（精密仪器及机械专业论文）基于三维电子散斑干涉技术测量物体变形的系统研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 三维电子散斑干涉技术( 3 d e s p i ) 利用电子散斑干涉图像携带物体表面位 相信息的特性，可以测量物体材料的应力、应变、振动等性能参数。本文主要将 此技术应用于研究物体表面的三维变形及物体表面和内部缺陷的自动识别。 论文简述了电子散斑干涉技术的发展状况及其原理，并对电子散斑干涉技术 测量物体面内变形、离面变形以及三维变形的几何原理进行了详细分析，介绍了 几种传统的e s p i 系统。 为了获取物体表面的三维变形信息，需要将物体离面变形检测系统和面内变 形检测系统结合在同一坐标系中。论文根据要求设计了三种层层改进的方案，系 统中共用其中照射物体的一束光束，将面内变形检测和离面变形检测系统结合到 同一坐标系中。第一种方案为传统器件法，采用传统光学元件进行分光、传光； 为了能够简化一般3 d e s p i 系统中光学器件繁多、器件移动引起的重复调整等缺 点，在第二种方案中将光纤引入系统中，即y 型光纤法，设计了以y 型光纤为主 要分光和传光器件的e s p i 系统；第三种方案为一分五型光纤法，在y 型光纤法 的基础上，弓 入一分五型光纤，使系统更加简便、紧凑。为获得量化的变形信息， 系统中将电子散斑技术与相移技术结合在一起，采用“4 + 1 ”相移算法，获取物 体表面的三维变形信息。 论文详细讲述了层层改进的第一、二、三种方案的操作细则，重点将第三种 方案，即一分五型光纤法的三维变形检测系统进行了实验验证，包括一分五型光 纤法系统建立的实施方案、系统匹配器件的计算与选择、系统三维坐标的确立、 系统中器件的对称性调整以及相关参数的标定等。采用木板作为样本进行了表面 和内部近表面缺陷检测实验；采用不锈钢板作为样本进行静态三维变形检测实 验，得到三维变形结果的显示图像，分析了系统中存在的误差以及影响测量精度 的因素。 最后，论文对课题研究工作进行了总结，并提出需要改进的工作。 关键词：三维电子散斑干涉技术，变形测量，系统设计，相移技术 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l r d i m e n s i o n a le l e c t r o n i cs p e c k l ep a r e mi n t e r f e r o m e t r y ( 3 d e s p i 、i sm a i n l y a p p l i e di nm e a s u r i n gt h ep a r a m e t e r s ，s u c ha sd e f o r m a t i o n ，s t r e s s ，s t r a i n ，v i b r a t i o na n d s oo n ，o w i n gt os p e c k l ei m a g e se a r r i n gt h ep h a s ei n f o r m a t i o no fo b j e c ts u r f a c e i nt h i s d i s s e r t a t i o n , t h et e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h em e a s u r e m e n to f t h r e ed i m e n s i o n a lo b j e c t b “u f a c ed e f o r m a t i o n a n dt h ea u t o m a t i o ni d e n t i f i c a t i o no fb o t hs u r f a c ea n di n n e r d e f e c t i o n t h ep a p e rb r i e f l yp r e s e n t st h ed e v e l o p m e n ta n dp r i n c i p l eo fe s p i t h e nt h e g e o m e t r i ct h e o r i e s o fi n - p l a n ed e f o r m a t i o n ,o u t - p l a n ed e f o r m a t i o na n dt h r e e d i m e n s i o n a ld e f o r m a t i o no fm e a s u r e do b j e c ta r ea n a l y s e di nd e t a i l a tl a s t ，s e v e r a i t y p e so fc o n v e n t i o n a le s p is y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g n e ds y s t e mi n t e g r a t e st h eo u t - p l a n ee s p is e t