[发明专利]一种多灵敏度制栅云纹干涉仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种集光栅制作与变形测量为一体的多灵敏度制栅云纹干涉仪，属于光测力学、变形检测技术领域。

背景技术

云纹法以其非接触、全场测量等优点，是一种广受关注的位移和应变测量方法，其中几何云纹法因灵敏度低无法适应小变形的测量，高倍显微镜云纹法因成本高昂、对环境要求高在工程使用中受到限制，而云纹干涉法以灵敏度高、条纹反差好、分辨率高、可实时观测、适于多种物理性能的测量对象、适于复杂的工作环境(不受磁场干扰、高低温、静动态下都适用)等优点，备受人们关注，已在断裂力学、复合材料力学、材料结构、温度应力、残余应力测试等试验研究及工程测试中获得广泛的推广和应用。尤其是近年来随着细观力学研究的深入和新材料的不断出现，云纹干涉法作为一种重要的试验方法正发挥着越来越重要的作用。

云纹干涉仪是云纹干涉法的主要实施设备，自1970年云纹干涉法出现以来得到迅速发展，美国IBM公司推出了手提式工程云纹干涉仪，戴福隆研制了三维云纹干涉仪(中国发明专利申请号：200410000005.0)、张熹提出了二维相移云纹干涉仪(中国发明专利申请号：200510025444.1)、陈巨兵发展了面内三方向云纹干涉仪(中国发明专利申请号：200510027941.5)。然而这些云纹干涉仪的使用都需要事先在试件上制作光栅即试件栅，而高质量试件栅的制作则是一项公认的难题。目前常用的试件栅制作方法主要有机械刻划法、复制法和光刻法，机械刻划法制作光栅频率低，且对刻划机的运动精度及环境温度湿度要求高；复制法需要把已有的光栅转移到试件表面，对转移技术要求高；光刻法包括掩膜曝光法、高能束刻蚀法和光学干涉法，其中掩膜曝光法要么分辨率低要么掩模制备困难，高能束刻蚀法使用高倍显微镜，成本高，对试件的尺寸限制严格且要求试件导电，常用的光学干涉法光路系统复杂。此外，把制作好光栅的试件放入云纹干涉仪时光栅易被污染或损坏。

发明内容

本发明旨在针对云纹干涉法中高质量试件栅制作困难的难题，提供一种多灵敏度制栅云纹干涉仪。既可方便地在测试试件上制作多种频率的光栅，又可通过云纹干涉法进行变形测量，结构紧凑，使用方便，光路原理简单，可制作单向栅或正交栅，制作的光栅质量高且不易被污染，变形测量精度高，位移测量灵敏度达波长量级。

本发明的技术方案如下：

一种多灵敏度制栅云纹干涉仪，包括：激光器1、分光耦合器2、干涉光路系统3、图像采集系统4以及加载及六维调节装置5，其特征在于：所述的干涉光路系统3中含有制作u场光栅的光路、测量u场位移的光路、制作v场光栅的光路和测量v场位移的光路，其中制作u场光栅的光路依次通过分光耦合器2中的开关控制器6、第一光纤耦合器7后，经第一光纤分光器11分光，分两束分别进入干涉光路系统3，一束依次经过u场制栅第一反射镜15、u场制栅第一楔形反射镜20、u场制栅第一准直透镜22后入射到试件40表面，另一束依次经过u场制栅第二反射镜16、u场制栅第二楔形反射镜19、u场制栅第二准直透镜21后入射到试件40表面；

所述测量u场位移的光路依次通过分光耦合器2中的开关控制器6、第二光纤耦合器8后，经第二光纤分束器12分光，分两束分别进入干涉光路系统3，一束依次经过u场测量第一反射镜17、u场测量第一准直透镜24、u场测量第一平面反射镜26后入射到试件40表面，另一束依次经过u场测量第二反射镜18、u场测量第二准直透镜23、u场测量第二平面反射镜25后入射到试件40表面；

所述制作v场光栅的光路依次通过分光耦合器2中的开关控制器6、第三光纤耦合器9后，经第三光纤分束器13分光，分两束分别进入干涉光路系统3，一束依次经过v场制栅第一反射镜27、v场制栅第一楔形反射镜32、v场制栅第一准直透镜34后入射到试件40表面，另一束依次经过v场制栅第二反射镜28、v场制栅第二楔形反射镜31、v场制栅第二准直透镜33后入射到试件40表面；

所述测量v场位移的光路依次通过分光耦合器2中的开关控制器6、第四光纤耦合器10后，经第四光纤分束器14分光，分两束分别进入干涉光路系统3，一束依次经过v场测量第一反射镜29、v场测量第一准直透镜36、v场测量第一平面反射镜38后入射到试件40表面，另一束依次经过v场测量第二反射镜30、v场测量第二准直透镜35、v场测量第二平面反射镜37后入射到试件40表面；

制作u场光栅的光路、测量u场位移的光路、制作v场光栅的光路和测量v场位移的光路在试件40表面发生干涉形成干涉图像，经场镜39被图像采集系统4采集。