散斑相關和散斑干涉相結合的三維變形測量系統(tǒng)技術方案

本實用新型專利技術涉及一種散斑相關和散斑干涉相結合的三維變形測量系統(tǒng)，它包括激光器，激光器發(fā)出的激光擴束后經(jīng)過半透半反鏡，分別照到被測物體和參考物面，兩者同時經(jīng)過半透半反鏡由成像透鏡成像在CCD攝像機上，半透半反鏡相對于入射光線成45°角傾斜放置，有參考光路時，在CCD攝像機的靶面上物面散斑和參考面散斑相互干涉，形成干涉散斑圖像，測量離面位移分量，去掉參考物光路，采集物面上的散斑圖像，利用變形前后的兩幅散斑圖，運用散斑相關運算計算出面內(nèi)位移的二個分量。它利用典型的對離面位移敏感的數(shù)字散斑光路，實現(xiàn)了散斑相關測量物體的面內(nèi)位移和散斑干涉離面位移，實現(xiàn)了三維位移測量，具有光路簡單、操作和數(shù)據(jù)處理簡單快捷的優(yōu)點。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

散斑相關和散斑干涉相結合的三維變形測量系統(tǒng)
本技術涉及一種三維變形測量系統(tǒng)，尤其涉及一種散斑相關和散斑干涉相結合的三維變形測量系統(tǒng)。
技術介紹
由I Yamaguchi、W. H. Peters和W. F. Ranson等人提出的數(shù)字散斑圖像相關方法 (Digital Speckle Correlation Method, DSCM)在材料力學、斷裂力學、生物力學、現(xiàn)場實時測量、微尺度變形場測量、電子封裝以及動態(tài)位移及變形測試等眾多應用領域都展示了其適用性和優(yōu)越性。數(shù)字散斑圖像相關技術通過記錄物體變形前后的圖像并運用一定的圖像相關搜索算法得出物體的位移和變形，具有原理簡單、光路簡單、非接觸、對測量環(huán)境要求低等優(yōu)點。近年來，一些現(xiàn)代的數(shù)學理論和數(shù)學方法逐漸被引入到該方法中，其測量精度逐步的提高，例如運用亞像素搜索算法可獲得亞像素位移。亞像素算法有很多種，主要有相關系數(shù)擬合法、Newton. Raphson(N-R)迭代法、基于梯度的方法等。與其他方法相比，梯度法具有抗噪能力較高、計算量小、精度較高等優(yōu)點，在位移小時比較穩(wěn)定。目前，DSCM應用的領域正逐漸從常規(guī)材料的測試向一些新型材料測試、從宏觀場逐漸向細微觀尺度、從常規(guī)環(huán)境向比較惡劣的環(huán)境、從實驗室測試逐步向工程現(xiàn)場應用、從靜態(tài)準靜態(tài)向動態(tài)準動態(tài)等方面發(fā)展。由于方法本身所具有的局限，單光束照明的散斑相關方法只能測量面內(nèi)位移。科研人員正通過將DSCM與其他測量技術結合或通過三維散斑相關的方法測量三維位移。將 DSCM與立體攝影技術或雙目測量技術相結合，可以測量三維位移場。例如清華大學姚學鋒教授提出的立體攝影術與數(shù)字散斑相關方法相結合用于研究三維變形場；謝惠民教授提出的雙目三維數(shù)字散斑相關測量三維變形和三維面形技術。將DSCM與針孔攝像技術相結合， 東南大學何小元教授提出了數(shù)字圖像相關與針孔攝像機成像模型相結合測量三維物體位移方法。通過三維散斑相關的方法，中國科大伍小平院士、胡小方教授等利用模擬實驗獲得了物體內(nèi)部三維位移場。利用電子散斑干涉(ESPI)方法可以測量物體的三維位移，具有非接觸，全場測量， 精度高的優(yōu)點。電子散斑干涉技術是基于參考光和物光在CCD靶面上產(chǎn)生散斑干涉進行測量的。因此，三維散斑干涉往往光路比較復雜。復雜的光路增加了測量系統(tǒng)不穩(wěn)定性，降低了測量精度。將DSCM與散斑干涉相結合，也可以測量三維位移場。張青川教授采用二套光路， 對試件正面采用散斑相關測量，對試件的反面采用散斑干涉測量，實現(xiàn)了三維位移場測量。 該方法是對試件的不同表面測量，不是同一個表面的三維變形。周燦林教授等把散斑相關和電子散斑干涉結合起來測量變形，采用的是典型的散斑相關光路，首先對散斑干涉四步相移所采集的散斑干涉圖像進行處理，然后對處理過的圖像進行散斑相關計算，從而獲得三維變形場。所用的原理則很復雜，圖像處理過程也很復雜，利用散斑相關計算面內(nèi)位移時不是直接得到所需的散斑圖，而是由變形前后采集的相移圖像經(jīng)過處理得到，實際操作中很難獲得三維變形場的數(shù)值。
技術實現(xiàn)思路
