（精密仪器及机械专业论文）散斑干涉法在机械零件热变形测试中的应用研究.pdf

散斑干涉法在机械零件热变形测试中的应用研究 摘要 散斑干涉测量法是一种现代光学测量技术，与传统的电阻应变片测量、云 纹测量等方法相比，它具有非接触式，抗杂光干扰，测量精度高，表面不需特 殊处理等优点，被广泛的应用于光学粗糙表面的变形测量和无损检测，本文针 对机械零件受热变形过程动态位移场的测量，研究了从散斑干涉光学系统搭建 到干涉条纹图像处理及数据分析全过程。 本文基于双光束法位移测量系统的数学模型，搭建了散斑干涉测量热变形 的实验系统，针对光学系统调试复杂的特性，本文对光学系统搭建方法进行了 优化，能够有效提高系统装置搭建的质量，减少调试的时间。针对散斑干涉条 纹图像所具有的大量噪声信息的特性，本文研究了各种去噪算法，得出低通指 数滤波法能有效地去除电子散斑干涉条纹图像中的散斑颗粒噪声。在对去噪后 的散斑干涉条纹图像进行域值分割处理过程中，本文分析了迭代法的原理和算 法。二值分割后，采用二步细化算法实现干涉条纹的骨架线提取，并采用条纹 跟踪算法对条纹进行修整。本文将试验数据和理论数据进行比对，试验值与理 论值吻合良好。因此可以认为激光散斑法实验测量结果是可靠的。 关键词：散斑干涉，光学系统调试，去噪，迭代，条纹提取 t h e r m a ld e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n to fm e c h a n i c a lp a r t s w i t hs p e c k l ei n t e r f e r e n c em e t h o d s a b s t r a c t s p e c k l ei n t e r f e r o m e t r y m e t h o di sam o d e r n o p t i c a l m e a s u r e m e m t e c h n o l o g y , w i t ht h e t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e mo fr e s i s t a n c es t r a i ng a g e s ，m o i r e m e a s l l r e m e n tm e t h o d ，i ti s n o n - c o n t a c t ，a n t i - m i s c e l l a n e o u s - i n t e r f e r e n c e ，h i g h p r e c i s i o n ，s u r f a c ew i t h o u tm e r i ts p e c i a lt r e a t m e n t ，w a sw i d e l yu s e di no p t i c a lr o u g h s u r f a c ed e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t sa n dn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t h i sp a p e rm a c h i n e p a r t sd y n a m i cd e f o r m a t i o np r o c e s sh e a td i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e m r e s e a r c hf r o m t h es p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r yo p t i c a ls y s t e ms t r u c t u r e s t ot h ei n t e r f e r e n c ef r i n g e s i m a g ep r o c e s s i n ga n dd a t aa n a l y s i so ft h ee n t i r ep r o c e s s b a s e do nt h ed u a l b e a md i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mo ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e ls t r u c t u r e ss p e c k l ei n t e r f e r o m e t r yt h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h e e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，i nv i e wo ft h ec