镜的一端外围带有螺纹，将高倍物镜拧入物镜调节座中，物镜调节座通过物镜调节座支撑与固定平板固定连接；针孔固定在针孔调节座上，针孔调节座由两个套接的圆盘组成，针孔固定在里侧圆盘中，里侧圆盘与外侧圆盘间通过一个弹簧与两个调节螺栓固定，弹簧与两个调节螺栓对里侧圆盘进行三点支撑，孔调节座通过针孔调节座支撑与滑动平板固定连接，滑动平板放置在固定平板上，针孔调节座支撑底部安有螺柱A，螺柱A的一端旋入固定平板中，固定平板位于调平板的上表面；固定板与调平板通过螺柱B连接，在固定板与调平板之间放有弹子与弹簧，空间滤波器通过固定板安装在支撑架上；三方向云纹仪本体包括大面积全反射镜、非球面镜及其调节座、三方向云纹组合板以及支架；非球面镜及其调节座包括两块中心带有等直径通孔的平板，非球面镜、弹簧与钢球，非球面镜嵌入一块平板中，两块平板通过螺栓连接，在两个平板之间放置弹簧与钢球；三方向云纹组合板包括上下设置的两块圆板，上面的圆板a以其圆心为原点，在其X轴、y轴以及45°轴上，对称的设有6个方孔，下面的圆板b以其圆心为原点，在其y轴上，对称的设有2个方孔；大面积全反射镜、非球面镜及其调节座、三方向云纹组合板依次安装在支架上,其中大面积全反射镜与水平面呈45°夹角；以相移器全反射部件的圆心为原点，沿其X轴、y轴以及45°轴方向开有6个斜孔，斜孔的斜面与水平夹角为a，在每个斜孔的斜面上安装2块全反射镜，其中，内侧斜面上的全反射镜与三方向云纹组合板中圆板a的方孔上下对应，在外侧斜面的X轴、y轴以及45°轴上每组全反射镜的其中一块的背面安装相移器；试件安装在试件平台内，其中心对应相移器全反射部件外圈反射镜的聚点，在试件的正上方的试件平台上设有与水平夹角45°的全反射镜A，图像采集装置用于采集全反射镜A反射的图像，并将采集到的图像传送至控制处理系统，控制处理系统同时对钻孔装置及相移器全反射部件中的相移器进行控制，三方向云纹仪本体与相移器全反射部件安装在试件上方的试件平台的上方。本发明的有益效果是1)本发明采用空间滤波器有效的滤除光场边缘杂质，并提高了扩束面积，还使得光场更加均匀和纯净，从而提高了条纹的对比度；2)本发明采用采用非球面准直镜形成高质量的准直光，使得仪器更加紧凑；3)本发明空间滤波器的特殊结构设计，可以多角度的调节高倍物镜与针孔之间的相对位置，以保持基准。
图1为本发明结构示意图；图2为本发明中空间滤波器结构示意图；图3为本发明中本发明中针孔调节座结构示意图；图4为本发明中非球面镜及其调节座结构示意图；图5为本发明中三方向云纹组合板结构示意图；图6为本发明中相移器全反射部件的主视图；图7为本发明实验结果图；其中，1-激光器、2-空间滤波器、3-三方向云纹仪本体、4-试件平台、5-相移器全反射部件、6-钻孔装置、7-图像采集、8-控制处理系统、2.1-高倍物镜、2. 2-针孔、2. 3-物镜调节座、2. 4-物镜调节座支撑、2. 5-滑动平板、2. 6-固定平板、2. 7-针孔调节座支撑、
2.8-针孔调节座、2. 9-螺柱A、2. 10-调平板、2. 11-固定板、2. 12-螺柱B、3.1-大面积全反射镜、3. 2-非球面镜及其调节座、3. 3-三方向云纹组合板。
具体实施例方式参见附图1，一种残余应力沿深度分布分析仪，它包括激光器1、空间滤波器2、三方向云纹仪本体3、试件平台4、相移器全反射部件5、钻孔装置6和图像采集装置7及控制处理系统8 ；激光器I固定在支撑架上；参见附图2、3，空间滤波器2包括高倍物镜2.1、针孔2. 2、物镜调节座2. 3、物镜调节座支撑2. 4、滑动平板2. 5、固定平板2. 6、针孔调节座支撑2. 7、针孔调节座2. 8、螺柱A2. 9、调平板2. 10、固定板2. 11和螺柱B2. 12 ;高倍物镜2.1的一端外围带有螺纹，将高倍物镜2.1拧入物镜调节座2. 3中，根据旋入的深度，可调节高倍物镜2.1距针孔2的距离，物镜调节座2. 3通过物镜调节座支撑2. 4与固定平板2. 6固定连接；针孔2. 2固定在针孔调节座2. 8上，针孔调节座2. 8由两个套接的圆盘组成，针孔2. 2固定在里侧圆盘中，里侧圆盘与外侧圆盘间通过一个弹簧与两个调节螺栓固定，弹簧与两个调节螺栓对里侧圆盘进行三点支撑，通过调节两个螺栓就可以调节针孔2. 