[實(shí)用新型]散斑相關(guān)和散斑干涉相結(jié)合的三維變形測量系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220372299.X
• 申請(qǐng)日: 2012-07-30
• 公開（公告）號(hào): CN202748011U
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫平;孫明勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東師范大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/16
• 分類號(hào): G01B11/16;G01B11/02
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種三維變形測量系統(tǒng)，尤其涉及一種散斑相關(guān)和散斑干涉相結(jié)合的三維變形測量系統(tǒng)。?

背景技術(shù)

由I?Yamaguchi、W.H.Peters和W.F.Ranson等人提出的數(shù)字散斑圖像相關(guān)方法(Digital?Speckle?Correlation?Method，DSCM)在材料力學(xué)、斷裂力學(xué)、生物力學(xué)、現(xiàn)場實(shí)時(shí)測量、微尺度變形場測量、電子封裝以及動(dòng)態(tài)位移及變形測試等眾多應(yīng)用領(lǐng)域都展示了其適用性和優(yōu)越性。數(shù)字散斑圖像相關(guān)技術(shù)通過記錄物體變形前后的圖像并運(yùn)用一定的圖像相關(guān)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(duì)測量環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。近年來，一些現(xiàn)代的數(shù)學(xué)理論和數(shù)學(xué)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(yùn)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(guān)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(jì)算量小、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，在位移小時(shí)比較穩(wěn)定。目前，DSCM應(yīng)用的領(lǐng)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(xì)微觀尺度、從常規(guī)環(huán)境向比較惡劣的環(huán)境、從實(shí)驗(yàn)室測試逐步向工程現(xiàn)場應(yīng)用、從靜態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)向動(dòng)態(tài)準(zhǔn)動(dòng)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(guān)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(shù)結(jié)合或通過三維散斑相關(guān)的方法測量三維位移。將DSCM與立體攝影技術(shù)或雙目測量技術(shù)相結(jié)合，可以測量三維位移場。例如清華大學(xué)姚學(xué)鋒教授提出的立體攝影術(shù)與數(shù)字散斑相關(guān)方法相結(jié)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(guān)測量三維變形和三維面形技術(shù)。將DSCM與針孔攝像技術(shù)相結(jié)合，東南大學(xué)何小元教授提出了數(shù)字圖像相關(guān)與針孔攝像機(jī)成像模型相結(jié)合測量三維物體位移方法。通過三維散斑相關(guān)的方法，中國科大伍小平院士、胡小方教授等利用模擬實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。電子散斑干涉技術(shù)是基于參考光和物光在CCD靶面上產(chǎn)生散斑干涉進(jìn)行測量的。因此，三維散斑干涉往往光路比較復(fù)雜。復(fù)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(jié)合，也可以測量三維位移場。張青川教授采用二套光路，對(duì)試件正面采用散斑相關(guān)測量，對(duì)試件的反面采用散斑干涉測量，實(shí)現(xiàn)了三維位移場測量。該方法是對(duì)試件的不同表面測量，不是同一個(gè)表面的三維變形。周燦林教授等把散斑相關(guān)和電子散斑干涉結(jié)合起來測量變形，采用的是典型的散斑相關(guān)光路，首先對(duì)散斑干涉四步相移所采集的散斑干涉圖像進(jìn)行處理，然后對(duì)處理過的圖像進(jìn)行散斑相關(guān)計(jì)算，從而獲得三維變形場。所用的原理則很復(fù)雜，圖像處理過程也很復(fù)雜，利用散斑相關(guān)計(jì)算面內(nèi)位移時(shí)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(shí)際操作中很難獲得三維變形場的數(shù)值。?

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種散斑相關(guān)和散斑干涉相結(jié)合的三維變形測量系統(tǒng)，它利用典型的對(duì)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(shí)現(xiàn)散斑相關(guān)測量物體的面內(nèi)位移和散斑干涉測量離面位移，實(shí)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(diǎn)。?

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：?

一種散斑相關(guān)和散斑干涉相結(jié)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(kuò)束鏡；擴(kuò)束鏡后方設(shè)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(gòu)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(jī)上，利用被測物變形前后的兩幅散斑圖，計(jì)算出面內(nèi)位移的二個(gè)分量；在參考光路工作時(shí)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(jī)上，測量物體離面位移分量。?

一種采用散斑相關(guān)和散斑干涉相結(jié)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(guān)和散斑干涉結(jié)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(shí)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?shí)現(xiàn)散斑干涉；加載使被測物變形，結(jié)合相移技術(shù)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(duì)被測物變形前后散斑圖進(jìn)行散斑相關(guān)運(yùn)算，得到二維面內(nèi)位移分量，從而實(shí)現(xiàn)三維變形測量。?

本實(shí)用新型的具體步驟是：?