o m p l e xo p t i c a ls y s t e md e b u g g i n gf e a t u r e s ，t h i s m e t h o do fo p t i c a ls y s t e mh a sb e e no p t i m i z e ds t r u c t u r e s ，d e v i c e sc a l le f f e c t i v e l y i m p r o v et h es y s t e mr e v e a l e dc o n s t r u c t i o nq u a l i t ya n dr e d u c ed e b u g g i n gt i m e s p e c k l ea g a i n s ti n t e r f e r e n c ef r i n g e si m a g e s 谢t 1 1al a r g en u m b e ro fn o i s ei n f o r m a t i o n ， t h ep a p e ro nt h ev a r i o u sd e n o i s i n ga l g o r i t h mi n d e xr e a c h e dl o w p a s sf i l t e rc a l l e f f e c t i v e l yr e m o v ee l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r ys t r i p e ss p e c k l ep a r t i c l e s i nt h ei m a g en o i s e d e n o i s i n gi nt h es p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r ys t r i p ed o m a i n i m a g es e g m e n t a t i o np r o c e s s ，t h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo fi t e r a t i v e m e t h o da n d a l g o r i t h m t h es e g m e n t a t i o n ，at w o s t e pr e f i n e m e n ta l g o r i t h mi n t e r f e r e n c ef r i n g e s f r o mt h es k e l e t o n ，a n dt r a c k i n ga l g o r i t h mu s i n gs t r i p e so nt h ef r i n g e sa n dc a r r yo u t r e c t i f i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r e t i c a ld a t af o rc o m p a r i s o n ， t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e ew e l lw i 也t h et h e o r e t i c a lv a l u e t h e r e f o r ei tt h a tt h e m e t h o do fl a s e rs p e c k l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r er e l i a b l e k e yw o r d s ：s p e c k l ei n t e r f e r e n c e ， o p t i c a ls y s t e md e b u g g i n g ，d e n o i s i n g ， i t e r a t i v e ， e x t r a c t i o ns t r i p e s 插图清单 图1 1 原始散斑图像l 图2 - l 装置组成框图6 图2 - 2 面内位移测量原理图7 图3 - l 散斑记录光路1 0 图3 2 散斑形成原理图l1 图3 - 3 变形引起的相位变化示意图1 3 图3 - 4 双光束散斑图位相变化与面内位移的关系1 7 图3 5 离面位移测量原理图1 8 图4 1 测量机械零件热变形实验系统框图2 0 图4 2 图像采集卡硬件结构2 2 图4 3 测量金属铝盘三维热变形的实验光路图2 4 图4 4 测量面内位移实验光路图2 4 图4 5 搭建调试过程图2 5 图4 7 搭建调试过程图2 5 图4 9 面内热变形测量的光路实物图2 9 图4 1 0 离面热变形测量的光路实物图2 9 图4 - 11 测量金属铝制圆盘试件热变形的的夹持方法3 0 图4 1 2 陶瓷加热板31 图4 1 3 试件初始照片3 2 图4 - 1 4 热像仪测量温度场分布3 2 图5 1 图像处理的系统流程3 3 图5 25 0 时原始散斑图像。