專利名稱：時間序列散斑場脈沖計數(shù)位移測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及時間序列散斑場脈沖計數(shù)位移測量方法及其裝置，屬光電無損檢測領(lǐng)域。
為了解決散斑計量中的定量檢測問題，在ESPI技術(shù)中引入了相移方法，即相移電子散斑干涉術(shù)(PSESPI)。該方法能夠很容易地對變形場進(jìn)行定量檢測。但其也存在著明顯的不足，即它需要同一變形狀態(tài)下的至少三幅干涉圖進(jìn)行相位求解，同時相移裝置的引入增加了實驗裝置的復(fù)雜性和對環(huán)境噪聲的敏感性。因此，相移方法很難適用于時變或較惡劣環(huán)境下的動態(tài)位移或變形檢測。另一種方法是在散斑干涉和ESPI檢測中引入載波條紋(通過在檢測系統(tǒng)中引入載波裝置或在檢測中旋轉(zhuǎn)參考光的反射鏡引入空間條紋而形成載波)，也稱作載波電子散斑干涉術(shù)(CESPI)。它利用傅立葉變換技術(shù)，在只需要一幅干涉圖的情況下通過應(yīng)用傅立葉空間相位解調(diào)方法[8]，就可以解調(diào)出全場相位。所以CESPI可以方便地應(yīng)用于無法用相移技術(shù)的場合，例如時變場或瞬態(tài)變化場等。
然而，不論是從傳統(tǒng)的散斑法、ESPI到PSESPI和CESPI，位移和變形場的測量都是基于兩個狀態(tài)，即變形前后的兩個狀態(tài)，沒有考慮到時間參數(shù)。但時變場是普遍存在的，如熱變形場，由材料或結(jié)構(gòu)的疲勞破壞引起的蠕變等。這些場通常是基于時間變化并且變形量是比較大的。因此非常需要一種能高精度定量測量時變場和大變形的方法。九十年代中后期，由于高速固體攝像器件(CCD)的出現(xiàn)，使短時間隔的數(shù)字序列圖像的采集成為可能。因而以時間參量為載波的序列場分析被提到日程上來，并進(jìn)而對高速變形場的數(shù)字化檢測產(chǎn)生了推動作用。德國斯圖加特大學(xué)的Charles Joenathan等人提出了一種基于傅立葉空間濾波原理的時變散斑干涉方法。在這一方法中，他們利用計算機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)臺使物體產(chǎn)生連續(xù)的運動，從而引起散斑場強(qiáng)度的時間調(diào)制變化。這樣在物體變形的過程中采集大量的散斑圖，通過傅立葉變換的技術(shù)提取出全場的相位信息。因為要使用傅立葉變換解調(diào)技術(shù)來提取相位信息，所以在Joenathan方法中需要大量的攝取散斑干涉圖，并且要求被測物體的變形或系統(tǒng)能提供恰當(dāng)?shù)?近似線性的)時間載波，以便在用傅立葉方法分析時能統(tǒng)一進(jìn)行旁瓣濾波。
檢測方法具體由下列步驟完成1、對被測物體首先通過雙光束散斑干涉獲得單調(diào)連續(xù)變化的序列散斑圖；2、對所得的序列散斑圖所對應(yīng)的強(qiáng)度信號在時間域內(nèi)進(jìn)行濾波降噪、動態(tài)平均、偏移方波化和微分脈沖化處理獲得相位函數(shù)的半波數(shù)；3、對序初相位主值區(qū)(初始采樣點到脈沖信號第一過零點所對應(yīng)的序列采樣點)和序末相位主值區(qū)(脈沖信號最后過零點所對應(yīng)的序列采樣點到序列最后采樣點)中所包含的序列余弦強(qiáng)度掃描計算，獲得主值相位分布；4、將半波數(shù)和主值相位疊加即可完成位移場檢測。
具體處理過程見

圖1-4，實施方法如下1、通過雙光束散斑干涉產(chǎn)生序列散斑場I(x，y，ti)＝I0(x，y)+Im(x，y)cos(x，y，ti)(1)其中，I0(x，y)和Im(x，y)分別為干涉場的平均強(qiáng)度和調(diào)制函數(shù)，(x，y，ti)是與物體表面位移或變形有關(guān)的時變相位函數(shù)?？紤]到I0(x，y)和Im(x，y)的特性，時間因素對其的影響在此忽略不計。
