专利名称：多功能电子散斑干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子散斑干涉仪。特别是涉及一种可以在一套系统中同时获得被测物体应力和位移的全场分布图的多功能电子散斑干涉仪。
背景技术：
电子散斑干涉技术ESPI是近年来发展比较快速的光学测量技术，它基于被测物体由于外力或自身引发的微小形变而产生散斑干涉条纹的原理，可直接测量被测物体的在外界各种载荷下产生的位移，从而进行被测物体的载荷分析，应力形变等等。它具有操作简单，非接触，精度高，具有全场测量等优势。随着该技术的成熟，在电子散斑干涉技术上由发展演变为电子散斑剪切干涉技术，ESSPI (Electronic Speckle Shearing PatternInterferometry)电子散斑剪切干涉术不仅有一般散斑干涉术的优点，而且可以直接测量物面里面位移的导数，即应变，从而在应力分析中避免了数值微分所带来的误差，另外 ESSPI技术还可以通过调整剪切量调节测量灵敏度。两种技术都有自己特有的测量被测量，ESPI主要应用于应力或振动下的位移的微小变化，如受力变形或振动下的振幅。而ESSPI主要用于测量外力的载荷或施加应力的大小。目前国内的电子散斑干涉或电子剪切散斑干涉的专利主要有以下几种。I.只能测量物体形变或振幅的系统测量形变或形貌方面的系统例如山东师范大学的利用电子散斑干涉载频调制技术测量物体形貌的方法(专利号200710112994. 6)。该专利系统在被测物体表面和被测物体参考平面外围的空隙处产生干涉载波条纹，通过CCD摄像机采集这一干涉条纹，并利用这一幅载波条纹图解调出物体表面的形貌信息。清华大学的多功能三维位移和形貌激光干涉测量系统(专利号200910088896. 2)可实现了三维形貌和位移的测量。该系统能够实现三个不同方向位移场的高精度测量，位移测量灵敏度可达波长的数量级，并有全息和电子散斑干涉两种位移测量模式，同时可实现形貌测量。测量振幅方面西安交通大学先后开发出三代电子散斑测振仪，第一代是采用人工判读贝塞尔条纹级数的方法来估算物体振动的。第二代采用相移解调的方法，可定量分析物体振幅。三代测振仪可以测量出物体在振动下的振幅分布。2只能测量物体受外力加载下的应力或应变量的系统如韩国轮胎株式会社的散斑剪切干涉法测量轮胎触地形状的装置(专利号200610109861. 9)，该装置利用激光散斑剪切干涉法能够对轮胎触地面压力分布进行全场测量。该系统取消了 ESPI系统中的参考平面，利用剪切平面镜产生两个相互错开的干涉图像，并且利用减模式并和相移方法结合求解出了全场轮胎触地面得压力分布图。目前而言，现在的专利系统或文献中提到的都是利用电子散斑测量位移场或者利用剪切散斑干涉技术测量应变场，因此并没有即能够测量形变位移场，同时还可以测量应变场的系统
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种在一个系统中同时实现被测物体受力的应变分布和位移或变形分布，使工业中的在线测量数据更加多样和精确的多功能电子散斑干涉仪。本发明所采用的技术方案是一种多功能电子散斑干涉仪，包括底座，所述的底座上由前至后依次设置有光源、支撑架、干涉分束棱镜和被测样板，所述的支撑架上前后依次的设置有光源分束镜和光源偏转三角棱镜，所述的光源分束镜和光源偏转三角棱镜之间设置有状态切换板，所述的状态切换板安装在底座上，并沿底座表面左右移动，所述的光源分束镜的下方设置有固定在底座表面的平面反射镜，所述的干涉分束棱镜的左侧设置有固定在底座表面的图像采集模块，右侧设置有状态选择板，所述的状态选择板安装在底座上，并沿底座表面前后移动。所述的支撑架包括有分别固定在底座上的左侧支撑板和右侧支撑板，以及连接在左侧支撑板和右侧支撑板之间的前支撑杆和后支撑杆，所述的前支撑杆上设置有光源分束镜，所述的后支撑杆上设置有光源偏转三角棱镜。