2上下、左右的位置，孔调节座2. 8通过针孔调节座支撑2. 7与滑动平板2. 5固定连接，滑动平板2. 5放置在固定平板2. 6上，通过调节安装于针孔调节座支撑2.7底部的螺柱A2.9，可调节高倍物镜2.1距针孔2.2的距离；固定平板2. 6位于调平板2. 10的上表面，固定板2. 11与调平板2. 10通过螺柱B2. 12连接，在固定板2. 11与调平板2. 10之间放有弹子与弹簧，通过旋转螺柱B2. 12，可使调平板2. 10相对于固定板2. 11沿弹子上下绕动，产生倾斜，空间滤波器2通过固定板2. 11下方安装在支撑架上；参见附图3、4、5，三方向云纹仪本体3包括大面积全反射镜3.1、非球面镜及其调节座3. 2、三方向云纹组合板3. 3以及支架；非球面镜及其调节座3. 2包括两块中心带有等直径通孔的平板，非球面镜、弹簧与钢球，非球面镜嵌入一块平板A中，平板A与平板B通过螺栓连接，在平板A与平板B之间放置弹簧与钢球，平板B固定在支架上，而旋转螺栓可调节非球面准直镜相对于平板B的角度，从而达到调整光路准直性的目的；三方向云纹组合板3. 3包括上下设置的两块圆板，上面的圆板a以其圆心为原点，在其X轴、y轴以及45°轴上，对称的设有6个方孔，下面的圆板b以其圆心为原点，在其y轴上，对称的设有2个方孔；圆板a和圆板b上下同心布置，圆板a固定在支架上，从非球面镜照射下来的准直光线通过其上的6个方孔，形成6块区域光场；圆板b可以绕中心旋转，当其方孔转到X轴方向时，对圆板a的y轴及45°方向的光场进行了遮挡，只让x轴方向的2个方孔光场通过，此时，光场对应X场的测量，同理,当b板旋转到y轴，则对应y场测量，b旋转到45°轴方向，可测量45°方向的光场；大面积全反射镜3.1、非球面镜及其调节座3. 2、三方向云纹组合板3. 3依次安装在支架上，其中大面积全反射镜3.1与水平面呈45°夹角；参见附图6，以相移器全反射部件5的圆心为原点，沿其X轴、y轴以及45°轴方向开有6个斜孔，斜孔的斜面与水平夹角为a，在每个斜孔的斜面上安装2块全反射镜，其中，内侧斜面上的全反射镜与三方向云纹组合板3. 3中圆板a的方孔上下对应，在外侧斜面的X轴、y轴以及45°轴上每组全反射镜的其中一块的背面安装相移器；试件安装在试件平台4内，其中心对应相移器全反射部件5外圈反射镜的聚点，在试件的正上方的试件平台4上设有与水平夹角45°的全反射镜A，图像采集装置7用于采集全反射镜A反射的图像，并将采集到的图像传送至控制处理系统8，控制处理系统8同时对钻孔装置6及相移器全反射部件5进行控制，三方向云纹仪本体3与相移器全反射部件5安装在试件上方的试件平台4上；残余应力沿深度分布分析仪的工作流程为激光器I射出的激光经空间滤波器2后，投射到大面积全反射镜3. 1，大面积全反射镜3.1将激光反射到非球面镜，使光场成为均匀的准直光场，光场经三方向云纹组合板
3.3及相仪器全反射部件5的折射后，照射至试件表面，控制处理系统8相仪器全反射部件5外圈上的相移器，对光程进行干预，图像采集装置7通过全反射镜A采集到试件上因光场干预而形成的条纹图像，并传送至控制处理系统8，控制处理系统8控制钻孔装置6对试件钻孔，钻孔后，将钻孔装置6移出光路，图像采集装置7采集钻孔后的试件表面条纹图片，并传送至控制处理系统8，控制处理系统8通过对比钻孔前后的相移图片，计算出残余应力，附图7为图像采集装置7采集到的试件条纹图像。
权利要求
1.一种残余应力沿深度分布分析仪，其特征是，它包括激光器(I)、空间滤波器(2)、三方向云纹仪本体(3)、试件平台(4)、相移器全反射部件(5)、钻孔装置(6)、图像采集装置(7)及控制处理系统(8)； 激光器(I)固定在支撑架上； 空间滤波器(2)包括高倍物镜(2.1)、针孔(2. 2)、物镜调节座(2. 3)、物镜调节座支撑(2. 4)、滑动平板(2. 5)、固定平板(2. 6)、针孔调节座支撑(2. 7)、针孔调节座(2. 8)、螺柱A (2. 9)、调平板(2. 10)、固定板(2. 11)和螺柱B (2. 12);高倍物镜(2.1)的一端外围带有螺纹，将高倍物镜(2.1)拧入物镜调节座(2. 