2、時間域序列散斑場強(qiáng)度處理(1)對(1)式所表示的序列散斑場I(x，y，ti)在時間域進(jìn)行低通濾波If(x，y，ti)＝FT[I(x，y，ti)] (2)其中，F(xiàn)T[ζ]表示時間域中對ζ濾波運算。
(2)濾去噪聲的序列散斑場If(x，y，ti)求平均以獲得平均強(qiáng)度I0(x，y)I0(x,y)=Σi=1nIi(x,y,ti)n---(3)]]>(3)對If(x，y，ti)進(jìn)行二值化處理以產(chǎn)生矩形信號ΔIR(x，y，ti)，即ΔI(x，y，ti)＝If(x，y，ti)-I0(x，y)(4)ifΔI(x，y，ti)≥0 then ΔIR(x，y，ti)＝C(5)ifΔI(x，y，ti)＜0 then ΔIR(x，y，ti)＝-CC為給定整數(shù)值，如10。
(4)將矩形信號脈沖化，即微分ΔIR(x，y，ti)ΔI′R(x,y,ti)=|∂ΔIR(x,y,ti)∂t|---(6)]]>(5)掃描微分信號，進(jìn)行脈沖信號計數(shù)，即獲得半波數(shù)M(x，y，ti)。
3、序初相位主值Δ1(x，y，ti)和序末相位主值Δ2(x，y，ti)求解對于Δ1(x，y，ti)和Δ2(x，y，ti)的確定，可通過對序初相位主值和序末相位主值所對應(yīng)的強(qiáng)度序列作下述計算Δφ1(x,y,ti)=π2-cos-1|I(x,y,t1)-I0(x,y)|Im(x,y),]]>如果|I(x，y，t1+k)-I0(x，y)|≤|I(x，y，tk)-I0(x，y)|(7)Δφ1(x,y,ti)=π2+cos-1|I(x,y,t1)-I0(x,y)|Im(x,y),]]>其它這里，Im(x,y)=Imax(x,y)-Σi=1nIi(x,y,ti)n,]]>k＝0，1，…p1-1，且p1表示ΔI′R(x，y，ti)的第一個脈沖位置。同樣的道理，對Δ2(x，y，ti)有Δφ2(x,y,ti)=π2-cos-1|I(x,y,tn)-I0(x,y)|Im(x,y),]]>如果|I(x,y,tpn+k+1)-I0(x,y)|≥|I(x,y,tpn+k)-I0(x,y)|---(8)]]>Δφ2(x,y,ti)=π2+cos-1|I(x,y,tn)-I0(x,y)|Im(x,y),]]>其它這里，pn表示ΔI′R(x，y，ti)的最后一個脈沖點位置，tn表示I(x，y，ti)的最后一個采樣點時刻，Δ1(x，y，ti)和Δ2(x，y，ti)的含意見圖2。
4、連續(xù)相位(x，y，ti)求解序列散斑場的強(qiáng)度以余弦函數(shù)的方式變化，所以對于單調(diào)位移或變形，時間連續(xù)相位函數(shù)(x，y，ti)即可表示為(x，y，ti)＝M(x，y，ti)·π+Δ1(x，y，ti)+Δ2(x，y，ti)(9)這樣，根據(jù)(8)式和上文中已獲得的M(x，y，ti)，Δ1(x，y，ti)和Δ2(x，y，ti)的值，即求得了序列散斑場的連續(xù)相位函數(shù)(x，y，ti)。
位移場求解在獲得了連續(xù)相位函數(shù)(x，y，ti)后，通過下面的運算，就可以方便的求得被測物體的位移場分布，即離面位移W(x，y，ti)＝λ(x，y，ti)/[2π(1+cosθ)] (10)面內(nèi)位移
U(x，y，ti)＝λ(x，y，ti)/(4πsinθ)V(x，y，ti)＝λ(x，y，ti)/(4πsinθ) (11)其中，θ為光軸和照明物光軸間的夾角，U(x，y，t)，V(x，y，t)和W(x，y，t)分別為ti時刻物體沿x，y及z軸的位移分量，λ為所用相干光波長。