u pa n di n p l a n ee s p is e t u p t oa c h i e v et h e3 dd e f o r m a t i o n t h r e ed i f f e r e n ts c h e m e sw h i c hs h a r eo n eb e a n lt h a t i l l u m i n a t e so b j e c tr e s p e c t i v e l l yi no r d e rt oi n t e g r a t et h eo u t - p l a n ee s p is e t u pa n d i n - p l a n ee s p is e t u pi n t o o n ec o o r d i n a t ea r ep r o p o s e d t h ef i r s ts c h e m eu s e st h e c o n v e n t i o n a l o p t i c a le l e m e n t st os p l i tl i g h ta n ds e n dl i g h t t oo v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g e st h a tt h eg e n e r a ls y s t e mi n c l u d e sl a r g ea m o u n t so ft h eo p t i c a le l e m e n t s a n d t h ep o s i t i o no fs o m ee l e m e n t sn e e da d j u s tr e p e a t e d l y , t h eo p t i c a lf i b e ro fym o d e i si n t r o d u c e di n t ot h es e c o n ds c h e m e t h eo p t i c a lf i b e ro fym o d ei st h em a i ne l e m e m w h i c h 斛i t sl i g h ta n ds e n d sl i g h t mt h i r ds c h e m ei n t r o d u c e st h eo p t i c a lf i b e ro f o n e t of i v em o d eb a s e do nt h es e c o n ds c h e m ef o rs i m p l i t ya n dc o m p a c t t h es y s t e m c o m b i n e se s p ia n dp h a s e - s h i f t i n gt e c h n i q u e si no r d e rt oc a l c u l a t et h ed e f o r m a t i o n , o b t a i n i n gt h e3 dd e f o r m a t i o ni n f o r m a t i o no fo b j e c t s s u r f a c eb y 4 + 1 ”p h a s e a l g o r i t h m t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h eo p e r a t i o np r e s c r i p to ft h et h r e ed i f f e r e n ts c h e m e s ， a n dv a l i d a t e st h et h r e ed i m e n s i o n a ld e f o r m a t i o nt e s ts y s t e mb a s e do no p t i c a lf i b e ro f o n et of i v em o d ei nt h ee x p e r i m e n t ，i n c l u d i n gt h ei m p l c m c n t a r ys c h e m eo fs y s t e m s s e t u p ，t h ec h o i c eo f 印p a r a t u se l e m e n t s ，t h ea d j t t s t m e n tm e t h o d so fs y s t e ma n dt h e 上海大学硕士学位论文 d e m a r c a t i o no ft h ei n v o l v e dp a r a m e t e r sa n ds oo n i nt h ee x p e r i m e n t ss u r f a c ea n d i n n e rn e a rs u r f a c ed e f e c t i o nd e t e c f i o no faw o o db l o c ki sf i n i s h e d m o r e o v