激光散斑干涉電子測(cè)量

激光散斑干涉電子測(cè)量技術(shù)摘要：激光散斑干涉測(cè)量就是根據(jù)與物體變形有內(nèi)在聯(lián)系的散斑圖,將物體表面位移或變形測(cè)量出來(lái)。介紹了激光散斑干涉技術(shù)的物理學(xué)基礎(chǔ)、檢測(cè)方法及其應(yīng)用。說(shuō)明它是一種非常便捷、先進(jìn)、并具有發(fā)展?jié)摿Φ墓鉁y(cè)技術(shù)。1.引言用相干激光照射表面粗糙的物體,按照惠更斯的原理,在物體表面散射的光,尤如無(wú)數(shù)新的點(diǎn)光源發(fā)出相干子波,它們相互之間將產(chǎn)生相長(zhǎng)或相消干涉。在物體表面的前方空間出現(xiàn)無(wú)數(shù)隨機(jī)分布的亮點(diǎn)與暗點(diǎn),形成一幅很復(fù)雜的散斑圖。人們發(fā)現(xiàn),散斑的尺寸和形狀,與物體表面的結(jié)構(gòu)、觀察位置、光源和光源到記錄裝置之間的光程等因素有關(guān)。當(dāng)物體表面位移或變形時(shí),其散斑圖也隨之發(fā)生變化,物體散斑雖為隨機(jī)分布。但物體變形前、后散斑有一定規(guī)律,且常有物體表面位移或變形的信息。散斑干涉計(jì)量就是根據(jù)與物體變形有內(nèi)在聯(lián)系的散斑圖,將物體表面位移或變形測(cè)量出來(lái)。2.散斑干涉實(shí)驗(yàn)裝置及原理散斑干涉實(shí)驗(yàn)原理示意圖如圖2-1所示，它將激光經(jīng)過(guò)分光鏡B分出的兩束激光經(jīng)擴(kuò)束后照射到另一塊反射鏡而與物體漫射光相匯合而形成干涉，前者是參考光，后者是物光。待測(cè)物體圖2-1待測(cè)物體圖2-1散斑干涉實(shí)驗(yàn)原理示意圖如1J1r\■*-1(1)(1)①o(r)是經(jīng)物體漫射后的物體光波的相位。參考物光的光強(qiáng)分布為：U(r)二u(r)exp①(r)ooo其中Uo(r)是光波的振幅,光的光強(qiáng)分布為：U(r)二u(r)exp①(r)RRR

物光與參考光在CCD靶面上匯合形成光強(qiáng)1(r)為：I(r)=u2+u2+2uucos?-Q) (3)oRoRoR(3)當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生變形后，表面各點(diǎn)的散斑場(chǎng)振幅uo(r)基本不變，而位相Qo(r)將改變?yōu)镼o(r)-AQ(r)，即U'=u(r)expIQ(r)-AQ(r)1Oo o(4)其中A①(r)為由于物體變形產(chǎn)生的相位變化。變形前后的參考光波維持不變。這樣，變形后的合成光強(qiáng)"(r)為：(5)I'(r)=u2+u2+2uucosIQ-Q-AQ(r)1(5)oRoRoR對(duì)變形前后的兩個(gè)光強(qiáng)進(jìn)行相減處理：u2+u2+2uucost|)—Q—AQ(r)1—Lu2+u2+2uucost|)—Q—AQ(r)1—L2+u2+2uucos(Q—Q)oRoR oR oRoR oR4uusin】Q-Q)-彎)-.Ap(r)sin oRo R 22(6)由式(6)可見，相減處理后的光強(qiáng)是一個(gè)包含有高頻載波項(xiàng)sin(Q—Q)—sin如⑷LoR2」的低頻條紋 2。該低頻條紋取決于物體變形引起的光波相位改變。這個(gè)光波相位變化與物體變形關(guān)系從光波傳播的理論可以推導(dǎo)出來(lái)，即有：AQ= (1+cos0)+dsin01(7)九1 2(7)其中九是所用激光波長(zhǎng)，0是照明光與物體表面法線的夾角，d1是物體變形的離面位移，d2是物體變形的面內(nèi)方向位移。為了使光路對(duì)離面位移敏感，應(yīng)該使照明角0比較小卩'OS0?1，sin0?0，則由(7)式可以得到：aQ4兀AQ=d九1有(6)式可知，在暗條紋處，AQ=2k兀由(8)式和(9)式可得到：[k九d=-12 (10)即暗條紋處的離面位移是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析搭建圖2-1所示的光路圖，然后給測(cè)量物體加壓，調(diào)節(jié)物品架上的旋鈕給物品加壓，隨著旋鈕的調(diào)節(jié)，電腦的屏幕上出現(xiàn)的干涉條紋越來(lái)越多，且為同心圓