檢測裝置基于上述解調(diào)方法，我們設(shè)計了序列散斑干涉檢測裝置。圖3給出了應(yīng)用序列散斑干涉進(jìn)行離面位移檢測裝置的原理示意圖。它的基本部件包括可調(diào)電機(jī)1、減速箱2、載荷傳感器3、二維移動平臺4、加載頭5、試件夾持架6、裝置基礎(chǔ)平臺7，8、試件及夾持裝置9、分束器10、外入射激光束11、成象系統(tǒng)12、固體攝像器件(CCD)13、計算機(jī)及圖像處理系統(tǒng)14。
可調(diào)電機(jī)1、減速箱2、載荷傳感器3、二維移動平臺4、加載頭5、試件夾持架6都安置在基礎(chǔ)平臺7，8上的一端，試件夾持裝置5安裝在試件夾持夾6上；而分束器10，成像系統(tǒng)12，CCD13，則安置在基礎(chǔ)平臺7，8的另一端上并耦合成一雙光束光學(xué)干涉系統(tǒng)。
當(dāng)系統(tǒng)工作于靜態(tài)物體時，加載系統(tǒng)在可調(diào)電機(jī)的均勻驅(qū)動下，通過減速箱以適當(dāng)?shù)乃俣葘υ嚰M(jìn)行加載，加載速度要滿足記錄系統(tǒng)的采樣條件，即由動態(tài)加載引起的時變散斑場的頻率變化應(yīng)不大于CCD幀頻的一半。在標(biāo)準(zhǔn)視頻時(中國)，這一數(shù)值是12.5赫茲。載荷的大小通過載荷傳感器給出。外入射激光11，一束作為物光照明試件表面，另一束作為參考光直接進(jìn)入CCD13，它與來自物體表面的漫射物光通過成象系統(tǒng)12在CCD靶面干涉，形成時間序列散斑場。然后通過計算機(jī)及圖像處理系統(tǒng)14的連續(xù)數(shù)據(jù)采集，即可獲得一組序列散斑干涉圖。這樣應(yīng)用前面的相位解調(diào)算法和位移或變形公式，即可給出試件的離面位移或變形量。
對于圖6所示的離面系統(tǒng)，當(dāng)其應(yīng)用于面內(nèi)位移或變形檢測時，物光和參考光均直接照射于物體表面，并將分束器10去掉，見圖7所示。為了進(jìn)一步了解設(shè)備的檢測過程，下面再結(jié)合具體的光路及物體受載情況(動、靜態(tài))，給予說明。
根據(jù)被測物體的受載情況和要測量的力學(xué)量，檢測裝置可以有不同的工作方式，即，從受載角度可分為靜態(tài)位移檢測和動態(tài)位移檢測；而從力學(xué)量檢測角度則有離面位移檢測和面內(nèi)位移檢測。若更具體的分類，則可分為下面四種檢測方式靜態(tài)離面位移檢測、靜態(tài)面內(nèi)位移檢測、動態(tài)離面位移、動態(tài)面內(nèi)位移。
1)靜態(tài)離面位移檢測此時物體為靜態(tài)位移或變形。為了獲得序列散斑圖，需啟動裝置中的動態(tài)加載系統(tǒng)(可調(diào)電機(jī)1、減速箱2、載荷傳感器3等組成的系統(tǒng))對被測物體緩慢加載；記錄系統(tǒng)連續(xù)記錄干涉儀提供的散斑干涉圖。由于是離面位移或變形測量，因此，干涉儀調(diào)整為對離面位移敏感的干涉光路，見圖8，加載速度見上文給出的條件。。
2)靜態(tài)面內(nèi)位移檢測此時加載系統(tǒng)與靜態(tài)離面位移檢測相同，只是干涉儀光路需調(diào)整為對面內(nèi)位移敏感的檢測光路，見圖9。
3)動態(tài)離面位移此時物體自身連續(xù)位移或變形，如受熱載荷作用的被測物體等。在這中方式下，不需要檢測裝置提供動態(tài)加載。因此裝置中的動態(tài)加載系統(tǒng)關(guān)閉，試件架上被測物體自身的位移或變形即可產(chǎn)生序列散斑圖。由于是要檢測離面位移，因此干涉儀須設(shè)置為對離面位移敏感的光路，如圖8。
4)、動態(tài)面內(nèi)位移工作方式與3)同，只是將干涉儀的光路設(shè)置為對面內(nèi)位移敏感的圖9光路。
