物理实验竞赛

1、LOGO指导教师：王连明指导教师：王连明 王春亮王春亮测量物体微小形变测量物体微小形变 小组成员：梁荣森小组成员：梁荣森 范范 凯凯 姜姜子博子博 编辑编辑ppt实验设想的主要内容实验设想的主要内容u测量微小扭转角得微小形变测量微小扭转角得微小形变 背景背景 滚转角测量在军事、国防领域的各种精密测控系统中具有滚转角测量在军事、国防领域的各种精密测控系统中具有广泛的需求。广泛的需求。例如例如船体的扭曲形变角度会对船载武器系统船体的扭曲形变角度会对船载武器系统的精度产生影响，通过测量船体的扭曲形变角度对武器系的精度产生影响，通过测量船体的扭曲形变角度对武器系统进行补偿，从而提高武器系统的精度。统进

2、行补偿，从而提高武器系统的精度。 设想设想 测量方法已很多测量方法已很多, 光学测角方法由于具有非接触光学测角方法由于具有非接触 、高准确、高准确度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视, 尤其是稳定的激光尤其是稳定的激光光学测角法光学测角法, 其它新的光学测角方法也都很有应用意义。其它新的光学测角方法也都很有应用意义。我我们的设想是由老师指导、基于莫尔条纹的扭转角测量。们的设想是由老师指导、基于莫尔条纹的扭转角测量。利利用朗奇光栅产生莫尔条纹进而测量微小转角是李向荣发明用朗奇光栅产生莫尔条纹进而测量微小转角是李向荣发明。编辑编辑ppt实验设想的主要内容实验设想的主

3、要内容设想原理设想原理 其主要原理是 利用Ronchi光栅形成的泰伯像与第2块Ronchi光栅形成莫尔条纹,两个光栅的夹角即为滚转角， 泰伯.莫尔条纹的宽度和倾角会随滚转角的变化而变化，通过对泰伯-莫尔条纹宽度和倾角的计算可获得光栅副滚转角的大小.基于以上方法,建立了一种滚转角测量系统，并对条纹图像进行处理与分析。对于图像处理，我们引用了Matlab计算机视觉库进行图像数据的测量与提取，进而得出相应微小转角所对应的莫尔条纹变化。 编辑编辑ppt实验仪器及原理介绍实验仪器及原理介绍实验设备图实验设备图编辑编辑ppt实验仪器及原理介绍实验仪器及原理介绍u 实实验验设设备备简简图图实实验验光光路路示

4、示OpenCV意意图图1 1为氦氖激光发射器（提供光源）为氦氖激光发射器（提供光源）2 2为两朗奇光栅（经过平行光照射后为两朗奇光栅（经过平行光照射后自成像形成莫尔条纹）自成像形成莫尔条纹）3 3为凸透镜为凸透镜4 4为为CCDCCD（将莫尔条纹图像获取，便于（将莫尔条纹图像获取，便于通过计算机处理、测量。）通过计算机处理、测量。）5 5为数显器（测量实际相对扭转角度，为数显器（测量实际相对扭转角度，精确度为精确度为1 1分分3030秒）秒）实验简图实验简图12345编辑编辑ppt实验仪器及原理介绍实验仪器及原理介绍莫尔条纹莫尔条纹 莫尔条纹的科学含莫尔条纹的科学含义是指两个周期性结义是指两个

5、周期性结构图案重叠时所产生构图案重叠时所产生的差频或拍频图案，的差频或拍频图案，例如两个周期相同的例如两个周期相同的光栅以微小角度相互光栅以微小角度相互倾斜重叠后所产生的倾斜重叠后所产生的莫尔条纹莫尔条纹编辑编辑ppt7 莫尔条纹的基本性质莫尔条纹的基本性质1、放大性、放大性2sin( )2902ddw栅距放大了栅距放大了1/1/倍倍 微小位移变化放大微小位移变化放大 提高了测量的灵敏度提高了测量的灵敏度 2、同步性、同步性光栅移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个条纹宽度光栅移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个条纹宽度w w 3、准确性、准确性当光栅有局部误差时，由于平均效应，使光栅缺陷或局当光栅有局