e r , t h e e x p e r i m e n tw h i c hm e a s u r e st h es t a i n l e s ss t e e lb o a r d s3 dd e f o r m a t i o ni ns t a t i cs t a t e h a sb e e nd o n e ，a n dg i v e st h ed i s p l a yi m a g e so ft h ed e f o r m a t i o n t h ed i s s e r t a t i o na l s o a n a l y z e st h es y s t e me r r o ra n d t h ef a c t o r sw h i c ht a i la f f e c tt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o ns n m su pt h er e s e a r c hw o r ka n dp r e s e n t st h ew o r kw h i c h n e e dt ob ei m p r o v e d k e y w o r d s ：3 de s p i ；d e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t ；s y s t e md e s i g n ；p h a s e s h i f t i n g t e c h n i q u e i l l 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：三盏鱼e t 期：硅型签名：兰型型期：硅塑! 乏丝 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：王互，毒! l 导师签名；日期：塑三：! ! 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 课题来源于国家科技部国际会议项目“基于光学和数字融合技术的复杂物体 变形远程测量”。 1 2 课题研究的目的和意义 随着工业的发展，人们对材料受力后产生的变形、应力、应变等性能参数的 研究要求不断提高。从过去只能应用于物体点测量的金属应力量表到可以测量物 体面区域的电子散斑干涉技术( e 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 y ， 简称e s p i ) 的应用，测量精度也在不断提高。 三维电子散斑干涉技术( 3 d - e s p i ) 是e s p i 相对于测量对象的三维空间应用， 即获取被测量目标的三维信息。此项技术在工业上已经应用于进行无损检测、变 形测量、物体形貌获取等方面。利用三维电子散斑研究物体表面的变形、应力 应变、振动等，可以为研究材料力学性能参数提供信息。这项技术具有测量精度 高、同时获得全场三维变形、非接触测量等优点。 本课题的目的是设计三维电子散斑干涉系统，并利用三维电子散斑干涉技术 对物体表面的三维变形进行测量，验证系统的可行性。目前国内尚无该项技术的 产品存在，该课题研究将为该技术的产品化提供基础性研究，有理论和实际应用 价值。 1 3 国内外研究概况 目前，工业的快速发展要求我们对材料特性的检测和掌握更为精确。越来越 多的学者加入到研究材料特性的队伍中，这一研究课题已经成为国内外的热门。 目前，在研究变形方面，最为流行的两种技术为电子散斑干涉技术、数字散斑( 图 象) 相关技术。 上海大学颈士学位论文 1 3 1 电子散斑干涉技术概况 电子散斑干涉技术( e 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 y ，e s p i ) 是采用 双光束散斑干涉系统，和用两相干光束照射物体后反射，经透镜成像后在c c d 接 收靶面上干涉形成散斑图像，经图像采集卡采集存入计算机或将物场变化前后的 散斑图像相减处理得到的散斑干涉条纹直接显示在显示器上。这项技术可以应用 于物体的振动、应力应变、变形、无损检测等测量。 结合实际应用与课题需要。我们采用电子教斑干涉技术测量物体的变形。在 变形方面，利用物体变形前后光程差的改变产生的位相变化来反映物体表面的变 形信息。本论文以此技术为中心，进行了一系列的研究。下面主要介绍e s p i 在 国内外的发展、应用以及科研成果。关于e s p i 在测量变形中的原理及其系统将 在第二章着重介绍。 1 3 1 1 国外研究概况 国外利用散斑干涉技术进行测量起步比较早。电子散斑技术创造于十九世纪 七十年代早期“，1 9 8 5 年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 ) 嘲，随着电子散斑位移 检测技术的理论成熟以及试验的成功验证，国外研究者致力于此技术在工业检测 中的应用，例如，变形测量”、形貌测量旧、振动检测”1 等。 j o e n a t h a n 等人利用双光束e s p i 采用时间相移技术测量物体的面内位移。1 。 