所述的状态切换板包括有田字格分布的第一通光孔、第一挡板、第二通光孔和第二挡板，其中，所述的第一通光孔和第一挡板位于左侧，用于选通上层光路，关闭下层光路，第二通光孔和第二挡板位于右侧，用于选通下层光路阻挡上层光路，第一通光孔和第二挡板位于上方，第一挡板和第二通光孔位于下方，并且，所述的第一挡板在位于所述的光源偏转三角棱镜这一侧的侧面上设置有剪切反射镜。所述的第一通光孔和第一挡板用于ESSPI系统，所述的第二通光孔和第二挡板用于ESPI系统。所述的状态选择板是由相移平面反射镜和参考平面并排设置。本发明的多功能电子散斑干涉仪。通过一次测量既可以得到被测物体受载荷下的应力全场分布，又可以得到被测物在该载荷下的变形或位移全场分布。这为工业检测或分析中提供了一种新型的多功能检测的方法，简化了仪器的空间，增加了测量的准确性。在一次测量中可以提供两类测量结果，可广泛的用于工业中应力，应变，或位移场的在线测量之中，如轮胎的应变值和位移场的同时在线测量，扩大了测量范围，缩减了测量仪器的空间结构，同时缩短了测量时间，在工业中大量应用后具有可观的经济效益。


图I是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的状态切换板结构示意图，其中图(a)是正面视图，图(b)是背面视图；图3是本发明的多功能电子散斑干涉仪处于ESSPI系统时的结构示意图，其中图(a)是正面视图，图(b)是图(a)中干涉系统的俯视图；图4是本发明的多功能电子散斑干涉仪处于ESPI系统时的结构示意图，其中图(a)是正面视图，图(b)是图(a)中干涉系统的俯视图。图中，I;光源2:光源分束镜
3；平面反射镜4:状态切换板
5剪切反射镜6:图像采集模块
7光源偏转三角棱镜8:干涉分束棱镜
9:相移平面反射镜10:参考平面
11被测样板12:支撑架
13底座14:内部状态切换板
15:干涉系统16:千涉系统 41:第一通光孔42:第一挡板
43第二通光孔44:第二挡板
121:左侧支撑板122:右侧支撑板
123:前支撑杆124:后支撑杆
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的多功能电子散斑干涉仪做出详细说明。为了实现在一个系统中同时实现被测物体受力的应变分布和位移或变形分布，使工业中的在线测量数据更加多样和精确，本发明在传统的ESPI和ESSPI光路上基础上，提供了一种基于光源选通模型的多功能电子散斑干涉仪。本发明可通过状态切换板切换两种不同的测量方法，即电子剪切散斑干涉测量系统(ESSPI)和电子散斑干涉测量系统(ESPI)，可以在一套系统中同时获得被测物体应力和位移的全场分布图。如图I所示，本发明的多功能电子散斑干涉仪，包括底座13，所述的底座13上由前至后依次设置有光源I、支撑架12、干涉分束棱镜8和被测样板11，所述的支撑架12上前后依次的设置有光源分束镜2和光源偏转三角棱镜7，所述的光源分束镜2和光源偏转三角棱镜7之间设置有状态切换板4，所述的状态切换板4安装在底座13上，并沿底座13表面左右移动，所述的光源分束镜2的下方设置有固定在底座13表面的平面反射镜3，所述的干涉分束棱镜8的左侧设置有固定在底座13表面的图像采集模块6，右侧设置有内部状态切换板14，所述的内部状态切换板14安装在底座13上，并沿底座13表面前后移动。所述的支撑架12包括有分别固定在底座13上的左侧支撑板121和右侧支撑板122，以及连接在左侧支撑板121和右侧支撑板122之间的前支撑杆123和后支撑杆124，所述的前支撑杆123上设置有光源分束镜2，所述的后支撑杆124上设置有光源偏转三角棱镜7。