3 4 图5 36 0 时原始散斑图像3 4 图5 4 初始散斑条纹图3 4 图5 5 原始散斑图像灰度分布图3 4 图5 - 6 灰度增强后条纹3 5 图5 7 灰度增强后灰度分布图3 5 图5 8 直方图均衡化后图像3 6 图5 - 9 直方图均衡化灰度分布图3 6 图5 1 0 巴特沃斯滤波前后的条纹图3 7 图5 1 1 指数滤波前后的条纹图3 7 图5 一1 2 梯度滤波前后的条纹图3 7 图5 一1 3 双峰直方图3 8 图5 一1 4 迭代法分割前后的图像3 9 图5 1 5 图像的二值膨胀前后对比图4 0 图5 1 6 二值腐蚀前后的条纹图像4 0 图5 1 7 开运算前后的图像4 l 图5 1 8 闭运算前后的图像4 1 图5 1 9 细化后的散斑条纹图4 4 图5 2 0 修整后的散斑骨架线4 4 图5 2 1 试件在降温过程中面内的散斑平滑滤波条纹图4 6 图5 2 2 试件在降温过程中离面的散斑平滑滤波条纹图4 7 表格清单 表2 一l 膨胀仪的一般特征8 表4 - 1 电感测微仪与激光散斑干涉法实验结果对比2 7 表5 - 1 圆盘边缘对中心点平均每度变化产生的面内热变形及4 7 表5 2 圆盘热变形有限元仿真结果与实验结果相对比4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金魍兰些太堂或其他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 并表示谢意。 学位论文作者签名：阀残彳艮签字日期：劬，年钥工日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒筵王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒 筵王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：闻德像 签字日期：妒9 年毕月踢日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 年月 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师胡鹏浩教授的指导下完成的，论文自始至终都倾注了导师 的心血。在研究生阶段，不管是学习还是生活上，都获得了胡老师的言传身教。 胡老师渊博的专业知识、严谨的治学态度都是我所敬仰的，对事业精益求精的 精神更是我学习的榜样。在此，谨向胡老师表示最衷心的感谢。 在做本论文试验时，得到了卢荣胜老师、刘志建老师的鼎力相助，他们不 但在理论上对我进行悉心指导，而且还为我提供了许多试验用的器材设备，在 此深表感谢。 感谢王永红老师，本论文试验部分当时遇到了困难，远在美国的王老师对 我进行透彻详尽的分析指导，使我得以i l i o n 完成试验。 硕士论文的最终完成，离不开课题组朱珍同学，在试验遇到困难时，我们 相互激励，共同进步，最终顺利完成试验；在撰写论文期间，她给了我很多帮 助，在此深表感谢。 感谢一切曾经鼓励、支持、帮助过我的人，衷心的感谢大家! 作者：闻德保 2 0 0 8 年3 月 1 1 课题任务背景及意义 第一章绪论 散斑干涉测量技术是六十年代末发展起来的一种光学测试技术，具有非接 触、测量精度高、对环境的防震要求低、可在明光下操作、实时的全场测量等 优点1 。近十年来随着c c d 器件的发展、计算机图象处理技术的飞速发展，激光 散斑测量技术有了新的发展和突破。国际上，c h i a n g ，r a d o m 和m u r a m a t s u h l 等 应用散斑干涉方法，对结构变形进行了研究工作；在国内，中科院大恒公司与 德国j u r i d 公司合作联合研制新型的散斑干涉法测量系统阳1 ，逐步使散斑测量走 向系统化和集成化。国内外学者广泛的利用散斑干涉法进行各种研究工作h 一3 ， 散斑干涉法可以用来测量离面位移、面 内位移和位移导数等阻，。 由图i - i 可以看出n 们，散斑条纹图 像中存在着很强的颗粒性噪声，使条纹 的可见性和分辨率受到很大程度的限 制。去除颗粒噪声是正确读取散斑条纹 信息的必要条件。本文研究了从散斑干 图1 1 散斑干涉条纹图 涉光学系统搭建到干涉条纹图像处理及数据分析全过程。为后续的研究热变形 工作提供了方便、准确的工具，具有重要的理论和现实意义。 1 2 散斑干涉测量技术的发展 散斑干涉计量技术以其非接触、高精度和全场测量等优点，一直为人们所 重视，尤其是被应用于表面变形的测量。由于散斑照相通常利用干板作记录不 仅费时、费力，且显影、定影等操作过程复杂，极其困难，这就给散斑干涉计 量技术的推广带来了困难，再加上干涉条纹 图的处理。为了适应工业部门的快速和自动 计量的要求，必须解决记录方法和干涉条纹 图自动处理等问题。