




已阅读5页,还剩49页未读, 继续免费阅读
(固体力学专业论文)混凝土结构无损检测中的激光散斑干涉计量术.pdf.pdf 免费下载
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
东南大学硕士学位论文 摘要 本文对建筑物的光学无损检测方法进行了研究。现在,建筑结构以混凝土结构居多,采用光学 方法测量混凝土结构的表面变形,是本文的一个研究重点。文中研究内容包括混凝土表面的面内位 移测量、离面位移测量及变形的动态测量等。全文共分六章。 第一章对光学检测方法的发展和主要检测技术进行了综述。概要介绍了现在国内外普遍采用的 无损检测方法,并分析了这些方法在检测中的优缺点。在分析总结前人工作的基础上,本文着重探 讨了散斑干涉测量技术用于混凝土结构无损检测的可行性以及在实际应用中需解决的若干技术问 题。 第二章概述了散斑干涉方法的发展、分类及其应用并对以后诸章节中涉及到的光学测量方法 及其他一些技术做了简要的阐述。这些技术包括图像处理技术和计算机控制技术。 第三章研究了混凝土试件面内位移的测量技术。传统的面内应变的测量方法是通过贴应交片获 得的这种方法获得的数据比较稳定,能够较准确的获得某点处某个方向上的应变大小但它无法 获得被测物体表面的全场应变分布。在这一章中我们提出了采用双光束散斑干涉方法测量混凝土试 件面内位移,得到全场应变分布。并且讨论了如何使用图像处理技术对所获得的条纹图进行处理, 以得到具有准确定位的条纹中心线。 第四章讨论了利用剪切散斑干涉方法来测量混凝土离面位移的方法。使用剪切散斑干涉方法可 以获取混凝土离面位移的导数场。其后,又介绍了从剪切散斑干涉方法发展而来的一种新方法一 相移剪切散斑干涉技术。这种技术是在剪切装置之前加设一个相移器来改变相位进而获得物体表 面上每点的位相分布。其中对相移器的控制要采用第二章介绍的计算机控制技术。采用大剪切量剪 切散斑干涉技术能够准确获得测量物体表面每一点的离面位移。 第五章讨论了对物体的变形过程进行动态测量的方法。这种方法主要是获取一系列图像在时间 坐标轴上光强的周期变化。从而应用时间域去包裹技术得到物体的离面位移信息。这种方法不受物 体的几何尺寸及外形的影响。 第六章对全文进行了总结。 关键词无损检测数字散斑干涉计量术剪切散斑计量术时间域去包裹 末南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e sh o wt om a k ean o n d e s t r u c t i v et e s tf o r b u i l d i n g s r e c e n t l t h e r e a r em a n y b u i l d i n g s 。w h i c hm m a d eo fc o n c r e t e s oh o wt ot e s tt h ed e f o r m a t i o no nt h es u r f a c eo ft h ec o n c r e t e s t r u c t u r ei st h ee m p h a s i so ft h i sd i s s e r t a t i o n 。t o p i ci n c l u d eh o wt om e a s u r et h ei n - p l a n ed i s p l a c e m e n to f t h es u r f a c eo ft h ec o n c r e t es a m p l e ,h o wt om t s u r et h eo u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n to ft h es u r f a c eo ft h e c o n c r e t es a m p l ea n dt h ed y n a m i cm e a s u r e m e n to f t h ed e f o r m a t i o n i ti sd i v i d e di n t os i x c h a p t e r s i nc h a p t e r1 ,as u r v e yi sg i v e na b o u tt h em a i nm e t h o d sa n d d e v e l o p m e n to f o p t i c sm e a s u r e m e n t t h e n w es u m m a r i z es e v e r a ln o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d s , w h i c hi su s e dp o p u l a ri nt h ew o r l d ,a n da n a l y z e t h e i rm e r i ta n dd e f e c t t h u st h ep o s s i b i l i t yo fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gc o n c r e t es t r u c t u r eb yd s