如图2所示，所述的状态切换板4包括有田字格分布的第一通光孔41、第一挡板42、第二通光孔43和第二挡板44，其中，所述的第一通光孔41和第一挡板42位于左侧，用于选通上层光路，关闭下层光路，第二通光孔43和第二挡板44位于右侧，用于选通下层光路阻挡上层光路，第一通光孔41和第二挡板44位于上方,第一挡板42和第二通光孔43位于下方，并且，所述的第一挡板42在位于所述的光源偏转三角棱镜7这一侧的侧面上设置有剪切反射镜5。通过状态切换板4的作用，可分别产生ESSPI系统和ESPI系统的两路独立的入射光源，其中，所述的第一通光孔41和第一挡板42用于ESSPI系统，所述的第二通光孔43和第二挡板44用于ESPI系统。所述的内部状态切换板14是由相移平面反射镜9和参考平面10并排设置。本发明的多功能电子散斑干涉仪，是一种具有双路入射可选择性输出的光源模块。该模块由光源1，光源分束镜2，平面反射镜3和状态切换板4构成。其原理如下首先，光源I经过分光源分束镜2可分为两束光，其中一路在上层沿水平方向输出，而另一束光经平面反射镜3在下层沿水平方向输出，两路光互不干扰。这就构成了双路入射的光源。状态切换板4则用于选通哪一路光入射进后面的光学系统之中。当需要测量应变量或应力时，可以将状态切换板4调至上层光路选通的状态，如图3 (a)所示。从图3 (a)正视图中可见，状态切换板4将上层的光路选通，通过光源偏转三角棱镜的偏转作用进入干涉系统15，干涉系统15如图3 (b)所示。而下层的光路被强行关闭。在干涉系统15内部，由相移平面反射镜9和参考平面10构成了如图3所示的内部状态切换板14,该内部状态切换板14可以实现前后移动,为了构成ESSPI系统需要移动该 内部状态切换板14，将相移平面反射镜9移至干涉分束棱镜8的正前方。而状态切换板4正面左下方有一个平面反射镜5用于调整剪切干涉系统15中的剪切量。具体的光路图如附图3 (a)所示，图3 (b)为图3 (a)中干涉系统的俯视图，从上层偏转而来的入射光源经被测样板的散射，反射至干涉分束棱镜8,在干涉分束棱镜8的作用下分成两束光，两束光再经过相移平面反射镜9和剪切反射镜5的反射后在图像采集模块6的相面上汇合发生剪切散斑干涉。为了调整剪切量，可以将状态切换板4左下方的剪切反射镜5的偏转角进行微小的调整。由图3所示的设置可完成了 ESSPI系统的光路构成，通过该系统可进行应力应变值的全场测量。而当需要测量位移场时可以将状态切换板4调整到下层光路选通的状态，如图4(a)所示，图4 (b)为图4 (a)中干涉系统的俯视图。由图4 (a)可见，光路由于状态切换板4的作用从下层入射进入干涉系统16之中，干涉系统16如图4(b)所示。为了构成ESPI系统，需要将由相移平面反射镜9和参考平面10构成内部状态切换板14向后平移参考平面10在分束棱镜的正前方。如附图4 (b)图所示，从正面入射进来的光束经过干涉分束棱镜8的作用分束成两路光，两路光分别经被测样板11反射为被测光，经参考平面10的反射为参考光，两路光再经过干涉分束棱镜8汇合，在干涉分束棱镜8位置的图像采集模块6的像面上形成散斑干涉。通过该系统可以进行位移场等物理量的测量。本发明的多功能电子散斑干涉仪，在本实施例中可这样选择，光源I可以选择波长为532nm，功率为60mw的绿色激光器。当需要测量物体的应力或应变分布时候，可以移动状态切换板4至最右端。将被测样板固定至附图I中被测样板11的位置，边界条件可选择下端固定或者四边固定。将相移平面反射镜9对准干涉分束棱镜8，相移平面反射镜9后面可以连接压电陶瓷微位移装置用于产生相移算法。状态切换板4左下角的剪切反射镜5通过4个螺丝固定在状态切换板4板上，通过调整4个螺丝的松紧可调节剪切系统中的剪切量。调整适当的剪切量，利用由高分辨率高速的C⑶摄像机，如MTV-23F1，和高精度图像采集卡，如0K-M10B构成的图像采集模块6，采集一副图像，等待被测样板11受应力变形后再采集另外一副图像，利用减模式获得剪切散斑干涉的条纹图，再通过相移系统可以计算出被测样板全场的应力分布。而当需要测量被测物的位移场时，需要移动状态切换板4至最左端，同样将被测样板固定至附图I中被测样板11的位置，选择适当的边界条件。将参考平面10对准准干涉分束棱镜8，参考平面10后面连接压电陶瓷机构，此时先采集一副图像，等待被测样板变形后再采集另外一副图像，利用减模式获得电子散斑干涉的条纹图，再通过相移系统可以计算出被测样板全场的位移分布。在测量中可以灵 活的改变状态切换板4的位置，从而完成多个物理量的同时在线测量。