电子散斑干涉法( e s p i ) 就是在这种要求下发展起来的，它采用c c d 或t v 摄像机采集相干散斑干涉场的光强信 息，电子信号经过电子或数字处理后就以条 纹图的形式显示在图像监视器上。条纹可代 表物体表面的离面位移、面内位移、位移导 图卜2 原始散斑图像 数、振动模式及物体形状的等值线，它们的获得依赖子不同的光路布置。电子 散斑干涉计量技术是一种测量光学粗糙表面位移或形变等物理量的干涉计量技 术，可以用于研究应力、应变及变形。电子散斑干涉综合了现代发展的三大技 术：激光技术、视频技术和计算机数字图像处理技术，因此电子散斑干涉计量技 术具有如下特点1 ： 1 它采用c c d 或t v 摄像机和电子存储器取代了全息干板记录物面散斑场的 光强信息，可用电子或数字技术实时处理信息，实时显示干涉条纹，快速方便。 2 它使用c c d 摄像机实时采集散斑场信息，对工作环境的要求低，抗震性好， 可以走出实验室，进入现场进行测试。 3 它采用相减模式处理干涉散斑场，可消除般杂散光的影响，所以它可 以在明室下操作，这给工作人员带来了很大方便： 4 电子散斑条纹图可以以数字形式存入帧存储介质中，所以便于条纹后处 理，结合计算机技术使条纹自动分析成为可能，为实现条纹自动化测量创造了 良好的条件。 对于零部件在受热变形的过程中，所表现出来的热应力产生、热应变产生 和热变形作进一步的研究，找到一种实验方法准确获得零部件在三维空间的整 体变形量和变化趋势是非常重要的。本论文提出用激光散斑干涉的方法测量机 械乏有效的、实时监测。因此，针对热变形误差对现代工业的重要性及现行测 量方法的不足，对零件的热变形，激光散斑干涉法凭借着其具有全场、非接触， 高精度，高灵敏度和实时快速等优点，已经被广泛的应用到动态及静态测量中， 如测量物体的粗糙度、位移、变形及无损检测等等。 尽管早在1 9 1 4 年，散斑现象就被人们所发现，但直n 1 9 6 0 年发现全息干涉 术后才有所重视n 羽。当时由于散斑的存在而影响了全息图的质量，人们开始将 散斑作为一种噪声进行系统的研究。1 9 6 8 年，a r c h b o l d n 3 1 等人首次提出将散斑 技术应用在测量中，但由于对记录介质要求高和条纹处理困难等原因，使其没 能得到广泛应用。1 9 7 0 年l e e n d e r t z n 钔事先建立了散斑干涉术的基本原理，并声 称具有近于全息干涉的灵敏度。在这一方法中，物体由两束相干光照明，将物 体变形前后拍摄的两幅散斑图照片加以对比，即可得到表面位移的信息。1 9 7 1 年英 b u t t e r s 等人和美国的m a c o v s k i n 目又以光电子器件( 摄像机) 代替了全息 干板记录散斑场的光强信息，并存储在磁带上，然后通过电子硬件处理的方法 将变形后的散斑图与记录在磁带上的变形前的散斑图进行比较处理，从而在图 像监视器上能观察到散斑干涉条纹，这种方法即为电子散斑干涉法。1 9 7 4 年， p e t e r s o n n 阳等人把硅靶摄像管作为光电探测头应用在电子散斑干涉法中，提高 该系统对光的敏感度。1 9 7 6 年，l o k b e r g 等人把全息干涉术中的参考光位相调制 技术引入电子散斑，使之能测量振动的位相分布。1 9 7 8 年，j o n e s n 砌等人采用双 波长电子散斑干涉测量了物体的轮廓。1 9 8 1 年，j o n e s 又系统地对电子散斑干涉 2 中各种参数的选取和优化作了详细的报道。这时，电子散斑干涉法的基本原理 和干涉系统己基本建立起来了。 进入8 0 年代以后，计算机技术开始迅猛地发展，用数字化图像板可以将模 拟信号的视频图像经过a d 转换，以数字化的形式存入计算机的存储器内。随着 这种技术的发展与不断完善，开始逐步替代原来电子散斑中需要由电子硬件处 理的工作，由数字量的软件计算代替模拟量的硬件计算，这种散斑干涉技术称 为数字散斑干涉术( d s p i ) 。它通过把物体变形前后的散斑图量化为数字图像， 存储在帧存储器上，用计算机数字图像处理的方法对它们进行运算处理，从而 在图像监视器上再现干涉条纹，使得数字散斑干涉技术的应用领域不断扩大， 适用范围更加宽广。 1 3 本论文的主要内容 1 3 1 课题来源 本论文为仪器科学及光电工程学院创新群体研究项目，采用电子散斑法研 究零件热变形。 l3 2 研究内容 1 本文从统计光学理论出发，系统研究了激光散斑干涉热变形测量的原理，并 建立相应的统计学模型，确立用激光散斑干涉技术测量机械零部件三维热变 形的新测量路线，并验证实验的合理性； 2 完成激光散斑干涉法测量实验系统的设计，建立一套激光散斑干涉法测量热 变形的实验平台，本论文中设计了一铝制盘类零件，以此为实验对象进行实 验研究，并用c c d 摄像机采集其热变形数据。 3 运用m a t l a b 软件对采集数据进行图像处理。对原始散斑图像进行灰度处理、 相减、灰度变换、直方图均衡化、指数滤波等处理得到清晰的散斑条纹图。 