專利名稱：一種提高相干梯度敏感測(cè)量精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及力學(xué)參量測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種提高相干梯度敏感測(cè)量精度的方法。

背景技術(shù)：
相干梯度敏感方法(Coherent Gradient Sensing，以下簡(jiǎn)稱CGS)是一種具有在線空間濾波效果的非接觸、全場(chǎng)橫向雙柵剪切干涉光測(cè)方法，它利用兩個(gè)平行光柵重組由試件變形導(dǎo)致的扭曲光束從而產(chǎn)生干涉條紋，通過光學(xué)干涉控制方程建立面內(nèi)應(yīng)力梯度或離面位移梯度與條紋級(jí)數(shù)之間的關(guān)系。該方法能夠在透射和反射情況下分別用于研究透明和非透明物體的變形信息，其條紋分布直接反映了透射情況下的面內(nèi)應(yīng)力梯度場(chǎng)和反射情況下的離面位移梯度場(chǎng)。由于該方法對(duì)應(yīng)力或位移梯度敏感，所以尤其適合于研究具有高應(yīng)力集中現(xiàn)象的斷裂問題。相干梯度敏感方法分為透射式和反射式兩種，圖1所示為典型相干梯度敏感干涉條紋圖，實(shí)際拍攝圖像中黑條紋代表半級(jí)數(shù)條紋，最外圈為0.5級(jí)條紋。
上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處在于，與其它處理?xiàng)l紋圖的光測(cè)方法類似，要獲得力學(xué)參量必須先提取相干梯度敏感干涉條紋級(jí)數(shù)，而要確定相干梯度敏感干涉條紋級(jí)數(shù)就必須精確提取條紋中心線。從圖1可以看出干涉條紋較粗，并且形狀不規(guī)則，如果僅僅依靠圖像處理的方法提取條紋中心線難以滿足精度要求，甚至?xí)砗艽蟮恼`差，尤其是對(duì)于低級(jí)數(shù)條紋。目前已提出了兩種改進(jìn)的相干梯度敏感方法——載荷法和光柵間距法，以提高實(shí)驗(yàn)精度。但是載荷法需要將加載后實(shí)驗(yàn)圖像與未加載時(shí)的實(shí)驗(yàn)圖像結(jié)合進(jìn)行圖像處理，此過程會(huì)引入新的誤差影響實(shí)驗(yàn)精度；光柵間距法需要兩套相干梯度敏感方法實(shí)驗(yàn)光路，會(huì)引入額外的系統(tǒng)誤差，同時(shí)由于兩套光路的光強(qiáng)不同，必須先對(duì)兩套光路拍攝的干涉條紋圖進(jìn)行數(shù)字圖像處理，消除光強(qiáng)的影響因素，這也會(huì)帶來新的處理誤差。因此現(xiàn)有的條紋提取方法仍不能完全滿足高精度實(shí)驗(yàn)的要求，并且處理過程復(fù)雜。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)便并能精確提取相干梯度敏感干涉條紋級(jí)數(shù)的方法，以提高相干梯度敏感測(cè)量精度。
本發(fā)明的方法包括以下步驟 (1)利用已有相干梯度敏感方法光路分別拍攝同一試件在載荷P1、P2、P3下的三幅相干梯度敏感干涉條紋圖，拍攝得到的第一幅、第二幅和第三幅干涉條紋圖的光強(qiáng)分別為I1、I2、I3； (2)根據(jù)上述載荷和光強(qiáng)，可以得出方程組其中a為干涉條紋圖的背景光強(qiáng)，b代表?xiàng)l紋振幅；此方程組中包含三個(gè)未知量a、b和第一幅干涉條紋圖的條紋級(jí)數(shù)m1，通過求解這三個(gè)方程，就可以精確獲得第一幅干涉條紋圖上任意一點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)m1； (3)第二幅干涉條紋圖上位置相同點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)m2為第三幅干涉條紋圖上位置相同點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)m3為 (4)根據(jù)精確的條紋級(jí)數(shù)m1、m2和m3，可以計(jì)算獲得相應(yīng)載荷下精度能夠滿足要求的力學(xué)參量。
本發(fā)明提出的提高相干梯度敏感測(cè)量精度的方法可以非常精確的提取相干梯度敏感干涉條紋圖任意位置點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠顯著減少由于條紋提取帶來的誤差，從而提高相干梯度敏感方法的測(cè)量精度；并且該方法不需要額外的實(shí)驗(yàn)裝置或?qū)嶒?yàn)圖像。具體優(yōu)點(diǎn)是a)能夠非常明顯的提高相干梯度敏感方法的測(cè)量精度，尤其是對(duì)于低級(jí)數(shù)條紋點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果；b)方法簡(jiǎn)單，不需要已有技術(shù)以外的光學(xué)裝置；c)不需要拍攝試件加載前的圖像；d)不需要對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行圖像處理，避免了額外引入的誤差；e)可與同次實(shí)驗(yàn)中其它兩個(gè)任意載荷的條紋圖進(jìn)行相應(yīng)處理精確提取條紋級(jí)數(shù)。