p d r i n i 等人利用此技术通过多方向的空间载波构建变形场的完全描述，以此同时 测量面内和离面变形唧。1 9 8 9 年g a n e s a n 把e s p i 用于泊松比的实时测量。1 9 9 0 年， g u l k e r 把e s p i 用于建筑物现场测试。m o o r e 等人应用e s p i 进行两维应力测量“”。 研究者还研究此技术在生物、化学、地质“”方面的应用，例如利用此技术检测复 合生物材料的特性“4 ；观察透明液体中的物理现象，如在水溶液或凝胶体中晶体 形成过程时密度、浓缩梯度的交化等等， 此外，电子散斑干涉技术亦被应用于艺术品腐化过程的检测，比如意大利研 究者将此技术应用于油画的研究以及保存“”；2 0 0 1 年f l q g r e d 教授等人，发表了 关于检测中国秦始皇兵马俑陶器腐化过程的文章，通过对电子散斑干涉方法的改 2 上海大学颈士学位论文 进，估计出存储陶器的过程和材料，为保存珍贵的艺术品积累经验“”。 为了能够更好的在实际产业中利用此项技术，研究者渐渐将其产品化、商品 化。 1 9 8 0 年英国的v i n t e n 公司首次推出一种电子散斑干涉仪。 1 9 8 8 年美国激光技术公司首次推出电子错位散斑干涉仪e s 一9 1 0 0 。 1 9 9 0 年美国的n e w p o r t 公司推出h c 一4 0 0 0 型的e s p i 于涉仪。 1 9 9 2 年瑞士的v i b r o m e t e r 公司也推出了r e t r a1 0 0 型电子散斑干涉仪。 1 9 9 2 年美国激光技术公司推出了新型的电子错位系统e s - 9 2 0 0 、e 8 9 4 0 0 、 e s 9 1 2 0 、e s 9 5 0 0 及s c - 4 0 0 0 便携式电子错位散斑干涉仪“”。 近几年，研究学者不断致力于此技术应用在测量物体表面的面内变形、离面 变形、三维变形( 离面和面内相结合) 、无损检测以及位移梯度等方面的研究。 随着工业技术的发展，对检测对象的信息要求全面性更进一步加强。为了在实际 应用中能够快速准确的获得被检测对象的三维信息，不断将此技术进行产品化。 近来德国d a n t e ce t t e m e y e r 公司，已经研制出用于材料应力、应变三维测量的系 统和设备，如q 一1 0 0 、q - 3 0 0 、q - 4 0 0 等系列产品，可以在实际应用中进行物体的 三维变形检测、应力应变检测、压力容器的无损检测等，在硬件设计和软件处 理方面更让人容易掌握它的应用，更显示了此技术的实际应用价值。 从电子散斑技术的理论研究到产品化实现，研究学者都不断的进行革新和发 展，力求充分挖掘此技术的优势和应用范围。不断将技术产品做到更方便、快捷、 实用。由此，我们可以看到国外对此技术在工业应用方面的重视程度。 1 3 1 2 国内研究概况 国内对于电子散斑干涉技术的研究和应用起步比较晚，所以在技术和产品化 方面处于学习和创新的初步发展阶段。研究学者除了在国外研究的基础上对此技 术的学习外，更注重对此技术的研究和改进，例如如何消减散斑中的噪声“”1 ， 为提高激光能量利用率，对散斑干涉仪光路进行调整。国家自然科学基金项目 和教育部重点项目资助的利用此技术对纯镍薄片受力变形的研究”，对此技术在 研究金属特性方面的应用提供了帮助。在利用电子散斑干涉技术进行动态变形研 究中嘲，研究者取得了一定的经验和研究结果。为以后的工程应用研究奠定了基 上海大学硕士学位论文 础。我国研究者也同样将这项技术应用无损检测州，并提出将电子散斑干涉技 术应用于语音识别中渊。 近几年，我国也有研究者着手研究此技术在物体的三维变形、应力测量等方 面的应用汹。1 。 尽管我们起步比较晚，但对于电子散斑干涉技术的产品化、商业化发展而言， 仍然有许多成果。 1 9 8 9 年天津大学首次研制成功了电子错位散斑( 或称电子剪切散斑) 干涉 系统( e s s ) ，随后又开发了d s s p i 系统潞捌。 1 9 9 0 年中国大恒公司光电室与西德j u r i d 公司合作开发t d a h e n g - j u r i d 电 子散斑仪。 1 9 9 2 年，中国科学技术大学将半导体激光器成功地应用于电子散斑干涉中， 并由可切换的双频光栅实现了错位，使e s p i 更好的仪器化。 北京光电子技术公司也在生产电子散斑仪向工业应用领域推出。 关于电子散斑干涉技术应用于物体表面三维变形的仪器，目前国内还没有成 品现市，但我们相信随着研究工作的深入，对此技术的熟悉与掌握，在不久的将 来，一定会有属于自己国家的产品出现。 1 3 2 数字散斑相关技术概况 1 3 2 1 数字散斑相关技术原理 一般情况下，我们所说的数字散斑相关技术( d i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o n m e t h o d ，d s c m ) 是指两维数字散斑相关技术，又称为数字图像相关技术( d i g i t a l i m a g ec o r r e l a t i o nm e t h o d ，d i c m ) ，是一种利用光源照射物体后，通过图像 采集、图像数字化、处理物体变形前后自身产生的两幅数字散斑图像，将变形前 的图像中的- d , 块图像定义为样本子区，变形后的图像中与样本子区相对应的那 一小块图像定义为目标子区，则只要我出目标子区和样本子区之闯的一一对应关 系，就可以实现变形量的提取。