4 由处理后的条纹图计算出零件的变形量，然后与理论变形量进行比对，以验 证散斑干涉技术用于热变形测量的可行性和精确性。 第二章热变形测量方法综述 从热变形理论研究的发展看人们对热变形的研究已有很长的历史了，对 热变形的物理本质提出了多种理论假设，并推导出不同近似条件下的热膨胀系 数表达式，但这些理论仅对热变形作了定性的解释。由于热膨胀表达式推导过 程中的近似假设和表达式中物理参量无法确定，使这些热膨胀系数的表达式不 具有实用性。因此，即便是理想材料的热膨胀系数都无法通过理论计算获得， 而工程中所使用材料的热膨胀系数，由于受到多种因素的影响，更无法通过理 论来精确计算。 热变形对日常生活及工业生产有重要的影响，在精密加工和精密测试领域 其影响非常大，我们必须对它有深入的了解。由于无法对热变形，特别是材料 的热膨胀系数进行理论值的准确计算，因此只能通过实验手段来进行测定。人 们设计了各种各样的测量方法，但这些测量方法都有各自的局限和缺点，本文 在总结过去的热变形测量方法的基础上，想用电子散斑干涉法来测量机械零部 件的热变形，探索了理论上的可行性，给出了热变形测量中散斑图象的处理方 法，并设计和组建了了一套实验装置。 2 1 热变形测量的发展概况 热变形的测量最早是由荷兰天文学教授姆前伯若克( m u s s c h e n b r o c k ) 进行 的，他是为了选择合适的单摆悬丝材料而测量了铁、铜、钢、黄铜、锡和铅的 熟膨胀系数。1 8 0 5 年拉沃西尔( l a r o i s i e r ) 和拉普拉斯( l a p l a c e ) 应用光杠 杆放大装置对姆前伯若克的实验作了改进。1 8 6 4 年裴索( f i z e a n ) 应用了光干 涉技术，设计了精密测量热膨胀系数的仪器。此后，阿贝( a b b e ) 等人进行了 多方面的改进，发展了多种类型的光干涉仪器，这些仪器分别可以在高温、低 温下对固体材料的热变形进行精密的测量。上世纪6 0 年代怀特( w h i t e ) 首先 提出的电容膨胀计，可以高精度的测量线膨胀系数。 近年来测量熟变形的仪器有了新的发展，针对某些特殊的用途，建立了具 有各种特殊功能的仪器，如基尔特( g i r t ) 的测量晶态薄带材料的热膨胀仪、 米勒的干涉膨胀仪、卡福特马克赫尔的热振膨胀仪等。 为了获得更可靠的试验结果，一些国家针对不同类型的材料( 如建筑材料、 耐火材料、绝缘材料、金属材料) 各自建立了测定热膨胀系数的标准试验方法。 在这些方法中，对测试要求和测试条件均有明确的说明。 据不完全统计，已经建立的关于熟变形的标准试验方法有近2 0 个。在这些 标准试验方法中，有6 个是针对金属材料或者可用于金属材料的，这些方法是： a n s i a s t m e 8 0 、a s t m b 9 5 、a s t m e 2 2 8 、a s t m e 2 8 9 、g o s t 4 0 8 0 7 8 、a s t m c 8 3 2 等。 4 我国也进行了热变形测量标准化工作，冶金部在1 9 7 9 年制定了平均膨胀系数的 标准试验方法( 冶标y b 9 4 0 - 7 8 ) ，后来又制定了国家标准g b 4 3 3 9 - 8 4 。 目前，热变形的研究与测量更加成熟，人们根据特定条件下的特定研究目 的提出了几十种测量变形、应力、应变的方法。对这些方法进一步归纳分类， 常用的测量方法晦1 5 3 1 有：液体油槽法、顶杆法、光杠杆法、电阻应变片法、电 感测微法、光栅法、电容法、直接观测法、电子散斑干涉法。 2 2 各种常规热膨胀、变形测量方法的分析 ( 1 ) 液体油槽式测量方法 在温度计标定方法中，有一种方法是将被测温度计和标准温度计同时置于 油槽中，由于液体油的热容量较大且导热性能差，因此对其加热和停止加热都 不会引起温度的剧烈变化，可以形成稳定的温度场。根据液体油的这一特点， 可以将被测件置于油槽中加热并保温，经过一段时间的热交换与热传导，试件 内部及表面的温度与油温完全一致时，用长度测量装置测得试件的热变形。 ( 2 ) 顶杆法 这是一种应用普遍的线膨胀系数测量法。试件固定于载管中，其膨胀量通 过一根与试样载管材质相同且膨胀系数很小的顶杆传递出来，并由其它微位移 测量装置检测。此种方法的特点是需要材质和膨胀系数确定的顶杆和载管，通 常采用石英。 ( 3 ) 光杠杆法 将待测式样与膨胀系数已知的标准试样分别置于材料、尺寸相同的两载管 仲，两试样的膨胀量通过传递杆导出，其差值由光三角架放大。此种方法的灵 敏度很高，但测量精度受标准式样膨胀系数的限制。 ( 4 ) 光栅法 光栅法是一种将位移量的变化转变为光的强度变化的测量方法。利用光栅 将试样的微变形转化成为莫尔条纹的运动，通过位置固定的光元件对通过该位 置的莫尔条纹进行计数，从而测得试样的变形量。这种方法受到顶杆膨胀量修 正的限制。 ( 5 ) 电容法 电容器两个极板之间距离的变化，在小范围内与电容量的变化存在近似线 形关系。若以试样代替电容的一极，则通过材料两极间的电容变化就可以求得 试样的热变形量。