p ia n ds o m e d i f f i c u l t i e st h a ti sn e e d e dt ob es o l v e di np r a c t i c ei sd i s c u s s e d c h a p t e r 2 e x p l o r e st h ed e v e l o p m e n t ,s o r t a n da p p l i i :a t i o no f t h ed s p i o t h e rm e t h o d sa n d t e c h n i q u e s , w h i c hw i l lb eu s e di nt h el a t e rc h a p t e r ,a r ea l s oe x p l o r e d t h e s et e c h n i q u e si n c l u d et h ed i g i t a li m a g e p r o c e s s i n g a n da u t oc o n t r 0 1 t h e i n - p l a n ed i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n ti sr e s e a r c h e di nc h a p t e r3 t h et r a d i t i o n a lm e t h o dt om o o b l l r e t h ei n p l a n es t r a i ni sd e p e n d e do ns t i c k i n gt h ee l e c t r o n i cs t r a i ns e n s o ro nt h eo b j c 斌, t h i sm e t h o di ss t e a d y , a n di ta l s oh a sa h i g hp r e c i s i o n b u tw e c a n n o tg e tt h ef u l l - f i e l ds t r a i nd i s t r i b u t i o nb yt h i sw a y i nt h i s c h a p t e rw eu s e dt h ed u a l - b e a ms p e c k l ei n t e r f e r e n c ep a t t e r nt om o & s u r et h ei n - p l a n ed i s p l a c e m e n to f t h e s u r f a c eo f t h ec o n c r e t es a m p l e ,a n dw ec a ng e tt h ed i s t r i b u t i o no f t h es t r a i nb yt h i sm e t h o d w ea l s os t u d y h o wt op r o c e s st h ef r i n g ea n d g e t ac l e a rf r i n g ec e n t r a ll i n e c h a p t e r4e x p l o r e r st h em e t h o dh o w t om e a s u r et h eo u t - o f p l a n ed i s p l a c e m e n tb ys h e a r o g r a p h y s h e a r o g r a p h yc g e t t h ed i s t r i b u t i o no f t h ed e r i v a t i v eo f t h eo u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n t t h e r e a f t e r au e w m e t h o db a s e do n s h e a r o g r a p h y i s e x p l o r e d ,p h a s e - s h i rs h e a r o g r a p h y t h i st e c h n i q u e i s a d d i n g a p h a s e - s h i f t e r i n f r o n t o f t h es h e a r o g r a p h y s o w ec a l lg e t t h ep h a s eo f e a c hp o i n t i n t h e i m a g e t h e c o n t r o l o f t h e p h a s e s h i f t e rn e e d st h et e c h n i q u e t h a tm e n t i o n e di nc h a p t e r2 w ec a r lg e tt h ea c c u r a t ed i s p l a c e m e n t o f e a c hp o i n tb yt h i sw a y t h em e t h o dh o wt od y n