样本子区与目标子区的位置差别包含了位移分量， 形状差别包含了应变分量，这样就把变形测量问题转化为一个数字计算过程。一 般认为d s c m 在理论上的位移测量精度能够达到0 0 1 像素。但在实际应用中除了 4 上海大学硕士学位论文 算法本身的限制外，还取决于所用硬件的质量和特征参数、散斑的形成以及环境 噪声等。此技术的特点是光路简单、非接触、全场测量等，但算法采用数学相关， 计算过程较为复杂。 三维数字散斑相关技术采用两个成一定角度的c c d 摄像机图像采集系统，首 先通过匹配两个c c d 在同一时刻采集的图像，利用摄影测量原理，样本表面的三 维坐标可以被精确计算出来，得到物体的三维形貌图。然后比较不同变形时刻的 图象序列，从而得到物体表面的全场三维位移。 1 3 2 2 数字散斑相关技术的发展与应用 国内对于数字散斑相干方法的研究起步于上世纪8 0 年代晚期。数字散斑相关 技术的基本思想提出于2 0 世纪8 0 年代初期。国外的一些文献研究被认为是此技术 的初期工作。“3 ”。p e t e r s ，r a n s o n 。”利用数字散斑技术通过相关加载前后的两幅 图像测量表面位移。y a m a g u c h i 1 提出了一种非接触式的激光散斑应变计。通过 互相关光电二极管的阵列得到互相关函数峰值从而实现表面应变的测量。随后该 方法并用来确定悬臂梁中线的位移。”、刚体在两维情况下的变形分析伽等。 数字散斑相关技术的发展主要是其算法改进，提高算法速度和精度的改进过 程。从早期采用的粗一细搜索方法到十字搜索法嘲，再至u n e w t o n - r a p h s o n 迭代求 解方法啪1 ，在很大程度上提高了搜索的效率，但仍存在不足。采用h e s s i a n 矩阵 近似表达式的拟牛顿法可以较好的解决存在的不足之处坼3 盯。随着近现代数学 的发展，数学分析的新方法与图像识别的新理论不断问世，一些新的数学理论也 逐渐应用到d s c m 的求解中来。例如相关搜索的方法逐步采用频域f f t 方法嘲、自 适应的遗传算法“町、智能的神经网络方法、小波变换、细搜索方法等。上述这些 技术都有助于识别过程中降低噪声的影响、提高结果的精度或者提高d s c m 的收 敛速度，在理论上不断地发展和完善了数字散斑相关技术。在数字散斑相关技术 的发展过程中，相关系数的表达式也是重要的影响因素。随着人们对该方法认识 的深入，逐步用归一化的交叉互相关系数、归一化的最小二乘系数代替了早期的 绝对值差别相关系数和最小二乘系数。归一化的相关系数由于限定了相关系数取 值的范围而使相关搜索有较高的效率。经过研究者对相关系数的分布的不断深入 研究发现，通过减去子区灰度平均值的方法可以加大相关系数分布中的主峰值点 上海大学硕士学位论文 和周围小峰值点之间的差异，从而进一步提高数字散斑相关方法的鲁棒性。 d c s m 与其它的光学测量技术相比，其优点主要体现在全场、非接触测量； 光路相对简单等。此技术已经应用到许多领域：固体力学、流体力学、生物力学、 木材力学、微尺度力学实验、断裂力学、高温环境下的变形测量、电子封装、无 损检测、工程应用、以及现场实时测量等。此外，随着高速动态照相机的的技术 发展，d c s m 也从静态准静态测量向动态准动态测量方面发展，并且数字散斑相 关技术也已经应用于三维变形场测量“蜘。 随着现代科学的快速发展以及高分辨率光学图像系统以及高速图像采集系 统等硬件设备的发展，都将为数字散斑相关技术的发展提供了充分条件，这也将 不断扩大此技术的应用领域。 从上面的介绍中，可以知道电子散斑干涉技术和数字相关技术都可应用于物 体的变形测量。两者各自有自己的优势和不足之处，在变形测量中，数字相关技 术测量变形的装置比较简单，系统装置简单，调整方便，但是在进行散斑图像计 算时，由于采用相关算法，需要进行迭代计算，运算时间相对较长。由于计算速 度的限制，会影响到系统的实时测量。 电子散斑干涉技术测量变形的系统光路布局相对庞大，系统调整麻烦，但在 散斑图像数据处理程序中，求解线性方程组，计算简单、快速。由于计算速度比 较快，在实时测量中有很大优势。 综合系统装置和数据处理速度两方面，以及国内产品的空白，本论文主要研 究此技术在三维变形测量中的应用系统，对国内产品的开发奠定了基础，并为实 时测量分析三维变形提供了参考，对工业要求实时获取材料盼交形特性具有一定 帮助。 1 4 论文的主要研究内容 本论文是以本人攻读硕士学位期间所承担的课题用于物体表面变形测 量的三维电子散斑干涉系统的设计为基础，在第一章中阐述了该课题研究的来 源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二章阐述了e s p i 系统的基础知识以 及已有的用于变形测量的e s p i 系统。