利用空间载频电子散斑干涉测量物体三维变形的方法

摘要

本发明提供了一种利用空间载频电子散斑干涉测量物体三维变形的方法。该方法为：用水平方向、竖直方向及垂直物体表面的三路相干光分别照明物体，在水平和竖直方向通过控制反射镜的偏转引入载波，实现位移场干涉条纹的调制；通过物体的偏转实现离面位移场干涉条纹的调制；采用傅里叶变换法，分别解调出各变形场的相位，实现物体三维变形场的测量。本发明将载频调制技术引入到三维电子散斑干涉中，结合傅里叶变换法，实现了相位的解调，实现了三维测量。本发明的三维位移场测量方法灵敏度高、测量精度高，可同时获得全场三维位移，是一种非接触的测量方法，可以使测量精度提高到二十分之一个波长。

说明书

技术领域

本发明涉及物体三维变形的测量方法。

背景技术

在工程中，结构体的变形都是三维的，如对柴油机设计来讲，其零部件结构复杂而且变形是三维的，精确测量其三维变形，进而可知其三维应力、应变分布，对部件的设计、刚度与强度分析都有实际意义。目前利用电子散斑干涉进行三维位移测量的方法均为时间相移测量方法，各有其特点，有其应用的条件与环境。这些时间相移测量的方法均需要精密的相移设备，对测量的环境要求高。

与时间相移方法相比，干涉条纹空间调制的方法不需要精密的相移设备，对测量的环境要求低，具有适合动态测量的优点，在实际应用中同样有重要价值。干涉条纹空间调制的方法在全息术及云纹干涉中应用较多，后被引入到电子散斑干涉中，但是散斑条纹的高噪声限制了该技术的发展。三维相移电子散斑干涉技术是电子散斑干涉技术结合相移技术向三维、高精度和自动化方向的发展，具有灵敏度高、可同时获得全场三维位移、非接触等优点。

利用空间载频法对电子散斑干涉条纹进行三维测量还未见报道。

发明内容

本发明针对现有电子散斑干涉技术测量三维位移的不足，提供一种灵敏度高、测量精度高、可同时获得全场三维位移、非接触测量的利用空间载频电子散斑干涉测量物体三维变形的方法。

本发明利用空间载频电子散斑干涉测量物体三维变形的方法为：

用水平方向、竖直方向及垂直物体表面的三路相干光分别照明物体，在水平和竖直方向通过控制反射镜的偏转引入载波，实现位移场干涉条纹的调制；通过物体的偏转实现离面位移场干涉条纹的调制；采用傅里叶变换法，分别解调出各变形场的相位，实现物体三维变形场的测量。

本发明将载频调制技术引入到三维电子散斑干涉中，结合傅里叶变换法，实现了相位的解调，实现了三维测量。本发明的三维位移场测量方法灵敏度高、测量精度高，可同时获得全场三维位移，是一种非接触的测量方法，可以使测量精度提高到二十分之一个波长。

附图说明

图1为水平与竖直方向面内位移的载波调制光路图。

图2为离面位移的载波调制光路图。

图3为泵体截面图。

图4为水平方向位移u场的载波条纹图。

图5为水平位移载波条纹受物体变形调制发生弯曲后的载波条纹图。

图6为由图4和图5经傅里叶变换解调出的包络位相图。

图7为竖直方向位移v场的载波条纹图。

图8为竖直位移载波条纹受变形调制后的载波条纹图。

图9为由图7和图8经傅里叶变换解调出的包络位相图。

图10为离面位移w场的载波条纹图。

图11为离面位移载波条纹受变形调制后的载波条纹图。

图12为离面位移包络位相图。

图13为得到的水平方向位移分量u场的位移等值线图。

图14为得到的竖直方向位移分量v场的位移等值线图。

图15为得到离面位移分量w场的位移等值线图。

图中：1、反射镜，2、扩束镜，3、半透半反镜，4、半透半反镜，5、摄像头，6、半透半反镜，7、透镜，8、扩束镜，9、反射镜，10、旋转平台，11、反射镜，12、反射镜，13、扩束镜，14、反射镜，15、摄像头，16、半透半反镜，17、半透半反镜，18、半透半反镜，19、透镜，20、反射镜，21、反射镜。

具体实施方式

三维空间相移电子散斑干涉系统在xoz平面及yoz平面内的双光束型光路如图1所示，包括反射镜1和9、扩束镜2和8，半透半反镜3、4和6、摄像头5、透镜7和旋转平台10。在水平和竖直方向上设置二束相同光路分别用于测量面内位移场水平分量(u场)和竖直分量(v场)。通过步进电机驱动反射镜1的偏转。当反射镜1偏转时，会引入载波条纹。但对离面位移场的测量，则要用如图2所示光路，图2所示光路包括反射镜11、12、14、20和21、扩束镜13、摄像头15、半透半反镜16、17和18以及透镜19。被测物置于可由步进电机驱动的旋转平台10上，步进电机由计算机控制，偏转物体引入载波条纹，实现对干涉条纹的空间调制。