3)中，物镜调节座(2. 3)通过物镜调节座支撑(2. 4)与固定平板(2. 6)固定连接；针孔(2. 2)固定在针孔调节座(2. 8)上，针孔调节座(2.8)由两个套接的圆盘组成，针孔(2.2)固定在里侧圆盘中，里侧圆盘与外侧圆盘间通过一个弹簧与两个调节螺栓固定，弹簧与两个调节螺栓对里侧圆盘进行三点支撑，孔调节座(2.8)通过针孔调节座支撑(2.7)与滑动平板(2. 5)固定连接，滑动平板(2.5)放置在固定平板(2. 6)上，针孔调节座支撑(2. 7)底部安有螺柱A(2. 9)，螺柱A(2. 9)的一端旋入固定平板(2. 6)中，固定平板(2. 6)位于调平板(2. 10)的上表面；固定板(2. 11)与调平板(2. 10)通过螺柱B (2. 12)连接，在固定板(2. 11)与调平板(2. 10)之间放有弹子与弹簧，空间滤波器(2)通过固定板(2. 11)安装在支撑架上； 三方向云纹仪本体(3 )包括大面积全反射镜(3.1)、非球面镜及其调节座(3. 2 )、三方向云纹组合板(3. 3)以及支架；非球面镜及其调节座(3. 2)包括两块中心带有等直径通孔的平板，非球面镜、弹簧与钢球，非球面镜嵌入一块平板中，两块平板通过螺栓连接，在两个平板之间放置弹簧与钢球；三方向云纹组合板(3. 3)包括上下设置的两块圆板，上面的圆板a以其圆心为原点，在其X轴、y轴以及45°轴上，对称的设有6个方孔，下面的圆板b以其圆心为原点，在其y轴上，对称的设有2个方孔；大面积全反射镜(3.1)、非球面镜及其调节座(3. 2)、三方向云纹组合板(3. 3)依次安装在支架上，其中大面积全反射镜(3.1)与水平面呈45°夹角； 以相移器全反射部件(5)的圆心为原点，沿其X轴、y轴以及45°轴方向开有6个斜孔，斜孔的斜面与水平夹角为a，在每个斜孔的斜面上安装2块全反射镜，其中，内侧斜面上的全反射镜与三方向云纹组合板(3. 3)中圆板a的方孔上下对应，在外侧斜面的X轴、y轴以及45°轴上每组全反射镜的其中一块的背面安装相移器； 试件安装在试件平台(4)内，其中心对应相移器全反射部件(5)外圈反射镜的聚点，在试件的正上方的试件平台(4)上设有与水平夹角45°的全反射镜A，图像采集装置(7)用于采集全反射镜A反射的图像，并将采集到的图像传送至控制处理系统(8)，控制处理系统(8 )同时对钻孔装置(6 )及相移器全反射部件(5 )中的相移器进行控制，三方向云纹仪本体(3)与相移器全反射部件(5)安装在试件上方的试件平台(4)的上方。
2.如权利要求1所述的一种残余应力沿深度分布分析仪，其特征是，所述激光器(I)与空间滤波器(2)下方的支撑架高度可调。
3.如权利要求1或2所述的一种残余应力沿深度分布分析仪，其特征是，所述高倍物镜(2.1)可选择8X、10X、20X、40X或60X，所述针孔(2. 2)的孔径可选择IOu U5u或20 y。
4.如权利要求1或2所述的一种残余应力沿深度分布分析仪，其特征是，激光器(I)采用固体泵浦绿激光器。
全文摘要
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种光学无损检测仪器，一种残余应力沿深度分布分析仪，激光器(1)射出的激光经空间滤波器(2)后，投射到大面积全反射镜(3.1)，大面积全反射镜(3.1)将激光反射到非球面镜，使光场成为均匀的准直光场，光场经三方向云纹组合板(3.3)及相移器全反射部件(5)的折射后，照射至试件表面，控制处理系统(8)控制仪器全反射部件(5)外圈上的相移器，对光程进行干预，图像采集装置(7)通过全反射镜A采集到试件上因光场干涉而形成的条纹图像，并传送至控制处理系统(8)，控制处理系统(8)控制钻孔装置(6)对试件钻孔；利用本发明可以直接获得试件沿深度上的残余应力分布数据。
文档编号G01L1/24GK103033297SQ20121052959
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者陆鹏, 陈巨兵, 张熹, 吴君毅, 罗飞 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所