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《利用激光偏振特性的电子散斑面内全场位移测量技术的研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第26卷第2期中国激光Vol.A26,No.21999年2月CHINESEJOURNALOFLASERSFebruary,1999利用激光偏振特性的电子散斑面内全场位移测量技术的研究范华宋元鹤谭玉山(西安交通大学机械学院激光红外应用研究所西安710049)提要提出一种能够同时测量面内全场位移的电子散斑测量光路结构,解决了面内全场位移在瞬态和不可重复情况下无法测量的问题。将激光束分成四路照明光,分别安排在水平和垂直平面内,利用激光器的偏振特性安排光路,使水平平面内两束光的偏振方向相同,垂直平面内两束光的偏振方向相同,但
2、这两个平面中的偏振方向又互相垂直。对转动圆盘内位移测量,取得了满意的结果,用一幅散斑图同时得到了表示水平和垂直分量的散斑条纹。关键词面内位移,电子散斑,偏振1引言[1][2][3][4]电子散斑(ESPI)测量技术在微变形测量、无损检测、应力应变分析以及振动测量等领域已得到广泛的应用。根据光路结构不同可分为对离面位移敏感和对面内位移敏感的电子散斑技术。用电子散斑进行三维变形测量就是分别测出离面和面内三个敏感矢量方向的位移然后把它们合成得到。实际上很大一部分是纯面内位移的测量问题,Lenderz首先用两束相[5]干光照
3、明被测物体表面,得到表示物体变形的散斑图,这种方法只能得到物体位移在敏感矢量方向的分量,全场面内位移情况是得不到的,可以用两套这样的光路系统互相垂直布置,顺序记录水平和垂直两个方向的变形量,然后把它们合成而得到全场位移情况,这在静态和可重复情况下是可行的,但在瞬态和不可重复的情况下却不适用,因为在这种情况下需要同时测出[6]两个敏感矢量方向的分量,这一问题引起了人们的关注;A.J.Moore和J.R.Tyrer提出用对称的两偏振方向正交的相干光照明被测物体表面,通过偏振立方棱镜将两组偏振状态互相垂直的散斑场分开到两个
4、摄像机,同时对两个摄像机的图像进行处理得到两组分别表示水平和垂直分量的条纹图,这种方法能有效地进行全场同时测量,但是成本高,光路复杂,尤其是两个摄像机对物体成像位置要严格一致,这给光路调整带来很大困难。本文提出一种能同时测量面内全场位移的测量系统,该系统用分光镜将激光器发出的相干光分成强度相等的四束,把这四束光分成两组,每组中的两束光偏振状态相同,组与组之间偏振状态互相垂直,用一套摄像机及图像处理系统对物体表面散斑场同时记录和处理,获得物体表面两个位移的条纹图,从而得到面内位移的两个分量。收稿日期∶1997-08-1
5、8;收到修改稿日期∶1997-10-23128中国激光26卷2全场面内位移测量原理图1为全场面内位移测量电子散斑光路结构原理示意图,位于xoz平面内的相干光IA和IB具有相同的偏振状态,以与x轴夹角入射到被测表面,相干光IC和ID具有相同的偏振状态,光路布置成与IA和IB垂直,对保偏物体表面,IA和IB,IC和ID所产生的散斑场分别各自相干,因此当考虑IA和IB产生的散斑场的干涉时,可以把IC和ID所产生的散斑场看作背景光,反之当考虑IC和ID所产生的散斑场时,可以把IA和IB产生的散斑场看作是背景光。散斑场经透镜
6、成像到CCD摄像机的靶面转换成视频信号,被图像板量化成数字图像信号并存储于帧存中,由计算机进行图像处理。图1全场面内位移测量电子散斑考虑IA和IB产生的散斑场的干涉,变形前任意一Fig.1Schematicdiagramofwhole点(x,y)处的光强为in-planedisplacementESPIIbf(x,y)=IA+IB+2IAIBcos()(1)IA和IB为两束光的强度,为一个随机相位。当物体发生变形并沿x方向有一个分量u,则将产生一个位相变化4!cos(x,y)=u(2)∀∀为激光器的波长。变形后
7、(x,y)处的光强为Iaf(x,y)=IA+IB+2IAIBcos(+)(3)变形前的散斑图存储在图像板帧存中,与变形后的物体散斑图相减将产生散斑条纹图,该条纹图表示物体的变形情况,减模式的条纹图表示为11I(x,y)=Ibf-Iaf=4IAIBsin(2+)sin()(4)22为物体变形引起的位相变化,实际情况,变化相对来说是非常缓慢的,由(4)式可看出一个高频项和一个低频项互相调制,高频项表示散斑点,低频项表示散斑条纹。当(x,y)sin=0(5)2时,将出现黑条纹(x,y)=2k!k=0,±1,±2,
8、⋯当(x,y)sin=1(6)2时,将出现亮条纹(x,y)=(2k+1)!k=0,±1,±2,⋯同样位于yoz平面内的IC和ID可测量出沿y轴的位移分量v4!cos(x,y)=v(7)∀2期范华等:利用激光偏振特性的电子散斑面内全场位移测量技术的研究1293实验系统实验系统如图2所示,采用输出功率为10mW,波长为635nm的半导体激光器作光