環(huán)。給物品加上適當(dāng)壓力，并拍攝下其變形后的干涉條紋，如圖3-1所示。環(huán)。給物品加上適當(dāng)壓力，并拍攝下其變形后的干涉條紋，如圖3-1所示。圖3-1電子散斑干涉條紋利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行圖像處理，干涉圖像中央部分是里面位移最大的地方，分別取靠近干涉條紋中央的5個(gè)黑色圓環(huán)進(jìn)行分析，得到被測(cè)物體受壓后的立體圖，如圖3-2所示，同時(shí)也可以看到被測(cè)物體在X和Y方向的離面位移的大小。從圖中可以看出，在物體中心處的里面位移最大，其次向外的離面位移依次減小。4.結(jié)論4圖3-2(4.結(jié)論4圖3-2(1)物體變形的立體圖(2)X和Y方向的離面位移圖本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中利用CCD攝像頭、視頻圖像采集卡，以及圖像處理軟件來(lái)對(duì)光學(xué)干涉條紋圖進(jìn)行采集與處理，實(shí)現(xiàn)光學(xué)圖像數(shù)字化，以便更可靠迅速地分析光學(xué)干涉條紋圖的數(shù)據(jù)，其關(guān)鍵在于通過(guò)采集圖像，得出相應(yīng)的干涉條紋強(qiáng)度分布圖，進(jìn)一步利用干涉條紋圖處理軟件對(duì)受力變形后的測(cè)試表面進(jìn)行3維圖像重構(gòu)，得出變形后3維立體圖，可以清楚地看出被測(cè)物品在任何一點(diǎn)的離面位移量。5.參考文獻(xiàn)[1]LeendertzJA.InterferometricDisplacementMeasurementonScatteringSurfacesUtilizingSpeckleEffect,J.Phys.E(Scient.Instrum),1970,3:214?218[2]ButtersJNandLeendertzJA.SpecklePatternandHolographicTechniquesinEngineeringMetrology,Opt.LaserTech.,1971,3(1):26?30秦玉文,王金起,張福根.電子錯(cuò)位散斑研究,力學(xué)學(xué)報(bào),1990,22(6):725?731何世平，汪柳生，伍小平.電子散斑干涉和Video全息干涉，實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1990,5(4):387?395[5]HungYY.ElectronicShearographyforMeasurementofTime-DependentDeformation,Proc.WInt.Conf.onExp.Mech.,1992,1:674?678⑹張海波，伍小平.光學(xué)方法用于無(wú)損檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)力學(xué),1992,7(1):100?109鄭文,譚玉山.數(shù)字散斑干涉技術(shù)在振動(dòng)分析中的應(yīng)用,光學(xué)學(xué)報(bào),1992,12(27):642?646戴嘉彬,王金起,秦玉文.電子剪切散斑圖像處理的相移技術(shù),實(shí)驗(yàn)力學(xué),1992,7(2):153?158金觀昌,唐壽鴻.偏振相移技術(shù)及其應(yīng)用于彎曲板的曲率測(cè)量,應(yīng)用激光,1992,12(1):29?31QinYuwenandDaiJiabi