a m i cm e a s u r et h ed e f o r m a t i o ni ss t u d i e di nc h a r5 t h i sm e t h o da c q u i r et h e p e r i o d i cc h a n g eo f a s e r i e so f i m a g e si n t e n s i t y ,t h e r e b yt h eo u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n to f t h eo b j e c tc a nb e g o t t e nb yt h et e m p o r a lu n w r a p p i n g m e t h o d t h es h a p eo f t h eo b j e c td o e s n ta f f e c tt h i sm e t h o d f i n a l l y ,w ec o n c l u d e i nc h a p t e r6 k e yw o r d s : n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ( 卜d 1 ) ;d i g i t a ls p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r e n c e ( d s p l ) : s h e a r o g r a p h y ;t e m p o r a lu n w r a p p i n g i i i 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名: 到 五 导师签名:! ! 荔丝 日期:撕3 9 ,己午 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 土木工程中的检测技术及其应用 目前正在为人们的生产生活和各种活动发挥重要作用的各类工程结构中,由于材料的老化、超 期使用、过载、风化同时又不能得到足够的维修等原因,使得许多结构已处于带病服役的状态, 桥梁断裂、房屋倒塌等事件常有报道,因此,需要定期对结构的强度和可靠性进行检测评估,以确 保其能够安全工作,无损检测( n d t ) 技术是进行结构安全检测的重要手段。在旧房、旧桥改造等 建筑工程中,无损检测起到监测、诊断和测量的作用,对评价建筑物的安全性以及保护古建筑都起 到了重要的作用。按照不同的结构和材料,建筑结构的检测可分为:混凝土结构的检测、钢结构的 检测和砌体结构的检测。其中,尤以混凝土结构的现场检测应用最多1 1 1 。 建筑结构无损检测技术经过了几十年的发展,己日臻成熟,应用也越来越广泛。目前常用的检 测方法按检测内容可分为如下几种:1 用于混凝土强度检测的方法有回弹法、超声回弹综合法、拔 出法、钻芯法等;2 用于混凝土缺陷检测的方法有超声法、雷达波反射法、冲击一回波法等;3 用 于钢筋直径和位置检测的方法有电磁感应法、雷达波反射法;4 用于砌筑砂浆和砌体质量检钡! i 的方 法有贯入法、轴压法等:5 用于钢结构质量检测的方法有超声波探伤、磁粉探伤、x 射线探伤等: 6 用于装饰质量检测的有饰面砖粘结力试验、房屋渗漏检测、建筑连接锚栓的检测等;7 用于混凝 土失效分析以及检测疲劳开裂和受压变形荷载情况的方法有声发射法等;8 用于建筑材料质量评价 等的方法有红外线法等;9 用于湿度检测及墙体成像的方法有微波法等”。1 : 对于混凝土质量的检测,国内最为常用的混凝土强度检测方法有回弹法、超声回弹综合法、拔 出法和钻芯法,而检测混凝土缺陷的方法一般采用超声法h 。j 。 1 回弹法回弹法检测混凝土强度技术在我国的使用最广泛,虽然检测精度不商,但因操作简 单、检测费用低廉而在实际工程中得到很广泛的应用。回弹法检测混凝土的龄期为7 1 0 0 0 天,该 方法不适用于表层及内部质量有明显差异或内部存在缺陷的混凝土构件和特种成型工艺制作的混 凝土的检测,这大大限制了回弹法的应用范围,例如不适用于建筑物中混凝土龄期超过3 年“以 及遭受火灾、冻害、化学腐蚀等混凝土的强度检测。解决这些问题的方法主要是采用钻芯法和回弹 法相结合,对这两种方法的检测数据进行适当处理,基本上可以满足上述混凝土的强度检测,也能 取得较为满意的检测结果但这种做法依然不适用于内部存在缺陷的混凝土强度检测。有人尝试使 用回弹法来检测高强混凝士的强度这是比较困难的。因为,高强混凝土的强度基数较大,即使只 有1 5 的相对误差,其绝对误差也会很大而使检测结果失去意义。 2 拔出法拔出法作为一种新的混凝土强度检测技术,在我国一直没有得到广泛的应用。事实 上,拔出法检测混凝土强度的精度是比较高的,发达国家基本上都有正式的标准有些国家甚至将 第一章绪论 拔出法的检测结果作为混凝土强度的验收依据。这是其它混凝土强度检测方法所达不到的。在国外, 使用较多的是预埋拔出法,而国内应用更多的是后装拔出法。后装拨出法检测的缺点是比较麻烦, 需要钻孔、磨槽、安装锚固件等。试验的成本较大,这些都影响了后装拔出法的应用。拔出法还 可以进行高强混凝土的强度检测。据资料报道,现有拔出仪所能检测的混凝土强度最高可达 8 5 o m p a 。 