本技術的目的就是為了解決上述問題，提供一種散斑相關和散斑干涉相結合的三維變形測量系統(tǒng)，它利用典型的對離面位移敏感的邁克爾遜散斑光路，通過控制光路中的參考光，實現(xiàn)散斑相關測量物體的面內(nèi)位移和散斑干涉測量離面位移，實現(xiàn)了三維位移測量，該系統(tǒng)具有光路簡單、操作和數(shù)據(jù)處理簡單快捷的優(yōu)點。為了實現(xiàn)上述目的，本技術采用如下技術方案一種散斑相關和散斑干涉相結合的三維變形測量系統(tǒng)，它包括激光器，激光器發(fā)出的激光送入擴束鏡；擴束鏡后方設有與入射光線成45°角傾斜放置的半透半反鏡，半透半反鏡的反射光照射到被測物，透射光則照射到參考物面，參考物面與PZT相移器連接構成參考相移光路；被測物的散斑圖像經(jīng)過半透半反鏡由成像透鏡成像在CCD攝像機上，利用被測物變形前后的兩幅散斑圖，計算出面內(nèi)位移的二個分量；在參考光路工作時被測物表面的散斑圖像與參考物面的散斑圖像形成干涉散斑圖像，并由成像透鏡成像在CCD攝像機上,測量物體離面位移分量。一種采用散斑相關和散斑干涉相結合的三維變形測量系統(tǒng)的測量方法，它通過控制參考光路，將數(shù)字散斑相關和散斑干涉結合起來測量物體的三維變形；具體過程為首先在無參考光路的參考激光時采集一幅被測物變形前的散斑圖；然后加入?yún)⒖脊饴返膮⒖技す鈱崿F(xiàn)散斑干涉；加載使被測物變形，結合相移技術測量被測物離面位移；最后去掉參考激光再采集一幅被測物變形后的散斑圖；對被測物變形前后散斑圖進行散斑相關運算， 得到二維面內(nèi)位移分量，從而實現(xiàn)三維變形測量。本技術的具體步驟是步驟一參考物面的反射光構成參考光；在無參考光時，利用CCD采集被測物變形前的散斑圖；步驟二 加入?yún)⒖脊饴返膮⒖脊猓瑢崿F(xiàn)數(shù)字散斑干涉；步驟三加載使被測物變形，結合四步相移技術測量被測物離面位移w場；步驟四去掉參考光；利用CCD采集被測物變形后的散斑圖；步驟五結合步驟一的被測物變形前的散斑圖和步驟四的被測物變形后的散斑圖，對被測物變形前后散斑圖進行散斑相關運算，得到二維面內(nèi)位移分量U、V場。所述步驟三中離面位移為垂直于物體表面方向的位移w場，具體測量過程為根據(jù)光波相位變化與物體變形之間的關系權利要求1.一種散斑相關和散斑干涉相結合的三維變形測量系統(tǒng)，其特征是，它包括激光器，激光器發(fā)出的激光送入擴束鏡；擴束鏡后方設有與入射光線成45°角傾斜放置的半透半反鏡，半透半反鏡的反射光照射到被測物，透射光則照射到參考物面，參考物面與PZT相移器連接構成參考光路；被測物的散斑圖像經(jīng)過半透半反鏡由成像透鏡成像在CXD攝像機上， 利用被測物變形前后的兩幅散斑圖，計算出面內(nèi)位移的二個分量；在參考光路工作時被測物表面的散斑圖像與參考物面的散斑圖像形成干涉散斑圖像，并由成像透鏡成像在CCD攝像機上,測量物體離面位移分量。專利摘要本技術涉及一種散斑相關和散斑干涉相結合的三維變形測量系統(tǒng)，它包括激光器，激光器發(fā)出的激光擴束后經(jīng)過半透半反鏡，分別照到被測物體和參考物面，兩者同時經(jīng)過半透半反鏡由成像透鏡成像在CCD攝像機上，半透半反鏡相對于入射光線成45°角傾斜放置，有參考光路時，在CCD攝像機的靶面上物面散斑和參考面散斑相互干涉，形成干涉散斑圖像，測量離面位移分量，去掉參考物光路，采集物面上的散斑圖像，利用變形前后的兩幅散斑圖，運用散斑相關運算計算出面內(nèi)位移的二個分量。它利用典型的對離面位移敏感的數(shù)字散斑光路，實現(xiàn)了散斑相關測量物體的面內(nèi)位移和散斑干涉離面位移，實現(xiàn)了三維位移測量，具有光路簡單、操作和數(shù)據(jù)處理簡單快捷的優(yōu)點。文檔編號G01B11/16GK202748011SQ201220372299公開日2013年2月20日 申請日期2012年7月30日 優(yōu)先權日2012年7月30日專利技術者孫平, 孫明勇 申請人:山東師范大學本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種散斑相關和散斑干涉相結合的三維變形測量系統(tǒng)，其特征是，它包括激光器，激光器發(fā)出的激光送入擴束鏡；擴束鏡后方設有與入射光線成45°角傾斜放置的半透半反鏡，半透半反鏡的反射光照射到被測物，透射光則照射到參考物面，參考物面與PZT相移器連接構成參考光路；被測物的散斑圖像經(jīng)過半透半反鏡由成像透鏡成像在CCD攝像機上，利用被測物變形前后的兩幅散斑圖，計算出面內(nèi)位移的二個分量；在參考光路工作時被測物表面的散斑圖像與參考物面的散斑圖像形成干涉散斑圖像，并由成像透鏡成像在CCD攝像機上，測量物體離面位移分量。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：孫平，孫明勇，
申請(專利權)人：山東師范大學，
類型：實用新型
國別省市：