第三章介绍e s p i 测量物体表面面内、离面、 6 上海大学硕士学位论文 三维变形的几何原理技术以及典型的e s p i 系统；讲述测量物体表面三维变形的 e s p i 系统的三个设计方案。第四章针对实验系统的建立进行实施方案分析，讲 述系统中所需器件的选择以及实验系统的调整、相关参数的标定。第五章，利用 系统进行缺陷检测和三维变形检测，给出实验数据；分析实验注意事项以及实验 过程中可能影响实验结果的因素。第六章，总结全文并提出需要改进的工作。 7 上海大学硕士学位论文 2 1 散斑的形成 第二章e s p i 系统 光波照射在物体的粗糙表面上产生散射，这些散射光在空间相互干涉形成随 机分布的亮斑和暗斑，这就是散斑。散斑分为直接散斑和成像( 主观) 散斑。直 接散斑是由粗糙表面散射光干涉直接形成的散斑。成像散斑是经过光学系统在粗 燥表面的像平面上形成的散斑。我们研究的主要是成像散斑，它的形成示意图如 图2 1 所示。 物体粗 图2 1 威像散斑的形成 观察屏 或c c d 散斑的大小用平均直径表示。图2 1 中，成像平面上p 点的散斑直径c r o 决 定于光组出射光瞳对p 点的孔径角u ，即 ( c r o ) z 等$ 1 n = 等 浯， “且 式中，n a 是光组的数值孔径，且是激光波长。 上式说明孔径角较小时，散斑较大，反之亦然。 散斑除有横向大小外，亦有纵向大小，其平均值为： f 仉，) - 旦：黑 ( 2 2 ) h 7 - 一s i n 2 u2 丽 “吃 所以，孔径角减小时，散斑的纵向长度较横向增大的更多。， 散斑携带了光束和光束所通过的物体的许多信息，利用散斑的特性，已经发 展了多种散斑检测技术，如散斑照相技术、电子散斑干涉技术、数字散斑相关 上海大学硕圭学位论文 技术和时间序列散斑技术等，使散斑计量范围涵盖了结构与材料在不同物质形态 ( 固体、流体和气体) 和运动状态( 动态，静态) 条件下的测量与分析。 2 2 电子散斑干涉技术 处于散斑技术发展初期的散斑照相技术通常利用银盐干板做记录介质，这样 导致其费时、费力、操作过程复杂；而且在后期处理干涉条纹图像时极其费时。 为了适应高速发展的工业对计量快速和自动的要求，必须解决记录方法和干涉 条纹图自动处理等问题。 电子散斑干涉技术( e 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 y ，e s p i ) 就是在这种情况下产生的。它又称为数字散斑干涉技术( d i g i t a ls p e c k l e p a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ，d s p i ) 或者t v - - h o l o g r a p h y ，目前统称为e s p i ，它 是一种对粗糙表面的物体进行无损全场计量的光学测量技术，它基于散斑技术集 合了激光技术、全息技术、视频技术、电子技术、信息与计算机图像处理技术等 现代技术，是一种非常有效的现代光学测量技术。 早期的e s p i 是利用监视器直接显示实时相关条纹，其强度相关是由视频信号 的相减或相加来实现“5 1 。现阶段的电子散斑干涉计量技术一般都用c c d 摄像头直 接将散斑图像记录在计算机内，并用计算机进行后期的图像处理，获取所需信息。 这样不仅可以直接将图像快速处理、实时观察，而且为工业中的现场应用铺垫了 基础。 由于电子散斑干涉技术是多项高端技术的结合体，因此它具有如下特点： ( 1 ) 在散斑图像采集系统中，采用c c d 或r v 摄像杌、图像采集卡和计算机结合， 可以通过电子或数字技术实时处理图像信息，方便、高效、准确。 ( 2 ) 采用相减模式处理散斑干涉图像，可消除一般高频噪声的影响。 ( 3 ) 非接触、具有波长量级的灵敏度、易于自动控制、全场分析测量等。 “) e s p i 最大特点是它将双光束干涉技术、数字化记录设备和计算机图像处理系 统相结合，实现了粗糙表面位移、变形和形貌等的全场、实时、无损检测。 由于上述这些特点，这项技术已经被广泛地应用于变形、振动、应力应 变“7 1 测量、无损检测以及医学诊断等方面。我们在本论文中主要研究e s p i 应用于 9 上海大学硕士学位论文 物体变形测量的原理及方法。 2 2 1 电子散斑干涉技术原理 e s p i 系统是由双光束干涉系统为基本框架构成，系统的一个重要特点是被 照射物体经透镜成像后的像平面要在接收靶面上。当一束激光直接照射在粗糙物 体的表面后，反射经透镜成像的像平面坐落在c c d 摄像机的接收靶面上，这束光 波称为物光波，其复振幅为： u o ( ，) = u 0 ( r ) c x p c o ( r ) ( 2 - 3 ) 式中，( ，) 是物光波振幅，九( ，) 是物光波相位。 另一束与物光波对应的相干参考光经系统分光获得，其复振幅为： u r p ) = ( r ) e x p 欢( ，) ( 2 - 4 ) 式中，群。( ，) 是参考光波振幅，靠( r ) 是参考光波相位。 