3 钻芯法钻芯法检测混凝土强度以其直观准确而成为其它检测方法的校验依据。但钻芯法对 构件的损伤较大,检测成本高,因而难以大量使用。为了克服这些缺点,采用小直径芯样进行检测 成为发展方向。目前最小的芯样直径可以达到2 5 m 。但小直径芯样的强度试验数据离散较大,需要 通过增加检测数量才能达到标准芯样的检验效果。目前常用的小直径芯样一般为5 0 7 5 m m 。钻芯法 也是高强混凝土强度检测的方法之一,同时钻芯法也可对所有混凝士缺陷检测项目进行检测。 4 超声法及冲击一回波法超声法主要用于混凝土内部缺陷的检测,虽然其准确性较差,但其 穿透能力是各种测缺方法中最强的。最大可达1 5 0 0 0 m m 。超声法要求检测人员有较高的专业水平, 才能取得较为准确的检测结果。冲击回波法是新近发展起来的一项缺陷检测先进技术穿透能力 一般为2 0 0 0 3 0 0 0 m m ,其检测的准确性有所提高,且在检测时只需一个测试面,不用去除装饰层, 还可以用于构件厚度的检测,但检测设备的价格比较昂贵。 另外,其他的一些比较先进的无损检测方法还有雷达法、电磁与电测法、红外线法及超声波法 等”。 雷达技术可以进行非接触检测,检测速度快,接收信号经处理后可以用直观的图像在屏幕上直 接显示。雷达法可用于混凝土缺陷的检测、桥梁腐蚀定量分析、管道无损检测、探测砌体结构的完 整性还可以雷达层析摄影术,用微波技术来检测建筑构件的含水量。雷达法的穿透能力较差一般 只有3 0 0 m m 左右。 核磁共振法可用于检测混凝土成熟过程各阶段的特性。测定建材孔隙的含水分布;用涡流法测 定混凝土盖板厚度及钢筋混凝土中的钢筋直径;用电磁法测定预应力混凝土中张拉钢筋的断裂;用 超高频电磁诊断材料的涂层质量;用交流阻抗法监测混凝土中钢筋的锈蚀等。 红外热成像无损检测技术是把连续热流注入试件热流在试件中的扩散情况与试件内部结构有 关,并随时间推移使试件表面产生温差,利用红外热成像技术来获得试件近表面的缺硝情况。它具 有非接触、远距离、大面积扫查、结果直观等优点主要用于建筑物的保温节能性能普查,方便实 用,也可用于木材断裂过程的检测,分析古建筑砖的色彩变化,外粘结碳纤维塑料板和多层建筑材 料的检测等。 上述的这些新方法应用了较多的计算机技术但它们一般都只能做出定性的分析,无法得到定 量的检测结果而且大部分技术现在还只能在实验室中应用。 2 东南大学硕士学位论文 1 2 光测力学的研究内容 光测力学是应用光学的基本原理,结合力学的理论通过数学工具的推演,以实验为手段去测量 结构中的应力、应变和位移等力学量的- i 1 学科。光测力学简称光测法,它是实验力学学科中的一 个重要的分支。”, 同理论力学、材料力学、弹性力学等以理论分析方法为主的力学方法一样,以实验手段为主的 实验力学也是为了获取各种力学量,以此确保各类结构和材料的安全性和可靠性。因为实验力学方 法避免了理论分析带来的大量假设和推导,所以实验力学的结果与解析值相比更接近实际值。实践 是检验真理的唯一标准,理论分析求得的解析解是否符合客观事实,也需要通过实验加以检验。 随着生产力的发展,各种建筑物和生产生活用品在设计得越来越精巧美观的同时,他们的几何 形状也越来越复杂,载荷情况也越来越多样化,例如著名的悉尼歌剧院以其精美的外形而让世人叹 服,但同时其结构设计的难度也远远超过以前。这时,采用实验的方法来验证通过有限元等理论分 析方法得到的理论解析值的重要性就显现出来了。 同时,由于新材料和新工艺的不断出现,研究的课题已大量超过了原有的领域,很多都要考虑 非线形、非匀质、各向异性的材料这时理论力学等理论分析方法做的线性、均匀、各向同性等假 设均已无法成立,为了研究这些新材料的性质,只能采用实验力学的方法,从大量的实验中获取材 料的性质,并建立新的理论。 对各类结构和材料进行现场缺陷检测也是实验力学的一个应用范畴。实验力学可以通过检测各 类结构和材料的位移、应变、应力等力学量,通过发现其与理论值的差异来检测出它的缺陷。检查 出疵品,将事故防范于未然。实验力学方法在航天飞机表面的裂缝检测和汽车轮胎内部的缺陷检测 中都有成熟的应用。 光测法包括经典光测弹性力学法( 简称光弹性) 和现代光测力学法。或者说是光测力学应力法和 光测力学位移法的总称。光弹性法是以模型的光学条纹图像显示出所研究的结构物内的力学量的大 小和分布规律,是一种全场性测量法。故用这种方法能了解到结构物内应力( 或位移) 分布的全貌, 能清晰地反映出应力集中现象,立即得到应力集中系数能方便地确定出最大应力值及其所在位置, 获得结构物的边界应力值。直观性强,一目了然。光测法可以逐点求出应力或位移,也可以求出任 意位置处的应力或位移。对于研究结构物的强度问题,对于方案设计的优化和改进,应用光测法是 很有利的。特别是由于很多光测图像是通过照相、摄像等方式获得资料信息的,不需在结构物上直 接安装传感器或其他测示装置,所以光测方法是非接触式测量,也是非破坏性测量,而且获得的图 像信息还可长期储存,供日后反复研究复核。h 1 光弹性方法是一种模型实验方法,模型材料是专门的光弹性材料通过模型得到的应力来反映 出与实物相应的各力学量。而现代光测力学方法不需要制作模型,通过直接测量物体表面的变形, 反映出物体的受力状态。后者的测量方法主要有全息干涉法、云纹法、散斑干涉法等。 - 3 - 第一章绪论 1 3 建筑结构的光学无损检测技术及其优点 本章第一节概述了目前被普遍采用的无损检测方法,这些方法或者是精度不够或者是对被测 对象有比较高的要求,有的设备昂贵、操作复杂,甚至有的会对结构造成一定程度的损伤,而且有 些方法受环境因素的影响极高,通常只能作为定性的参考,它们都有各自的不足。 因此本文使用光学测量方法,主要是散斑测量技术来对混凝土进行无损检测。 相对于上述传统的无损检测方法而言,光学测量方法具有以下优点: 1 全场光学测量方法能够得到物体表面的变形分布,从而可以求出物体表面的全场应变或应 力分布与贴应变片等电测方法相比具有很大的优越性。 2 精确度高光学测量方法一般可以达到波长量级的精度。 3 无损光学测量方法对被测物体结构不会构成损伤,同钻芯法等相比,更适合于无损检测。 4 快速大部分光学测量方法的结果可以在瞬间得出,具有很高的速度。 5 不需要传感器光学测量方法一般不需要在物体的表面粘贴或者插埋任何传感器部件。 6 非接触由于光学测量方法是对所测得物体表面的图像进行分析,所以不需要和被测物体表 面接触。 7 被测物体既可是大物体,如航天飞机,也可是小物体如一些微米级的m 酬s 元件”。 8 可以应用于各种材料。 从以上对光学测量方法优点的分析可以得出以下结论,光学测量方法用于混凝土的无损检测可 以很好的满足精度方面的要求,同时它不象回弹法那样对混凝土有严格的要求( 回弹法要求混凝土 的龄期不得超过三年) ,而且用光学测量方法进行混凝土的检测对结构不会造成任何的破坏。因此 将光学测量方法用于混凝土的无损检测具有很好的发展前景。 目前,光学测量方法在检测复合材料、集成电路( 如陶瓷电容) 、压力容器【1 4 1 及焊接物 表面或内部的缺陷等方面都有比较成熟的应用1 1 5 - 1 8 】。但在进行土木结构的检验方面还停留在实验室 里,需要依靠做模型等方法来模拟得到建筑结构的变形和应力。由于模型和实际结构有很大偏差以 及其它一些因素( 如现场施工时混凝土强度未能达到规定强度等) ,这种方法还不够准确,只能用 于定性分析。现在国内外对实际混凝土构件进行无损检测还很少采用光学测量方法。所以采用光学 测量方法来测量混凝土的变形或者检测混凝土的缺陷在国内外都是一个值得探讨和研究的课题,无 论在学术上还是在实际应用方面都存在很大的深入研究空间。 1 4 本论文实现的目标和遇到的问题 如上所述,光学测量方法有很多的优点,已经是实验室里比较成熟的一种实验手段。但是如果 要作为一种可以应用于建筑结构工程中的无损检测技术,它还有很多问题需要解决。在分析总结前 人工作的基础上,本文着重探讨了散斑干涉测量技术用于混凝土结构无损检测的可行性以及在实际 东南大学硕士学位论文 应用中需解决的若干技术问题。 光学测量方法应用到实际工程当中会遇到以下一些问题: 受周围环境的影响比较大,比如全息干涉法对周围环境十分敏感微小的震动对结果都会产生 很大的影响。 很多实验方法要求在比较暗的环境下进行,实验结果受环境的影响比较大。 还有一些实验方法对物体的表面要求比较高,比如散斑照相术( s p e c k l ep a t t e r np h o t o g r a p h y ) 需要在物体的表面喷涂散斑颗粒,而散斑干涉法则需要物体的表面比较粗糙,可以使入射的激光在 物体表面形成漫反射。 另外,如果要获得物体表面的变形,就必须对物体施加一定的荷载,选择一种比较合适的方式 加载,在实际工程应用中也是一个比较大的问题。加载时,可以采用力、热、光辐射、电各种方法, 只要能够方便测量过程即可。 本文所做的工作是利用现有技术及设备,努力解决上述问题,使光学测量方法能够逐步应用到 实际工程中去。因为散斑干涉法对测量环境等要求较低所以本文主要探讨散斑干涉法用于实际工 程测量的可行性。 1 5 本文主要的工作 本文主要探讨利用激光散斑干涉计量技术实现对实际混凝土构件无损检测的可行性,通过研究 希望能够将这一方法应用到实际工程中去。论文内容如下: 第一章,结合国内外研究的发展趋势。综述了国内外各种无损检测方法,分析了它们与光学测 量方法各自的优缺点。 第二章,简单地介绍了本文中将要用到的主要光学测量方法一散斑干涉测量方法及其发展趋 势,着重阐述了用于表面位移测量的散斑测量方法及其基本方法,并介绍了相关的图像处理及计算 机控制技术。 第三章,对面内位移的测量进行了研究。首先介绍了面内位移的测量原理和双光束散斑干涉 方法的光路布置。然后,通过分析一组碳纤维混凝土的实验数据来阐明实验所得的条纹图的意义, 以及如何分析实验得到的条纹图像并计算出各点的应变值。 第四章,对离面位移的测量进行了研究。首先。介绍了离面位移的测量原理和剪切散斑的理论 分析及光路示意图。然后,分析了大剪切散斑干涉技术和小剪切散斑干涉的区别以及它们各自的用 途,并介绍了相移剪切散斑干涉的方法。最后,采用相移剪切散斑干涉技术。以测量混凝土的离面 位移为例,介绍了散斑干涉条纹图的另一种自动处理方法。 第五章,对离面位移的动态测试进行了研究。首先,介绍了时间域去包裹技术的原理。然后, 通过求出测量充气变形的下水管道的全场应变分布。介绍如何对离面位移进行动态测试。 第六章,对全文进行了总结,并给出了今后的一些研究方向。 - 5 - 第二章散斑检测方法的原理及应用 2 1 引言 第二章散斑检测方法的原理及应用 早在1 9 1 4 年散斑现象就被人们所发现,但一直未予以重视。