这种方法精度很高，但多用于测量低温和热膨胀系数较小的 试样，或者在温度变化范围较小的范围内使用：它的灵敏度随着温度的升高而 降低，不适于较高温度的测量。 ( 6 ) 直接观测法 借助于某一种精密测微器，在加热过程中对试样进行膨胀量的直接观测。 它适用的温度范围很广，特别适用于高温。这种测量线膨胀的方法简单、直观、 稳定可靠，它的测量不依赖于机械传动等装置，也不受电和磁的干扰，能在材 料可能达到的高温内使用，而且被测的形状不受限制，用该方法可以测量任何 固体材料，但难于实现自动记录，而且测量精度不高。 ( 7 ) 电阻应变片式测量方法 因应变片电测技术在解决工程结构的应力、应变分析时得到广泛的应用， 其原理是将电阻应变片粘贴到能真实反映被测件变化的测点，当温度变化引起 试件热膨胀时，试件测点位置产生热应变，并引起应变片的紧缩或者拉伸，导 致应变片电阻丝电阻的变化，再经过电阻应变仪将其转化成试件的应变值显示 出来。 ( 8 ) 光电机械式测量法 将被测件置于恒温装置中，被测工件和测头可以在两个相互垂直的方向上 运动，通过长度测量系统可以测出受温变形量，根据此原理，测量装置的框图 如图2 - 3 所示 在上述框图中，其长度测量系统采用双频激光干涉仪，测长运动系统和被 测件运动系统采用机械传动，定位装置为电感测量系统，变温测温装置采用恒 温恒湿箱和铂电阻数字万用表。 试样置于稳定均匀的温度场内，温度的高低由测控温系统进行测量和控制， 试样与调整系统都放置在恒温箱内，用于测量过程中对实验的调整与定位，瞄 准定位装置用于试样测量点的瞄准，并将测量点间的长度传递给微变形运动系 统，进而测出零件测量点间的变形量。 图2 一l 装置组成框图 ( 9 ) 电子散斑干涉法 电子散斑干涉法的原理为，将试样的三维变化量转变成千涉光束的光程差， 使之在视场中产生干涉条纹，干涉条纹的数量对应相应的变形量。图2 4 为散 斑法测量面内位移原理图。此种方法测量精度高、非接触、对实验环境要求低， 且能够实时在线测量，可以广泛的应用于工业测量研究领域。 反射镜2 被 测 物 反射锐3 图2 - 2 面内位移测量原理图 除了上述传统的热变形测量方法外，人们还根据研究目的及测量对象性质 的不同开发了不同的测量方法隅钆s s 。( 如：磁性法、超声法、x 射线衍射法、中 子衍射法等等) 上述的前七种方法都是用来测量热膨胀系数，且它们只能实现一维测量； 光电机械式测量法是合肥工业大学以费业泰教授为首的科研队伍在研究热膨胀 的基础上提出的一种测量金属零件二维变形的方法。此种方法测量精度高、实 用范围广，但不能实现三维测量，且测量是静态的，不能进行实时在线测量； 与光电机械式测量比，散斑干涉法测量可以进行三维测量，而且可以进行实时 在线测量，优点十分突出。 所以本文在学习一维、二维测量的基础上，采用电子散斑干涉的方法测量 零件的三维变形。 2 3 熟变形实验研究存在的问题 上面介绍了热变形测量的各种方法，从中可以看出，这些测量方法在进行 实验研究时存在以下几个方面的问题： 1 、现有热变形测量装置限制了被测对象的形状与尺寸大小。 现在许多热变形测量装置都是用于测量材料的线膨胀系数，它的结构都是 以线膨胀系数标准测定试样的形状与尺寸为依据设计的。根据我国材料线膨胀 系数的测定标准，试样的几何形体一般为长径比为1 6 ：1 的圆柱，因此这些专 用的膨胀仪不适合于测量形状复杂的金属零件：机械零部件的热变形和膨胀系 数是有本质不同的，采用这些方法无法真实反映零件的热变形特征。2 、常用热 变形测量装置精度不高 测试热变形的方法和装置种类很多，由于金属的线膨胀系数很小，通常在 7 微米级，而膨胀仪最基本的作用就是将这种微小的长度变化测定出来，所以需 要将金属随温度变化而产生的微小长度变化准确放大。放大倍数越大，该膨胀 仪的测试灵敏度及精度就越高，所以微位移放大部分是膨胀仪的核心部件。按 照膨胀仪放大的原理不同可以将膨胀仪分为：光学放大、机械放大及电磁感应 放大三种类型。对于各种膨胀仪的一般特征可见表2 1 嘲1 测量原理 近似灵敏度( 舳)范围时间稳定性 干涉仪 2 5 x 1 0 5 长好 光杠杆仪1 0 x 1 0 一 长好 未粘贴的坎状府蛮计1 3 x1 0 4 长好 线性可变差动变压器1 0 x 1 0 4 长好 电容测微计2 5 x 1 0 + 4 短 差 量磁计2 。5 x 1 0 一 短差 旋转镜仪2 5 x 1 0 4 长差 指针量计 2 5 x 1 0 3 长好 机械杠杆仪 2 5 x1 0 q 长好 张丝目镜显微镜 2 5 x 1 0 一长好 电接触测量显微计 2 5 x 1 0 一 长好 表2 一l 是对热膨胀仪粗略地比较，对于具体膨胀仪的精度还需要由结构和 使用情况而定。我国多数热膨胀的测定都是通过杆型膨胀计测定出来的，由表 可知，其精度不高，不能满足精密测量的需要。 如果测量温度在o 。c 7 0 6c 之间，温度间隔较小，则应选择更高精度的 热变形测量装置。 