圖1是已有的典型相干梯度敏感干涉條紋圖，其中(a)是理論模擬圖；(b)是實(shí)際拍攝條紋圖。
圖2是產(chǎn)生本發(fā)明方法的干涉條紋的光路圖。
圖3是產(chǎn)生本發(fā)明方法的干涉條紋的原理圖。
圖4是采用本發(fā)明方法，在同一試件上不同載荷時(shí)產(chǎn)生的裂紋尖端透射相干梯度敏感干涉條紋圖，其中(a)是載荷P＝40N，(b)是載荷P＝60N，(c)是載荷P＝80N。
圖5是本發(fā)明方法與已有技術(shù)計(jì)算得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子結(jié)果對(duì)比圖，縱軸是實(shí)驗(yàn)計(jì)算值與理論值的相對(duì)誤差。其中(a)為在干涉條紋圖-40°～-30°之間的計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖，(b)為在干涉條紋圖30°～40°之間的計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。
圖2和圖3中，1是激光器，2是擴(kuò)束鏡，3是凸透鏡，4是試件，5是第一光柵，6是第二光柵，7是濾波透鏡，8是光闌，9是攝像機(jī)，10是計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的提高相干梯度敏感測(cè)量精度的方法，是利用已有相干梯度敏感方法光路分別拍攝同一試件在三個(gè)不同載荷P1、P2、P3下的三幅相干梯度敏感干涉條紋圖，拍攝得到的第一幅、第二幅和第三幅干涉條紋圖的光強(qiáng)分別為I1、I2、I3；然后根據(jù)上述載荷和光強(qiáng)，通過求解方程組精確獲得第一幅干涉條紋圖上任意一點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)m1。其中a為干涉條紋圖的背景光強(qiáng)，b代表?xiàng)l紋振幅。接著可以求得第二幅干涉條紋圖上位置相同點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)m2為第三幅干涉條紋圖上位置相同點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)m3為最后根據(jù)精確的條紋級(jí)數(shù)m1、m2和m3，可以計(jì)算獲得相應(yīng)載荷下精度能夠滿足要求的力學(xué)參量。
以下詳細(xì)介紹本發(fā)明的原理 本發(fā)明方法所依據(jù)的相干梯度敏感法的光路如圖2所示一束相干激光束經(jīng)過帶有濾波孔的擴(kuò)束鏡后通過光學(xué)透鏡形成平行光，平行光束垂直通過帶裂紋的試件，受到試件變形和應(yīng)力場(chǎng)的影響，平行光束的方向和相位將產(chǎn)生變化。由試件出射的光束雖然不再是平行光束，但是由于方向偏離很小，為簡(jiǎn)化起見，仍然將帶有試件變形信息的光束視為平行光束。由試件上(x，y)點(diǎn)出射的光線由于試件變形具有光程差δS(x，y)，類似的由試件上(x，y+ε)點(diǎn)出射的光線由于試件變形具有光程差δS(x，y+ε)。如圖3所示，這些平行光束從試件出射后經(jīng)過兩個(gè)互相平行、間距為Δ的高密度Ronchi光柵(節(jié)距相同為p)，產(chǎn)生衍射，如果在光闌后放置CCD將可以拍攝到由于試件變形導(dǎo)致光程差引起的干涉條紋，通過計(jì)算機(jī)對(duì)條紋進(jìn)行處理可以提取相關(guān)的力學(xué)參數(shù)。
如果是透射相干梯度敏感方法，光程差δS(x，y)主要由應(yīng)力改變導(dǎo)致的試件折射率變化和泊松效應(yīng)導(dǎo)致的試件厚度變化兩個(gè)因素產(chǎn)生，所以透射相干梯度敏感方法的光力學(xué)控制方程為 其中m是條紋級(jí)數(shù)，p是光柵節(jié)距，Δ是兩個(gè)光柵之間的間距，c是材料的光學(xué)常數(shù)，d是試件厚度，

與

代表試件厚度方向上的平均應(yīng)力分量。
光力學(xué)控制方程(1)表明當(dāng)光柵主方向平行于x軸時(shí)，在透射情況下相干梯度敏感條紋代表的物理意義為試件主應(yīng)力和對(duì)x方向梯度的等值線。
對(duì)于反射相干梯度敏感方法，光程差δS(x，y)僅由泊松效應(yīng)導(dǎo)致的試件厚度變化產(chǎn)生，所以反射相干梯度敏感方法的光力學(xué)控制方程為 其中m是條紋級(jí)數(shù)，p是光柵節(jié)距，Δ是兩個(gè)光柵之間的間距，w代表試件的離面位移。
光力學(xué)控制方程(2)表明當(dāng)光柵主方向平行于x軸時(shí)，在反射情況下相干梯度敏感干涉條紋代表的物理意義為試件離面位移對(duì)x方向梯度的等值線。
本發(fā)明的提高相干梯度敏感測(cè)量精度的方法如下 在線彈性情況下，試件應(yīng)力場(chǎng)

或離面位移場(chǎng)w與外載荷P成正比。根據(jù)相干梯度敏感方法的光力學(xué)控制方程(1)與(2)，試件應(yīng)力場(chǎng)