物光波和参考光波在e s p i 系统中经光束传导，在接收靶面上相合成之后的光强 为： j ( r ) = 材：+ ：f ；+ 2 u o 豁r c o s ( 丸一r ) ( 2 5 ) 当物体表面发生变形后，表面各点的散斑场物光波振幅( ，) 基本不变，而相位 九( ，) 将变为丸( ，) 一九( ，) ，即 “( r ) = 0 ( r ) e x p 哦( ，) 一九( ，) 】 ( 2 6 ) 同时，参考光波振幅( r ) 基本不变，相位变为靠p ) 一靠( r ) ，即 啡( ，) = ( r ) e x p o r ( r ) - a 九( r ) 】 则变形之后合成的光强为 j ( r ) = 群；+ 材；+ 2 ”o 甜詹c o s ( a 一磊) 一( 靠一九) 】 = “；+ ；+ 2 u o 矗c o s ( 4 0 一九) + ( 靠一九) 】 将变形前后所采集的散斑图像相减并取平方后得到 1 0 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 上海大学硕士学位论文 i = 1 i ( ，) 一，( ，) 1 2 = 1 4 u o u rs i n 航圳+ 掣m 掣1 2 q 啕 从( 2 - 9 ) 式可以看到，相减处理后的光强是包含有高频载波项 ( 九一九) + 坠生垒盟的低频条纹s i n ! 垒竺垒丛。该低频条纹取决于物体变形引 起的光波相位变化。这个相位变化与物体变形关系我们将在下面进行分类解析。 2 2 2e s p i 测量物体变形技术 根据e s p i 系统对变形检测方向的灵敏度，可以分为面内( i n - p i a n e ) 变形 ( 垂直与观察方向) 检测、离面( o u t p l a n e ) 变形( 平行与观察方向) 检测和 三维( 离面一面内) 变形的检测系统。在这三种检测系统中，变形与所引起的相 位改变各不相同，下面将一一进行分析。 2 2 2 1 面内变形e s p i 检测技术 如图2 2 所示的e s p i 面内变形检测系统，由两束物光对称照射物体表面， 它们互为参考光，由成像系统收集物体表面漫射光场而在接收器靶面干涉。 i n - p l a n es e t u p 图2 2 面内变形检测的e s p i 系统示意图 该布局的特点是e s p i 系统只对面内x 方向变形敏感。 上海大学硕士学位论文 对于在x z 面内，设物体有z 轴方向的离面变形，如图2 3 所示。 z 图2 3 对z 轴变形的抑制几何原理 光束1 和光束2 因为关于z 轴对称照射，当在z 轴方向有变形也时，光束 l 、2 的照射方向变为i 和2 ，但由于1 和2 也对称，1 一i 与2 - - 2 弓i 起 的光程差相等，则1 和2 的光程差与i 和2 的光程差相等，则在散斑图像中 不能反映z 轴方向的变形，因此起到了抑制作用。 对于在y - z 面内，设物体有y 轴方向的变形d ，时，则光束1 和光束2 都沿y 轴移动相同的距离d ，光程差仍然相等，在散斑图像中不能反映y 轴方向的变形， 故也不灵敏。 物体面内的变形与相位关系几何原理如下： 对于在x z 面内，设有沿x 轴方向的面内变形，如图2 4 所示。 u z 图2 4x 轴方向变形与位相关系几何原理图 在x 轴方向发生变形“时，光束1 的照射方向变为l ，由此引起的光程差与 位相吼的关系为： 1 2 上海大学硕士学位论文 伊。；孕us i n 8 ( 2 1 0 ) 式中，口为入射光方向与物体表面法线间的夹角，为沿x 轴方向的变形量。 同理，若将光束分布在y - z 面内，沿y 轴方向变形与位相仇关系为： 卿：孥v s i n 口 ( 2 1 1 ) 式中，口为入射光方向与物体表面法线间的夹角，v 为沿y 轴方向的变形量。 从上述分析可以看出，离面变形引起的相位变化被抵消。面内位移“可以通 过在x z 平面上的两束入射光来测量，两光束对称，则与光束1 对称的令一束光 束因“引起的光程差为- u s i n 8 ，则系统在x 轴的变形与位相纷关系为： 妒j ：孥“s i n 8 ( 2 1 2 ) 同样，面内位移v 可以通过在y - z 平面上的两柬入射光来测量，系统在y 轴的变 形与位相仰关系为： 卿：孥v s i n 口 ( 2 1 3 ) 面内x 轴和y 轴方向上的位移灵敏度可以通过改变入射角的大小来改变。 2 2 2 2 离面变形e s p i 检铡技术 离面变形测量的几何原理也是三维变形测量几何原理的基础。 图2 5 为离面变形检测的e s p i 系统的示意图。 o u t - p l a n e 图2 5 离面变形检测的e s p i 系统示意图 上海大学硕士学位论文 该布局的特点是e s p i 系统不仅对离面方向的变形具有灵敏度，而且对面内 变形的其中一个方向( 根据系统实际光路布局而定) 也具有灵敏性。 物体离面的变形与相位关系几何原理图下： 在x z 面内，设有沿z 轴方向的变形，如图2 6 所示。 x z 图2 6z 轴方向的变形与位相关系几何原理图 当在z 轴方向有变形w 时，光束1 的照射方向变为l ，由此引起的光程差与位 相纵z 的关系为： 。 纵z ：兰；1 ，( 1 + c o s 历 ( 2 1 4 ) 式中，口为入射光方向与物体表面法线间的夹角，w 为沿z 轴方向的变形量。 