上述裝置可以應(yīng)用于宏觀試件，也可以應(yīng)用于微尺度試件或低維試件，如薄膜、細(xì)絲等。對于宏觀試件，成象系統(tǒng)12應(yīng)用海鷗變焦鏡頭與相關(guān)接口，變焦范圍從28mm到80mm(檢測時工作距離從450毫米到1500毫米)，檢測視場從幾個毫米到250毫米左右。對于微尺度試件，成象系統(tǒng)12為長工作距離顯微系統(tǒng)，其中心分辨率為2微米/象素，工作距離在20毫米到180毫米，視場直徑在0.5毫米左右。動態(tài)加載系統(tǒng)1-5選擇兩級減速系統(tǒng)，使得加載速度可以減至0.56微米/秒，以適應(yīng)CCD及圖像采集系統(tǒng)的響應(yīng)速度。加載頭行程約為20mm，載荷大小從98微牛頓到196毫牛頓，980微牛頓到4.9牛頓及3.92毫牛頓到39.2牛頓三套可更換。所用激光器為氦氖激光器(北京大學(xué)，1米管)，波長632.8納米，在檢測中也可選用其它類型激光器，如體積很小的半導(dǎo)體激光器等。
本發(fā)明時間序列散斑場脈沖計數(shù)位移測量方法及其裝置的特點是可以直接對時變位移場進(jìn)行定量檢測，適應(yīng)大數(shù)量序列散斑圖的分析，能進(jìn)行大位移量檢測，計算速度快，檢測靈敏度在離面位移方式下大于四分之一波長。
權(quán)利要求
1.一種時間序列散斑場脈沖計數(shù)位移測量方法，其特征是按下列步驟進(jìn)行(1)對被測物體首先通過雙光束散斑干涉獲得單調(diào)連續(xù)變化的序列散斑圖；(2)對所得的序列散斑圖所對應(yīng)的強(qiáng)度信號在時間域內(nèi)進(jìn)行濾波降噪、動態(tài)平均、偏移方波化和微分脈沖化處理獲得相位函數(shù)的半波數(shù)；(3)對序初相位主值區(qū)(初始采樣點到脈沖信號第一過零點所對應(yīng)的序列采樣點)和序末相位主值區(qū)(脈沖信號最后過零點所對應(yīng)的序列采樣點到序列最后采樣點)中所包含的序列余弦強(qiáng)度掃描計算，獲得主值相位分布；(4)將半波數(shù)和主值相位疊加即可完成位移場檢測。
2.一種時間序列散斑場脈沖計數(shù)位移測量裝置，其特征是由下列部分組成可調(diào)電機(jī)(1)、減速箱(2)、載荷傳感器(3)、二維移動平臺(4)、加載頭(5)、試件夾持架(6)、裝置基礎(chǔ)平臺(7)，(8)、試件及夾持裝置(9)、分束器(10)、外入射激光束(11)、成象系統(tǒng)(12)、固體攝像器件(13)、計算機(jī)及圖像處理系統(tǒng)(14)；可調(diào)電機(jī)(1)、減速箱(2)、載荷傳感器(3)、二維移動平臺(4)、加載頭(5)、試件夾持架(6)都安置在基礎(chǔ)平臺(7)，(8)上的一端，試件夾持裝置(5)安裝在試件夾持夾(6)上；而分束器(10)、成像系統(tǒng)(12)、固體攝像器件(13)則安置在基礎(chǔ)平臺(7)，(8)的另一端上并耦合成一雙光束光學(xué)干涉系統(tǒng)。
全文摘要
一種時間序列散斑場脈沖計數(shù)位移測量的方法和裝置，屬光電無損檢測領(lǐng)域。本方法由下列步驟完成1.對被測物體首先通過雙光束散斑干涉獲得單調(diào)連續(xù)變化的序列散斑圖；2.對所得的序列散斑圖所對應(yīng)的強(qiáng)度信號在時間域內(nèi)進(jìn)行濾波降噪、動態(tài)平均、偏移方波化和微分脈沖化處理獲得相位函數(shù)的半波數(shù)；3.對序初相位主值區(qū)和序末相位主值區(qū)中所包含的序列余弦強(qiáng)度掃描計算，獲得主值相位分布；4.將半波數(shù)和主值相位疊加獲得位移場檢測。本方法是一種無需載波和相移的檢測方法，適用于被測物體動態(tài)、大位移全場檢測。
文檔編號G01N21/45GK1401991SQ0213091
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者李喜德, 鄧兵, 陶剛 申請人:清華大學(xué)