3 、测量的方向单一 现有的热膨胀测量装置大都是用来测定材料的线膨胀系数，只需要测量一 维的热膨胀即可。但对于一般机械零件的热膨胀只用一维的测量装置是无法测 量的，例如测定直线度误差随温度的变化，我们不仅需要同时测量同一直线上 多点的热膨胀，而且还要对每一个测量点准确定位，因此在这种情况下需要在 两个方向上实现测量；要想清楚了解齿轮工作时的变形情况，就必须实现三维 测量，这与传统热膨胀测量的要求有很大的区别。 4 、测量的温度范围宽 现有的热膨胀测量装置的测、控温范围般都很宽，有些高达上千度。较 宽的测、控温范围对于膨胀系数的测量及通过热膨胀测量来研究相变过程来说， 可以得到较大的热变形量，相应地可以提高测量精度。但对于常用机械零件热 变形测量来说，因其在使用时温度变化范围不大，一般为常温附近的几十度的 变化范围，用测、控温范围很宽的测量仪器不能实现高精度的测量。对于测、 控温范围为一千度的熟膨胀系数测量装置，如果其测温精度为o 0 5 ，当用其 测量5 0 。c 范围内的热变形时，则仅仅由测温误差造成的测量误差为 0 5 x a x l x l 0 喝；若被测尺寸是l o o m m ，材料为钢质，则误差为土1 j o m ，那么 误差将占总热变形量的1 。如果将测量装置的测控温范围减小，则可以提高测 温传感器等的测量精度及减小装置长期稳定性的影响，从而提高测量精度。 2 4 本章小结 本章简要的介绍了热变形的发展情况，并介绍了研究热变形时用到的1 0 种 常规测量方法：在分析各种测量方法后本文选择了电感法和电子散斑干涉法； 最后，本章总结了热变形试验研究存在的一些问题。 9 第三章散斑干涉技术基础 本章运用统计光学理论对激光散斑干涉技术用于物体离面和面内变形测量 进行系统地学习和理解，并建立起激光散斑干涉测量物体离面和面内变形的统 计学信息分布模型，进步导出它们的信息可测条件。 3 1 散斑的产生 3 1 1 散斑现象 当一束相干性很好的激光照射到物体粗糙表面时，漫反射光犹如无数个小 的相干点光源发出的光发生干涉，如图3 - 1 在物体表面前面的空间将布满明暗 相问的斑纹这些亮斑与暗斑的分布是随机的，称为散斑( s p e c k l e ) n 钆2 引。因 为散斑是由粗糙面散射而成，所以可以说散斑是粗糙表面某些信息的携带者。 因此借助于散斑不仅可以研究物体表面粗糙程度，也可以研究物体形状与位置 变化。 宽束激光 q 9 q 。 口 o o o o oo 图3 - 1 散斑记录光路 散斑现象早已被人们所熟悉，但是仅在激光问世以后才被更深刻的了解， 并且应用到许多领域。激光是一种高度相干性的光源，当它照射在具有漫反射 性质的物体表面，根据惠更斯理论，当激光照射在具有漫反射性质的物体表面 时，其表面的每一点都可以看成一个点光源，从物体表面反射的光在空间相互 叠加，就会在整个空间发生干涉，形成随机分布的、明暗相间的斑点，这些斑 点称为激光散斑( s p e c k l e ) 。这些散斑使得全息实验中条纹的反差受到影响， 当条纹过密时，即被斑点所淹没，观察不到条纹。因此在全息干涉法发展初期， 散斑是作为无用的噪声而被人们认识的，随着科学技术的发展，人们对散斑有 力更深入的研究，发现这些斑点的大小和位置虽然是随机分布的，但是整体上 斑点是符合统计学规律的，在同样的照射和记录条件下，一个漫反射表面，对 应着一个确定的散斑场。在一定范围内，散斑场的运动是与物体表面上各点的 1 0 运动一一对应的，从而启发了人们根据对散斑运动的检测，来获得物体表面运 动的信息，从而计算位移。 3 1 2 散斑原理 散斑的形成必须具有以下两个条件乜：首先，被测物体的表面必须是粗糙 的，使之能够发生散射光，为了使散射光比较均匀，物体表面粗糙度的深度必 须大于波长；其次，入射光线的相干成度要足够高使之能够发生干涉，如：使 用激光，图3 2 为散斑形成原理图。我们感兴趣的是成像面及夫琅和费衍射面 上的散斑堙羽。由于光的波动性，光通过d q l 会发生衍射，明暗相间的条纹衍射 图样，条纹间距随小孔尺寸的减少而变大。衍射图样的中心区域有最大的亮斑， 称为爱里斑。爱里斑的角度与波长( x ) 及小孔的直径( d ) 满足关系： s i no = 1 2 2 入。散斑的横向尺寸指的是爱里斑的半径，可以从瑞里分辨率得到， 当两斑大于爱里斑的半径时，才能分辨的出来。因此横向尺寸指的是散斑的最 小尺寸。 y 。 、j t j ? 。 l 。 火广 。 物平面 透镜 图3 2 散斑形成原理图 由于散射体表面的无规则的结构，任一独立的散射基元光波对其相邻的散 射元的相位差在0 - 2 万之间随机分布在空间散斑场中任一点的光振动是大量 基元光波在该点的统计求和，这在空间就形成了空间散斑( 称为菲涅耳型斑) 协1 此时在观察面上的散斑的平均直径为：1 2 2 2 ( z o ) ，式中d 是散射面的 直径，z 是散射面到观察面的距离如果将被测的散射体用透镜成像，则在像面 上得到的散斑称为像面散斑( 称为夫琅和费型散斑) ，在夫琅和费衍射区，无透 7 镜成像时产生的散斑称为客观散斑，散斑的横向尺寸为仃横= 1 2 i t _ , ，有透镜成 像时，称为主观散斑，散斑的横向尺寸为：盯堵= 1 2 a f 。