[发明专利]基于空间相移的面内变形的快速测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种散斑干涉的面内变形的快速测量技术，特别是快速空间相移技术，改善激光散斑干涉面内测量的实时性和时效性，拓宽激光散斑干涉在高速在线检测中的应用。可广泛应用于机械制造、航空航天、材料和生物等各方面的应变与变形测量。

背景技术

数字散斑干涉计量技术(Digital Speckle Pattern Interferometry，DSPI)是一项综合了激光、电子及图像处理等技术的光测方法，具有高精度、非接触及全场测量等优点。被广泛地应用于机械制造、航空航天、材料和生物等各方面的测量。

在数字散斑干涉计量技术中，运用激光的干涉原理，对被测物体表面的面内位移进行测量是其中一个重要的分支，传统的激光散斑干涉面内测量技术，通过激光在物体表面产生散斑干涉的现象，使用CCD摄像机对干涉现象进行记录，经过对干涉条纹的相位测量可以得到被测物体的变形量。在其中一路光中引入压电驱动器（PZT）驱动反射镜使每幅图像具有恒定的相移，根据相位计算公式可计算干涉条纹的相位。

随着现在工业的发展，传统的激光散斑干涉面内测量技术已经不能满足高速甚至超高速测量的需要。由于需要使用PZT在不同时刻对光路进行相移，才能计算出干涉场的相位，测量的结果并不是当前采集时刻的真实相位，而是PZT移动时间内的近似值。时间相移技术是目前应用最广泛的相位检测技术，但是此技术受环境振动、温度变化和被测件本身偏移的影响较大，因此对被测件的稳定性具有很高的要求，同时该技术由于需要通过PZT实现多步相移，且需要采集多幅图像，因此无法实现快速测量，时间相移技术局限于对静态或准静态位相的测量。在振动频率测量中传统时间相移技术逐渐被空间相移技术所替代。

空间相移技术可以进行动态位相测量。目前采用的空间相位检测方法一般采用多方向检测的方式，一般分为两种，一种是使用一个激光器，多个CCD检测探头，通过测量不同方向的形变，计算得到面内变形，另一种是采用一个CCD采集，使用不同的激光进行测量，通过照射角度的不同，来确定面内散斑干涉场，两种方法其实质都是对被测物体进行的离面变形的测量，通过对不同方向的离面信息的计算，得到面内变形。光学系统较为复杂，对探测器要求较高，因此迫切需要一种简便快速的面内测量技术来实现动态散斑的面内变形测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种基于空间相移的面内变形的快速测量系统及测量方法，以满足现代高速度高精度测量要求的快速相移技术，在动态和快速测量下获得散斑的相位信息，解决传统散斑测量无法实现快速测量的问题，简化测量光路，降低环境噪音的影响。

本发明解决技术问题所用了如下技术方案：

本发明基于空间相移的面内变形的快速测量系统的特点是：

设置激光器，其出射光经过分光棱镜分成第一束光和第二束光；所述第一束光经过凸透镜会聚到载波光纤中，并由所述载波光纤将第一束光引导照射到CCD摄像机的靶面阵列上，构成参考光载波光路；所述第二束光经过分光棱镜组分为两束物光，分别是第一束物光和第二束物光，所述两束物光分别依次经过扩束镜和反射镜以互补的角度叠加照射在被测物体的表面形成激光散斑面内干涉场；所述激光散斑面内干涉场由所CCD摄像机的靶面阵列进行采集，形成物光测量光路；所述参考光载波光路和物光测量光路的激光在所述CCD摄像机的靶面阵列上形成干涉，对于所述CCD摄像机的采集信息进行计算获得激光散斑面内干涉场的相位，比较被测物体的表面在变形前和变形后的激光散斑面内干涉相位，获得被测物体表面的面内变形信息。

本发明基于空间相移的面内变形的快速测量系统的测量方法，其特征是按如下步骤进行：

a、构建物光与载波光的激光干涉模型H(ξ,η)

定义物光测量光路中两束物光叠加照射到被测物体上时，由CCD摄像机采集的被测物体的反射光为U(ξ,η)，其中ξ,η分别表示摄像机的CCD靶面阵列上的横坐标和纵坐标；所述两束物光在被测物体表面叠加照射由式(1)表征：