权利要求
1.一种多功能电子散斑干涉仪，包括底座(13)，其特征在于，所述的底座(13)上由前至后依次设置有光源(I )、支撑架(12)、干渉分束棱镜(8)和被测样板(11 )，所述的支撑架(12)上前后依次的设置有光源分束镜(2)和光源偏转三角棱镜(7)，所述的光源分束镜(2)和光源偏转三角棱镜(7)之间设置有状态切换板(4)，所述的状态切换板(4)安装在底座(13)上，并沿底座(13)表面左右移动，所述的光源分束镜(2)的下方设置有固定在底座(13)表面的平面反射镜(3)，所述的干渉分束棱镜(8)的左侧设置有固定在底座(13)表面的图像采集模块(6)，右侧设置有状态选择板(14)，所述的状态选择板(14)安装在底座(13)上，并沿底座(13)表面前后移动。
2.根据权利要求I所述的多功能电子散斑干涉仪，其特征在于，所述的支撑架(12)包括有分别固定在底座(13)上的左侧支撑板(121)和右侧支撑板(122)，以及连接在左侧支 撑板(121)和右侧支撑板(122)之间的前支撑杆(123)和后支撑杆(124)，所述的前支撑杆(123)上设置有光源分束镜(2)，所述的后支撑杆(124)上设置有光源偏转三角棱镜(7)。
3.根据权利要求I所述的多功能电子散斑干涉仪，其特征在于，所述的状态切换板(4)包括有田字格分布的第一通光孔(41)、第一挡板(42)、第二通光孔(43)和第二挡板(44),其中，所述的第一通光孔(41)和第一挡板(42)位于左侧，用于选通上层光路，关闭下层光路，第二通光孔(43)和第二挡板(44)位于右侧，用于选通下层光路阻挡上层光路，第一通光孔(41)和第二挡板(44)位于上方,第一挡板(42)和第二通光孔(43)位于下方,并且,所述的第一挡板(42)在位于所述的光源偏转三角棱镜(7)这ー侧的侧面上设置有剪切反射镜(5)。
4.根据权利要求3所述的多功能电子散斑干涉仪，其特征在于，所述的第一通光孔(41)和第一挡板(42)用于ESSPI系统，所述的第二通光孔(43)和第二挡板(44)用于ESPI系统。
5.根据权利要求I所述的多功能电子散斑干涉仪，其特征在于，所述的状态选择板(14)是由相移平面反射镜(9)和參考平面(10)并排设置。
全文摘要
一种多功能电子散斑干涉仪，在底座上由前至后依次设置有光源、支撑架、干涉分束棱镜和被测样板，支撑架上前后依次的设置有光源分束镜和光源偏转三角棱镜，光源分束镜和光源偏转三角棱镜之间设置有状态切换板，状态切换板安装在底座上，并沿底座表面左右移动，光源分束镜的下方设置有固定在底座表面的平面反射镜，干涉分束棱镜的左侧设置有固定在底座表面的图像采集模块，右侧设置有状态选择板，状态选择板安装在底座上，并沿底座表面前后移动。本发明可广泛的用于工业中应力,应变,或位移场的在线测量之中，如轮胎的应变值和位移场的同时在线测量，扩大了测量范围，缩减了测量仪器的空间结构，同时缩短了测量时间，在工业中大量应用后具有可观的经济效益。
文档编号G01B11/02GK102735380SQ20121017024
公开日2012年10月17日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者刘铁根, 季业, 张以谟, 张红霞, 贾大功 申请人:天津大学