到1 9 6 0 年后,随着气体激光器诞 生,全息干涉技术得到了极大的发展,然而,由于散斑的存在影响了全息图质量,这时散斑才开始 作为一种噪音得到了系统的研究。但当时大量的工作是试图如何克服消除散斑效应。1 9 6 6 年。b r u c h 和e n n o s 在实验中发现散斑具有可测的强度和确定的位相,从而为散斑的应用奠定了基础l l ”。此后, g r o h 把散斑引入计量领域,他用散斑图样作为测量疲劳断裂的阴影模板,结果表明这是一种非常 灵敏的测量表面位移的方法”1 。1 9 6 8 年,b r u c h 和t o k s k i 提出了散斑照相术,a r c b o l d ,d u f f y , y y b u n g 等人发展了这种方法。1 9 6 9 年,l e e n d e r t z 在国际光学会议上,提出了散斑相关干涉计 量术( s p c i ) ,这是散斑计量技术的一个重要发展i ”1 ,基于这种思想,他又提出了剪切散斑干涉术 ( s s i ) 2 3 1 。后来经过y y h u n g 的改进【2 4 】,成为了一种非常实用的方法。 由于像面散斑大小可以通过照相系统的数值孔径加以调节,对记录介质的分辨率要求降低,只 要能够记录光强的分布即能满足要求,所以人们开始使用照相机来记录散斑图像。1 9 7 1 年,英格 兰莱斯特州l a u g h b r o g h 工业大学的j n b u t t e r s 等人用闭路电视系统代替照相机,实现了电子散 斑干涉术( e s p i ) 与此同时,m a c o v i s k i 也进行了类似的工作。e s p i 省去了照相底板的处理、 复位等繁琐的处理,为走向工程实用化迈进了一大步。m 进入8 0 年代,出现了集成化的电子存储模块。利用这种技术,电视图像可以以点阵的形式量 化为数字量存储在帧存储体中,并可以读写。把这种技术应用在电子散斑干涉中,就出现了数字电 子散斑干涉术( d s p i ) 。它通过把物体变形前后的数斑图量化为数字图像,存储在帧体中,由计算 机用数字的方法对它进行运算,从而在监视器上再现干涉条纹图。b ” 但是,由于电子散斑干涉术的抗震性能很差,所以很难应用于实际工程。为了提高e s p i 的抗 震性能,1 9 8 5 年y y h u n g 提出了将错位技术引入电子散斑的设想提出了电子散斑错位术的概 念( e l e c t r o n i cs h e a r o g r a p h y ,简称e s ) 。剪切散斑的出现。大大提高了散斑干涉术的抗震性能, 为散斑干涉测量应用于实际工程提供了可能+ “j 。 现在,由于散斑干涉技术具有全场、非接触、高精度和高灵敏度、不避光、不需要特殊防震、 快速实时并可在线测量等优点,同时,经过人们的不懈努力,散斑干涉测量技术已经广泛应用于航 空航天、机械、土木、水工等领域 3 0 - 3 2 l ,用于检测各种工程机械及设备的变形、振动、冲击、粗糙 度、刚度和强度等特性以及土木结构、水利设施的变形等。1 3 ” 6 东南大学硕士学位论文 2 2 散斑干涉测量术 散斑干涉测量的记录和再现,不仅可以用光学方法实现,还可以用电子学和数学方法实现,习 惯上把前者称为散斑干涉测量,而将后者称为电子散斑干涉测量。p ” 散斑干涉测量有三种方法参考束型散斑干涉测量、双光束散斑干涉测量、剪切散斑干涉测量。 在以上三种测量方法中,双光束散斑干涉方法主要用来测量面内位移,而其余两种光路则可用来测 量物体的离面位移。面内位移指u 、v 方向上的位移,离面位移指w 方向上的位移。在以后的两章 中我们将分别用到以上方法。 2 2 1 参考束型散斑干涉测量方法 由l e e n d e r z 提出的参考束型散斑干涉记录方法分为散斑参考束型和平滑参考束型两种,其光 路区别在于分出的参考束是直接照射记录平面,还是由散射面反射后再照明记录面上的感光胶片。 散斑参考束型记录光路是一种m e c h e l s o n 干涉仪式的光路相干照明光波被分束镜b s 分成两 束,分别照明被测物表面r o 与和物体表面具有类似特性的参考面r ,由表面散射出的光场在其共轭 像面上叠加形成原始散斑场。若以a 。( r ) 表示像面上r 所处的光场状态,其中f = 1 , 2 ,分别对应于 物光和参考光_ ,= 1 , 2 表示变形前后的两种状态,那么在像面上 物面r o 参考面。团 圉 匠乙己己巴互 b s 激光: 三 、厂 1 。 卜 d 圈2 - 1参考柬型散斑干涉测量光路 变形前散斑干涉场的光强度分布为 1 1 ( r ) = | a l l ( r ) + 一2 l ( r ) 1 2( 2 1 ) 变形后为 ,2 ( ,) = l a l 2 ( ,) + 4 2 ( ,) 1 2( 2 2 ) 变形前后,参考光是不变的,即爿2 1 ( ,) = a 2 2 p ) 散斑参考束型的记录光路如图2 一l 所示。 为了提取散斑干涉信息可以采用实时法、相减法和衍射法及高通滤波法,最后我们可以从中 第二章 散斑检测方法的原理及应用 提取出干涉条纹的分布。 s 圈2 2 平滑参考束敞斑干涉光路图 r 参考束型散斑测量的另一种光路是平滑参考束散斑干涉( 见图2 - 2 ) 。实际上这是一种同轴像 面全息记录光路。图中s 与s 。