采集记录物体加载前后的图像并相减，可以显示物体的变形条纹。期间反射镜旋转或物体旋转，引入载波条纹。物体变形受载变形后，载波条纹受物体变形调制而发生弯曲，形成受调制的载波条纹，其数学表达式可表示为：

I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos[Δφ(x，y)+2πf₀x]    (1)

其中，a(x，y)为背景光强，b(x，y)为条纹幅值，b(x，y)/a(x，y)常称为条纹对比度，Δφ(x，y)为物体变形引起的位相变化，即待求位相。它们都是空间位置的函数。式中f₀是物体偏转引入的沿x轴方向的空间频率。式(1)可改写成

I(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(j2πf₀x)+c^*(x，y)exp(-j2πf₀x)    (2)

其中j代表虚部单位，*表示复数的共轭， $>>>c>>(>x>,>y>)>>=>>1>2>>b>>(>x>,>y>)>>exp>[>j\Delta \phi >>(>x>,>y>)>>]>>.>>>在x方向对光强I(x，y)进行傅立叶变换可以得到$

H(f_x，y)＝A(f_x，y)+C(f_x-f₀，y)+C^*(f_x+f₀，y)   (3)

其中，A(f_x，y)是由背景光强和低频噪声变换得到的。用适当的滤波器将A(f_x，y)和C^*(f_x+f₀，y)滤掉，得到C(f_x-f₀，y)后将其移到原点变为C(f_x，y)，再做傅立叶逆变换得到c(x，y)，则相位分布为：

$>>\Delta \phi >>(>x>,>y>)>>=>>tan>>->1>\; >>>Im>[>c>>(>x>,>y>)>>]>>>Re>[>c>>(>x>,>y>)>>]>>>->->->>(>4>)>>>>$

其中，Re和Im表示取复数的实部和虚部。由于Δφ(x，y)∈[0，π/2]，可通过位相解包络算法将其扩展到0～2π的区间上。采用图1所示的双光束对称光路，分别在水平与竖直方向照明物体，则在水平与竖直方向分别解调出的物体变形位相Δφ仅与物体的面内位移u(或者v)有关；采用图2所示光路垂直照明物体时，位相Δφ仅与物体的离面位移w有关。

$>>\Delta \phi >>(>x>,>y>)>>=>>>4>\pi >>\lambda >>u>sin>\theta >->->->>(>5>)>>>>$

$>>\Delta \phi >>(>x>,>y>)>>=>>>4>\pi >>\lambda >>w>->->->>(>6>)>>>>$

其中λ是所用激光的波长，θ是照明光与物体表面法线的夹角。

用有机玻璃做成油泵模型，其截面如图3所示，材料的弹性模量为E＝3.4×109Pa，泊松比为ν＝0.34。在油泵模型表面涂银粉以增强反射率，采用加载气压模拟油泵的加载，加载气压为3600Pa。采用图3所示的的空间相移电子散斑干涉系统对油泵模型的前表面AB部分进行变形测量，两光束入射角为40°，油泵模型固定在由步进电机驱动的旋转平台上，在防震台上进行。

油泵加载前，由水平方向的双光束、竖直方向的双光束及垂直油泵前表面AB部分的三路照明光分别照明物体，并分别摄取散斑图。控制反射镜和旋转平台旋转，分别由三路照明光照明物体，采集散斑图。所采集的散斑图像分别与对应的原始图像相减可得到引入的载波条纹。物体加载后，分别由三路照明光照明物体，采集散斑图，对应图像相减后得到受物体变形调制而发生弯曲的调制载波条纹。利用傅里叶变换法，将受调制的载波条纹图中正一级频谱移至坐标中心并反变换后可以解调出物体变形位相Δφ。图4至图15给出了各步的结果。图4为水平方向位移u场的载波条纹图，图5为水平方向位移载波条纹受物体变形调制发生弯曲后的调制条纹图，图6为水平方向位移傅里叶变换得到的包络位相图。图7为竖直方向位移v场的载波条纹图，图8为竖直方向位移载波条纹受调制载波条纹图，图9为竖直方向位移包络位相图。图10为离面位移w场的载波条纹图，图11为离面位移载波条纹受调制载波条纹图，图12为离面位移包络位相图。包络位相图经解包络连续化运算以及位移转化运算，可得到其三维位移等值线图，分别如图13、图14、图15所示。