6、部误差时，由于平均效应，使光栅缺陷或局部误差对测量精度的影响大大减少。部误差对测量精度的影响大大减少。 编辑编辑ppt莫尔条纹测量转角原理莫尔条纹测量转角原理对相同光栅常数，转换不同角度，即微小偏向角不同对相同光栅常数，转换不同角度，即微小偏向角不同时，得到的莫尔条纹。角度越大，条纹越窄时，得到的莫尔条纹。角度越大，条纹越窄。莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度w及其对及其对y轴的夹角轴的夹角 ： = (p/2) Ps：p为光栅周期为光栅周期实验仪器及原理介绍实验仪器及原理介绍编辑编辑ppt实验步骤实验步骤 1.搭建并调整光路使得第一片朗奇光栅的泰伯像与第二片朗搭建并调整光路使得第一片朗奇光栅的泰伯像

7、与第二片朗奇光栅重合干涉形成莫尔条纹。奇光栅重合干涉形成莫尔条纹。 2.用用CCD将所得的莫尔条纹图像录入计算机内。将所得的莫尔条纹图像录入计算机内。 3.通过通过Matlab编写的程序进行图像处理。编写的程序进行图像处理。 4.将所得的实验数据与转台扭转角进行对比。将所得的实验数据与转台扭转角进行对比。编辑编辑ppt实验莫尔条纹图像处理实验莫尔条纹图像处理图像处理具体步骤一、一、CCDCCD获取莫尔条纹图像获取莫尔条纹图像二、图像信息预处理二、图像信息预处理灰度化、中值滤波处理（可以有效地消除椒盐噪声和干扰脉冲， 同时保留图像轮廓和边缘等信息）三、阈值分割三、阈值分割直方图均衡化（图像增强，

8、亮度增加）四、骨架提取四、骨架提取二值化细化五、通过程序测出条纹中心间距五、通过程序测出条纹中心间距取点（进行最小二乘法直线拟合求出间距）（最后用公式求解） 编辑编辑ppt一、一、CCDCCD获取莫尔条纹图像获取莫尔条纹图像 泰伯泰伯-莫尔条纹通过光学系统成像到莫尔条纹通过光学系统成像到CCD相面相面 上上,然后然后转换成数字信号输入并存储到计算机中，通过转换成数字信号输入并存储到计算机中，通过 对泰伯对泰伯-莫尔莫尔条纹图像的形貌进行提取、分析和计算，条纹图像的形貌进行提取、分析和计算， 可得到待测滚转可得到待测滚转角角.本文采用本文采用MATLAB软件对泰伯软件对泰伯- 莫尔条纹的原始图像

9、信莫尔条纹的原始图像信息进行处理息进行处理。二、图像信息预处理二、图像信息预处理 对图像信息进行对图像信息进行灰度化、中值滤波灰度化、中值滤波处理，可以有效地处理，可以有效地消除椒盐噪声和干扰脉冲，消除椒盐噪声和干扰脉冲， 同时保留图像轮廓和边缘等信同时保留图像轮廓和边缘等信息息实验莫尔条纹图像处理实验莫尔条纹图像处理编辑编辑ppt三、阈值分割三、阈值分割 为了辨识和分析泰伯为了辨识和分析泰伯-莫尔条纹莫尔条纹,需要将条纹和背景区需要将条纹和背景区域分离域分离.我们我们采用以目标和背景的类间方差最大为准则选取采用以目标和背景的类间方差最大为准则选取阈值的类间方差法（阈值的类间方差法（Otus）

10、进行阈值分割，可增强条纹和）进行阈值分割，可增强条纹和背景区域的对比度背景区域的对比度 .该方法对泰伯该方法对泰伯- 莫尔条纹的处理获得较莫尔条纹的处理获得较好的效果好的效果,运算量适中，并且阈值的选取不会对条纹中心的运算量适中，并且阈值的选取不会对条纹中心的定位有影响定位有影响。 PS:其间，需要对图像在做一次中值滤波，以确保黑白条其间，需要对图像在做一次中值滤波，以确保黑白条纹相当平滑。纹相当平滑。实验莫尔条纹图像处理实验莫尔条纹图像处理编辑编辑ppt四四、骨骨架架提提取取u 为为了了获获得得条条纹纹的的中中心心线线需需对对该该条条纹纹图图像像进进行行骨骨架架提提取取, ,骨骨架架提提取取不不改改变变图图像像的的本本质质结结构构. .提提取取骨骨架架过过程程是是不不断断地地去去掉掉条条纹纹中中不不影影响响条条纹纹连连通通性性的的像像素素, ,最最终终能能够够得得到到骨骨架架的的中中心心. .运运用用到到二二值值化化，细细化化实验莫尔条纹图像处理实验莫尔条纹图像处理编辑编辑pptu五、通过程序测出条纹中心间距五、通过程序测出条纹中心间距 取点（进行最小二乘