是来自同一激光光源的发光点,因而具备很好的相干性。物表面共轭 像面上的物光场与一束平滑波面叠加形成散斑干涉场。两次曝光分别在物面变形前后进行,总光强 仍可用上式表示只不过式中a ,( ,) 不再是波面而是由s 发出,被分束镜反射到记录面上的平滑 波面。成像光瞳直径仍为透镜口径d 。平滑参考束型散斑干涉,也需要用高通滤波的方式来获取干 涉条纹从而提取变形信息。 2 2 2 双照明光束散斑干涉测量方法 图2 3 双照明光束散斑干涉测量光路图 这种方法也是有l e e n d e r z 首先提出的,其记录光路如图2 - 3 所示。两相干照明光路在物表面法 平面对称的方向上照明物表面。它们各自由物表面散射出的光场在物表面的共轭像面上形成散斑干 涉场。 为了提取散斑干涉信息,象参考束型散斑干涉测量方法一样。我们可以采用实时法、相减法和 衍射法及高通滤波法从中提取出干涉条纹的分布。 一8 一 东南大学硕士学位论文 因为当被测表面沿z 方向离面运动时。照明的两束相干光之间光程差不发生变化,所以,这种 方法一般用来测量物体的面内位移。 根据同一思想,d u f f y 提出了另一种测量面内位移的散斑干涉方法,即双光阑型散斑干涉法。 物面 7 存喜穗二二= 车;= 彳叶f 迤 | 匙r 圈2 4双光阑型散斑干涉法光路示意图 照相底版 这种方法是在成像透镜上安置对称配置的圆孔光阑。同样在像面上记录变形前后的两次曝光散斑 图。再通过商通滤波光学信息处理系统( 见图2 - 4 ) ,得u 表示面内变形信息的干涉条纹图。在这 种记录光路中,同一点的周围一个小区域形成在像面上某一点的干涉像。在z 方向( 观测方向) 或 y 方向( 垂直图面方向) 发生位移时,对于干涉结果不发生影响,而在x 方向发生位移时,合成相 位改变使得周期性图样平行于本身移动。与双照明方法相比这种方法在光学滤波后得到的干涉条 纹质量较高,但是它的灵敏度较差。 2 2 3 剪切散斑干涉测量方法 以上两种方法分别用于测量物体粗糙表面的面内位移和离面位移,而剪切散斑干涉方法可以直 接得出更为有用的离面位移导数。这种方法不仅提高了精度,还避免了大量的计算,有相当的优越 性,并已成为一种实用的工业无损检测手段。 剪切散斑干涉最初由l e e n d e r z 提出的,h u n g 做了具有重大实际意义的发展,并制成了工业 在线检测设备。前者的光路仍是m i c h e l s o n 干涉仪的改型,h u n g 提出的光路有很多种,其中最典 型的光路是双光楔剪切法,如图2 5 所示 图2 5 双光楔剪切光路图 - 9 - 第二章 散斑检测方法的原理及应用 物体被准直激光照明后,散射出的光场被透镜成像。透镜前放置一个双光楔,使上、下两半透 镜所成的像在像平面上错位,产生剪切干涉。置于像平面上的记录介质对于变形前后的物体做两次 曝光。处理后的两次曝光剪切干涉散斑图用光学信息处理光路作带通滤波( 或高通滤波) ,便可得 到代表两次曝光之间发生的应变场的条纹分布图像。 几乎在散斑干涉测量技术发展的同时,用电视系统代替照相处理,用电子技术和计算机技术来 代替光学滤波的电子散斑干涉技术已经开始出现。在电子散斑干涉计量( e s p i ) 中,原始的散斑干 涉场有光电器件转换成电信号记录下来。用模拟电子技术或数字电子技术方法实现信息的提取,形 成的散斑干涉场可直接显示在图像监视器上,也可以存入电子计算机中。与光学滤波的方法相比, e s p i 操作简单、实用性强、自动化程度高,可以进行静态和动态测试,具有许多优点。两者不同 之处还在于获取变形信息的原理,e s p i 采取的主要方法是图像相减技术,尽管相减技术与上面所 提到的二次曝光的相加技术实质相同但相减技术产生的条纹质量要好得多。 图2 6 所示,为一幅电子散斑干涉测量的典型光路图。激光束由分束镜s 1 透过的一束,被反射 镜m 2 反射并经由透镜l 2 扩束照明物表面。物面散射的激光被透镜l 3 成像到电视摄像机接收面上。 由分束镜s l 反射的另一束光被角锥棱镜反射到m 3 上。经透镜l 1 扩束后,由分束镜s 2 转向,与物光 合束到电视摄像机靶面上,成为参考光r 。角锥棱镜可以前后移动以调节光程保证两束光的相干 性。由物表面散射的激光成像到摄像机靶面上成为主观散斑场与参考光相干涉形成平滑波面参 考束散斑干涉系统。 图2 - 6电子敞斑干涉测量光路图 若变形前物光束在像面上形成的复振幅为 参考光复振幅为 a l i = a 1 1e x p j 庐l l o 电子摄像系统 路 ( 2 3 ) 东南大学硕士学位论文 a 2 l = 口2 ie x p j 丸l( 2 4 ) 则在该点合成光强为 i l = 日j + 口刍+ 2 a 1 1 日2 1c o s ( c , i 一如1 ) ( 2 5 ) 变形后,参考光复振幅爿2 2 = a l 】没有变化。物光束在物表面发生变形时离面位移会造成物 光复振幅的总的位相改变巾,因而有 a 1 2 = a l le x p j ( # , i + ) 变形后,该点的合成光强为 1 2 = d j + 口刍+ 2 a l l 口2 lc o s ( 死l 一疵i + ) ( 2 6 ) 比较以上两式可以发现,由于引进参考光,光强被余弦函数调制。当巾为2n 的整数倍时, 变形前后散斑干涉图不发生变化。