或離面位移場(chǎng)w的梯度與干涉條紋級(jí)數(shù)m成正比，因此外載荷P也與相干梯度敏感方法干涉條紋級(jí)數(shù)m成正比 相干梯度敏感方法干涉條紋圖的光強(qiáng)分布為 I＝a+bcos2π·m(4) 其中a代表背景光強(qiáng)，條紋圖按照余弦規(guī)律bcos2π·m變化。當(dāng)用CCD拍攝干涉條紋圖并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，光強(qiáng)I與數(shù)字圖像的灰度值成正比，在后續(xù)的分析中光強(qiáng)都是使用數(shù)字圖像的灰度值代表。
如果拍攝同一試件在三個(gè)不同載荷下的三幅相干梯度敏感干涉條紋圖，結(jié)合式(3)和(4)可以得到 I1＝a+bcos2π·m1 如果拍攝三幅條紋圖時(shí)的載荷Pi和三幅干涉條紋圖的光強(qiáng)分布Ii已知，那么(5)式的方程組中就只有三個(gè)未知數(shù)a、b和m1，通過求解三個(gè)方程就可以得到第一幅條紋圖上任一點(diǎn)的精確條紋級(jí)數(shù)m1，并通過(3)式得到其他兩幅條紋圖上位置相同點(diǎn)的精確條紋級(jí)數(shù)m2和m3。
以透射相干梯度敏感方法實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)本發(fā)明方法精確提取條紋級(jí)數(shù)，提高相干梯度敏感測(cè)量精度的效果進(jìn)行檢驗(yàn)。圖4所示為同一試件載荷分別是P1＝40N、P2＝60N和P3＝80N時(shí)拍攝的相干梯度敏感干涉條紋圖，此時(shí)根據(jù)(5)式可得 I1＝a+bcos2π·m1 I2＝a+bcos3π·m1(6) I3＝a+bcos4π·m1 根據(jù)圖4中三幅干涉條紋圖像的光強(qiáng)分布，求解(6)式可以精確獲得P1＝40N時(shí)條紋圖中任意一點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)。為了與直接通過圖像處理提取條紋中心線的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖5顯示了采用本發(fā)明方法前后的誤差情況。由圖5可以看到，與直接采用圖像處理提取條紋中心線的方法相比，本發(fā)明方法明顯的減小了條紋提取帶來的誤差，改善了相干梯度敏感方法的測(cè)量精度。本發(fā)明方法對(duì)于低級(jí)數(shù)條紋效果尤其明顯，這在載荷較小，必須采用低級(jí)數(shù)條紋計(jì)算力學(xué)參量時(shí)具有重要的意義。
權(quán)利要求
1、一種提高相干梯度敏感測(cè)量精度的方法，其特征在于該方法包括以下各步驟
(1)利用已有相干梯度敏感方法光路分別拍攝同一試件在載荷P1、P2、P3下的三幅相干梯度敏感干涉條紋圖，拍攝得到的第一幅、第二幅和第三幅干涉條紋圖的光強(qiáng)分別為I1、I2、I3；
(2)根據(jù)上述載荷和光強(qiáng)，可以得出方程組其中a為干涉條紋圖的背景光強(qiáng)，b代表?xiàng)l紋振幅，通過求解這三個(gè)方程，就可以精確獲得第一幅干涉條紋圖上任意一點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)m1；
(3)第二幅干涉條紋圖上位置相同點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)m2為第三幅干涉條紋圖上位置相同點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)m3為
(4)根據(jù)精確的條紋級(jí)數(shù)m1、m2和m3，可以計(jì)算獲得相應(yīng)載荷下精度能夠滿足要求的力學(xué)參量。
全文摘要
本發(fā)明是一種提高相干梯度敏感測(cè)量精度的方法。本方法是利用已有相干梯度敏感方法光路分別拍攝同一試件在三個(gè)不同載荷P1、P2、P3下的三幅相干梯度敏感干涉條紋圖，拍攝得到的第一幅、第二幅和第三幅干涉條紋圖的光強(qiáng)分別為I1、I2、I3；根據(jù)上述載荷和光強(qiáng)，通過求解方程組精確獲得三幅干涉條紋圖上任意相同位置點(diǎn)的條紋級(jí)數(shù)m1、m2和m3；根據(jù)精確的條紋級(jí)數(shù)，可以計(jì)算得到相應(yīng)載荷下精度滿足要求的力學(xué)參量。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠非常明顯的提高相干梯度敏感方法的測(cè)量精度，尤其是對(duì)于低級(jí)數(shù)條紋點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果；方法簡(jiǎn)單，不需要已有技術(shù)以外的光學(xué)裝置；不需要拍攝試件加載前的圖像；不需要對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行圖像處理，避免了額外誤差的引入；可與同次實(shí)驗(yàn)中其它兩個(gè)任意載荷的條紋圖進(jìn)行相應(yīng)處理精確提取條紋級(jí)數(shù)。
文檔編號(hào)G01B11/16GK101320003SQ20081005871
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者蔚 許, 張亞萍 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)