空间散斑的形状为雪 ，7 2 茄形，其纵向尺寸为仃横= 5 等，这是指最大长度。式中；f 为透镜焦距与光通 大小之比，及孔径比，入为照射光的波长，d 为照明区域的尺寸，z 为观测平面 与散斑表面的距离。 当我们用散斑干涉法计量物体变形时，若变形量小于斑的横向尺寸，就不 能检测，当变形量过大，超过了斑的纵向长度，得到的是完全不相干的两幅散 斑图，也不能检测。散斑的大小和形状可由通过改变透镜孔径的大小和形状得 到改变，这样散斑不再仅仅被看成是一个噪声因素，而是用于不同场合的信息 载体。这就为研究表面粗糙度、测量位移及应变、变形和振动分析提供了有力 而简单的方法。 3 2 散斑干涉计量的基本特性伫4 删 散斑干涉计量以波面检测技术为基本内容，通常在近似垂直于光波传播方 向上的平面内考察光场的分布特性，光学波面具有各种各样的空间分布，以波 长为尺度，将在该平面上振幅和相位的空间变化非常缓慢的波面称为光学平滑 波面，而将变化非常快的波面称为光学粗糙波面。光学平滑波面从空间频域中 看频带很窄，它是光场通过那些光程变化非常缓慢的传播环境产生的，而光学 粗糙波面的频带很宽，几乎占据整个频域，它是光场通过那些光程变化非常快 的传播环境产生的。光学粗糙波面在空间形成复杂的光强分布，形成颗粒状的 外观，通常称其为散斑波面。早期的散斑干涉计量理论是建立在几何光学光程 差的定量分析的基础上的，它虽然能够给出主要信息的分布情况，但是不能准 确地说明计量方法的原理，不能正确讨论计量过程中诸参数对计量结果的影响， 也就不能清楚分析计量信息间的相互影响。因此，随着人们对空间随机光场统 计特性认识的不断深入，从7 0 年代末期开始逐步尝试以统计光学为工具来解释 散斑干涉计量问题，它对计量问题的描述更客观，对散斑干涉计量技术的计量 机理解释得更完善。 从统计学的角度，任一实际的被测表面都可以看成是由无穷多个具有某种 统计特性的表面构成的系综中的一个样本，对该样本的任何操作结果，都会改 变样本。因而，测量中所涉及的所有光场以及由其产生的计量场都是定义在某 个特定系综上的随机场。在这种随机场中，被测表面的特定微观状态信息是随 机信息，而待测的状态变化信息无论随机信息如何都是不变的，是确定信息。 因而，如果对随机计量场求系综平均，随机信息将被压缩而只剩下待测的确定 信息和随机场的统计分布信息。 3 2 1 散斑干涉计量中的理想化处理 在激光散斑干涉测量热变形技术实施过程中要遇到许多实际问题，比如， 照明光源的单色性、光学测量系统的非线性等。为了能够对其进行正确的数学 描述，必须对它们进行理论上的近似与限定。下面针对实际物理背景，对它们 1 2 进行合理的理想化处理。 1 、照明光源的理想化描述 散斑干涉计量中以h e n e 激光器为光源。严格地讲，无论如何，这种实际 的光场都应存在一定的时空相干性。但是散斑干涉计量技术是一种相干检测技 术，在实际的工作中总是使计量系统工作于相干状态，也就是计量过程中存在 的最大光程差总是小于光场的相干长度。这时可以把光场的叠加看成是与时间 变化无关的量，而只是与空间变化引起的相对相位差有关。因而，这时可以把 光场近似成理想的单色光场。 2 、计量系统的理想化处理 光学测量系统用于实现信息的采集和传递，它的特性显然要对所采集和传 递的信息有影响。这里，计量系统传递的是相干光场，光学系统对光场复振幅 来说可以作为线性系统来处理。由于计量系统是小孔径、小视场系统，它的像 差比较小，物面上输入的每点在像面上形成的像均相同，故可作为衍射受限的 空间位移不变线性系统处理。 3 、被测表面一点的位移特性与散射光场特性的关系 被测物体粗糙表面可以看成是有大量散射点组成的，这些散射点形成了相 互独立的散射基元，它们的空间位置和取向不同。为了便于分析，将散射基元 的平均分布面作为理想物平面，并以，0 表示，实际散射基元的振幅和相位特性 都等效在该平面上。散射表面的特性可以用复振幅表示为： f ( r o ) = a ( r o ) e ( 3 - - 1 ) 式中a ( x ，j ，) ，( x ，y ) 一分别表示振幅和相位特性。 d c r o ) 图3 3 变形引起的相位变化示意图 当物体表面发生变形时，会引起散斑图的变化，但其空间变化相对于散射 基元空问位置的变化缓慢的多，可以认为变形只改变散射基元的位置，而不改 变其散射特性。在光源s 的照明下，同一散射点由于变形，在( x ，y ) 点产生的 相位变化如图3 - 3 所示，设d ( x ，y ) 为变形矢量，根据图中所示。变形引起的 相位变化为： 厶k ) = 墨吒+ k 3 r 3 一k 2 r 2 一k 4 r 4 ( 3 - - 2 ) ，2 一，l = r 3 一r 4 = 4 t o ) ( 3 - - 3 ) 式中，一相应点的距离矢量； 乃一单位传播矢量，七= ；鲁，歹= l ，2 ，3 ，4 1 7 ，i 令 k 2 = k l + 似l ( 3 4 ) k 4 =