利用高精度激光干涉仪测量转动工件表面应变

　　1　引　言

　　对于弹性固体,当受到拉伸或压缩时其表面的切向形变将反映所受应力的状况。通过弹性固体表面切向形貌的改变,可以定量地探知其内部应力的变化状况[1,2]。因此,研究弹性固体表面形貌并结合光学测量技术将有助于新型非接触应力传感器的研究。以往,测量弹性固体表面应变多通过附着应变贴片跟随弹性固体表面形变变化,把这种变化直接转换成电阻值改变,完成应变测量;或根据应变引起的材料表面磁阻值的变化,利用磁致伸缩效应完成应力测量;再有就是利用声表面波技术,通过制作压电贴片,根据声表面波测量原理完成应变测量;近年来,发展起利用散斑技术获得两次固体表面散斑图,对前后两幅图进行比较完成非接触应变测量[3~5]。

　　以上方法在实际应用中各有长处,但也都有自身的局限,贴片法必须考虑前置电路与贴片的结合问题,对测量旋转不可停表面有自身难以克服的困难,例如信号传输、传感器不间断供电等;声表面波贴片虽能完成传感器与测量电路的分离并实现非接触连续不间断测量,但传感器自身加工难度大,易受振动等不利因素干扰;磁致伸缩效应的工艺适应性差,体积大,测量精度低;散斑图法虽取得较大进展,但对数据处理要求较高,误差大,实时性差,不能进行非接触在线测量。因此,直接利用弹性固体表面微观形貌即表面粗糙度的变化来测量工件表面应力将是应力传感器发展的一个方向[2,6]。

　　2　工件表面微观形貌建模及应变分析

　　对于机械材料(金属或具有较大弹性的塑性材料),在使用前都需进行一些初步的研磨加工,使其表面较为平滑。由于几何曲线都可以用傅里叶级数展开,所以其表面微观形貌的起伏就可以用若干正弦曲线叠加来近似,如图1所示。

　　其中,Ai是叠加正弦曲线的幅值,ki是与叠加正弦曲线周期有关的常数。

　　考虑到一般性和处理问题的方便,假设应力施加在垂直表面法向的一个切线上,这里只对叠加曲线中的一条正弦起伏进行分析,此起伏为

　　此式既给出了弹性体表面切向应变ε与法向应变η的线性关系,也给出了测量ε的途径。

　　将材料(例如轴类)周表面等分N份,在每份起点处做标志位,利用表面粗糙度测量仪对每份周表面的粗糙度Ra进行测量[7~10],得到Rai(i=1,2,...,N)。在没有应变发生时,得到原始粗糙度Rai(0)(i=1,2,...,N);发生应变时得到随应变变化的粗糙度Rai(ε)(i=1,2,...,N),则平均法向应变-η为

　　通过使用高精度表面粗糙度测量仪测量工件表面粗糙度变化值,即可实现表面应变值的测量。