当中为( 2 n + 1 ) n 时,变形前后合成光强变化最大。巾为表 面离面位移的函数,散斑干涉图的变化情况就反映了物面变化的情况。因此电子散斑干涉术采用图 像相减技术来提取有关离面位移即中的信息。在m = 2 nn 的位置上,两散斑图完全相同,相减 后为零,光强为零,散斑也看不见。在巾= ( 2 n + 1 ) 的位置上,相减以后仍有散斑,并呈现出 晟大的对比度和蠼小的平均强度。物表面分布着与由有关的条纹,这种条纹反映出两次散斑干涉 光强之间的相关性称之为“相关条纹”。 除了图像相减以外,图像相加也可以得到相关条纹。这时满足巾= 2 nn 的相关区域,变形前 后散斑图样相加使散斑光强对比度提高。不相关区域在光强相加以后。平均光强没有变化,对比度 降低了。在高通滤波处理之后散斑对比度的变化可以转化为平均光强的变化,从而产生出条纹。1 3 0 - 3 2 2 3 散斑照相测量术 当物体表面变形时,它散射出的光场强度也发生变化,这种强度变化表现为散斑点的位置变化。 散斑点的位置变化与物面变形之间的对应关系为散斑照相奠定了基础。在散斑照相计量中,首先记 录下不同物体表面状态下的散射光场强度分布,然后以某种方法将记录下的光场之间强度的相对变 化提取出来就可得到物体的变形信息。散斑照相测量术的研究工作于1 9 6 8 年由b u r c h 等最早提出, 开始时采用光学方法,之后发展成为数字方法。 2 3 1 白光散斑照相测量术 用非相干的白光照明具有颗粒状反射率分布的表面时,散射光场也可在空间形成复杂的颗粒状 结构。当散射表面发生变化时,这种颗粒状散射光场会发生变化物表面的变化信息也存在于这种 散斑场的变化中。用白光照明形成的这种散斑场变化来测量表面变形的方法就是白光散斑照相测量 术。为了实现白光散斑照相测量,被测表面应具有颗粒状的反射率分布。对于那些并不具备这种条 件的被测表面,必须进行处理以产生这种特性,这个过程被称为表面的散斑化,因此白光散斑又被 称为“人造”散斑。p ” 第二章散斑检测方法的原理及应用 2 3 2 数字散斑照相测量术 与电子散斑干涉测量方法类似,数字散斑干涉照相技术用光电探测器件直接记录相干光或自光 散斑场在变形前后的分布,用数字信息处理技术实现信息的提取( 或者按习惯上称做条纹的识别) 。 信息提取的方法同样有全场滤波和逐点滤波两种方法。 3 3 - 3 4 2 4 散斑测量的发展趋势 为了能够更准确、更稳定的测量到每一点的位移和变形,人们采用了以下两种方法。 2 4 1 相移散斑干涉计量技术 在e s p i 和d s p i 中,一般采用被测物体变形前后散斑场相减的方法得到表征物体变形的相干条 纹。设变形前的光强l 为 i b ( x ,y ) = 1 0 l + m e o s a p b ( x ,n 】( 2 7 ) 式中1 。为平均光强m 为调制度a q ,b ( x ,力为物光相对参考光的相位变形后光强l 为 。( x ,力= i o 1 + m c o s a ( x ,力】)( 2 8 ) 妒。( x ,) ,) = 纯( x ,y ) + 伊( x ,y )( 2 9 ) 式中吼( 工,y ) 为变形后的相位伊( x ,y ) 为物体变形引起的相位变化- 光强相减并取模得 l ( x ,y ) = l a ( x ,y ) 一l b ( x ,y ) = 2 m l o s i n 1 9 0 b ( x ,y ) + 妒( z ,y ) 2 l 。f s i n a 似工,y ) 2 】i ( 2 一l o ) 1 9 8 5 年,r o b i n s o n 等人提出了数字相移散斑干涉术( d i g i t a lp h a s es t e p p i n gs p e c k l e i n t e r f e r o m e t r y ) 。它的基本思想是通过在参考光中引入不同的相移量来求得物光的位相变化量。从 而求得变形量。相移散斑测量技术在其后几年得到了较快的发展。1 9 8 9 年0 k e r r 提出了单步相 移法,简化了数据采集过程,减少了相移e s p i 受环境稳定性的影响。1 9 9 0 年t o y o
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 隐私保护动态分析-洞察及研究
- 超材料能流控制-洞察及研究
- 废石生态建材开发-洞察及研究
- 工作总结:高效协作实现团队目标
- 天然气技术发展规划
- 剖析第十八届世界杯足球赛决赛阶段进球进攻特征:数据洞察与战术解析
- FPGA高级综合编译优化算法:技术剖析与应用探索
- 低碳排放技术创新-洞察及研究
- 活络丸在儿童生长发育中的积极作用-洞察及研究
- 医疗器械政策协同效应-洞察及研究
- 2025年第一届安康杯安全生产知识竞赛试题题库及答案(完整版)
- 电力工程冬季施工安全技术措施
- 贵州省贵阳市2026届高三上学期摸底考试数学试卷含答案
- 公司年度员工安全教育培训计划
- 潍坊市2026届高三开学调研监测考试化学试题及答案
- 供电所安全教育培训课件
- 2025年杭州市上城区望江街道办事处 编外人员招聘8人考试参考试题及答案解析
- 百果园水果知识培训资料课件
- 商业地产策划流程
- 2025年灌注桩考试题及答案
- 公司安全生产责任书范本
评论
0/150
提交评论