对一个典型的离面变形灵敏系统来说，入射方向和观测方向平行于光轴，由 离面变形引起的位相仡变化为： p z = 了4 f f w( 2 1 5 ) 2 2 2 3 三维变形e s p i 检测技术 由于三维变形e s p i 检测系统没有固定的模式，在此先只分析变形与位相之间 的几何关系，实际系统在下面章节进行阐述。 3 d e s p i 测量变形的几何原理如下： 1 4 上海大学硕士学位论文 z 图2 7 三维e s p i 测量变形的几何原理 图2 7 是三维e s p i 狈9 量变形的几何原理图，在x - z 面内，变形前光照于0 点， 变形之后光照于p 点。将变形分解为沿x 轴和z 轴方向的变形。假设么a o z = 口， 根据面内和离面中变形与位相关系的分析，可以得到上图的变形与位相纯：关 系为： 巩2 ：三；【w ( 1 f c o s 护) + 甜s i l l 占】 ( 2 1 6 ) 式中，五是所用激光的波长；口是入射光与物体表面法线的夹角；纷：是x z 面内变形引起的相干光束位相改变量；w 是物体变形的离面位移：”是物体变形 的面内水平方向位移。 ， 同理，在y z 面内，得到的变形与位相竹：关系： 擘，r z = 兰； w ( 1 + c o s 口) + v s i n 口】 ( 2 1 7 ) 式中，五是所用激光的波长；口是入射光与物体表面法线的夹角：竹：是y z 面内交形引起的相干光束位相改交量；w 是物体变形的离面位移；v 是物体变形 的面内竖直方向位移。 式( 2 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 与式( 2 - 1 6 ) 构成三维方程组，即 f 纷1 例5 争砌蕃4；r2，sme口一2g1+cos卜 五 i 广，1 0l。、 百8 m 口 忆1 w z了刃r 根据方程组( 2 - 1 8 ) ，便可求得三个方向的变形。 上海大学硕士学位论文 2 2 3 测量物体变形的e s p i 系统 目前已有的e s p i 系统中，同样主要有两种基本的检测模式，即离面检测e s p i 和面内检测e s p i ，三维变形检测e s p i 系统在此基础上也已经建立。 2 2 3 1 面内变形检测e s p i 系统 传统面内变形检测e s p i 系统光路设置为一束激光束被分光镜分成两束1 ， 这两束照射光束通过反射镜反射并被扩束光学元件扩束后，各自与物体表面法线 呈一定的角度倾斜照射到物体表面，反射光束在c c d 摄像机靶面上形成散斑图 像，变形前后的散斑图像经采集并处理后，就能测得出沿两束激光所在的平面与 物体表面的交线方向上的变形。根据这一基本框架，在实际实验和应用系统中， 从系统全部由光学元器件组成到光纤的采用，有不同的e s p i 系统结构。 图2 8 所示的e s p i 系统中，通过分光镜分光，反光镜传光，光束经扩束后照 射物体表面，测量面内变形。这是传统测量变形的e s p i 系统的典型装置。缺点是 此装置只能测量沿面内单方向的变形。 图2 8 面内单方向变形测量e s p i 系统“” 图2 9 所示的e s p i 系统利用三个分光镜多次分光后，将一束激光分为面内水 平和竖直方向上的两对相干光束。这样可以测量面内两个方向的变形，但仍沿用 传统光学元件，光路结构复杂，调整难度大。 1 6 上海大学硕士学位论文 图2 9 面内双方向变形测量e s p i 系统咖1 图2 1 0 所示的e s p i 系统采用光纤代替传统分光镜和反射镜进行分光、传光， 大大简化了光路布置，提高了系统的稳定性。 图2 1 0 面内变形检测的光纤e s p i 系统。” 2 2 3 2 离面变形检测e s p i 系统 离面变形检测e s p i 系统的一个重要特点就是只有一束激光照射物体，另一 束激光通过分光镜直接反射进入c c d 摄像机接收靶面，并在此与物体的反射光 合成形成散斑，物体变形前后的散斑图像经处理后，包含有面内一个方向和离面 方向的变形。要想获得离面的变形，必须首先获得与其组合的面内方向的变形嘲。 由于离面变形检测e s p i 系统对离面变形灵敏的关系，除了应用于变形检测外， 1 7 上海大学硕士学位论文 也应用于工业中的缺陷检测。 图2 1 1 所示的为典型的离面变形检测e s p i 装置，通过分光镜分光获取两束 相干光束，并在参考光中利用p z t 相移器引入楣移，提高了测量精度。缺点是 采用了光学元器件，调整繁琐。 图2 1 l 离面变形检测的光纤e s p i 系统刚 图2 1 2 所示的e s p i 系统采用光纤代替光学元器件进行传光，并利用 m u l t i m o d ei m a g eb u n d l e s ( m m b s ) 将照射在物体上的反射光传输进c c d 摄像机。 此系统采用光纤传光，克服了物体与c c d 摄像机之间受距离和位置关系的限制， 但没有利用光纤分光，因此系统仍然有许多器件，调整比较繁琐。 图2 1 2 离面变形检测的光纤e s p i 系统酬 上海丈学硕士学位论文 2 2 3 3 三维变形检测e s p i 系统 为了完成三维变形的检测，包含有三束照射光束。”或者三个传感器嘞1 的 e s p i 系统是非常有用的。 图2 1 3 所示的三维变形检测e s p i 系统通过开关控制，