（物理电子学专业论文）电子散斑干涉技术在工程中的应用及误差分析.pdf

，_j ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h ea p p l i c a t i o n so ft h ee s p it e c h n o l o g ya n di t s d e v i a t i o na n a l y s i s p h m c a n d i d a t e ：m ab e i h e s up e r v i s o r ：p r o f l ic h e n a p r i l 。2 0 1 0 s c h o o lo f p h y s i c sa n do p t o e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u 。g u a n g d o n g ，pr c h i n a ，5 10 0 0 6 n 摘要 摘要 激光散斑测量具有非接触，高精度和全场等优点，一直为人们所重视，尤 其是大量被用在表面测量。对于一些如表面的离面和面内位移的测量，由于非 常方便且精度高，得到广泛的应用。 在工程材料力学中，变形后的梁弯曲轴线称为挠曲轴线，简称挠曲线。它 反映了材料的力学性质，是研究材料特性的重要参数。对梁挠曲线测量研究时， 由于弯曲度小，常规的方法难于测量，本文利用电子散斑干涉法进行测量，并 通过实验分析获得更高精度的条件。 随着科学技术的迅猛发展，需要用压电陶瓷微小形变( 微米级甚至纳米级) 进行控制的对象愈来愈多控制精度要求也愈来愈高，测量微小形变的方法很 多有贴应变片法、电感测微仪、电容测微仪x 射线法激光干涉仪法等。 本实验采用非接触式电子散斑干涉法测量压电陶瓷材料的静态形变的情况，并 通过形变测量计算压电应变系数，用以评价压电陶瓷元件的质量。 电子剪切方法实用性很强，且精度高，但是在实验过程中仍需要注意其适 用条件才能获得更高的精度。 本文不仅阐述了电子散斑和电子剪切散斑干涉技术的原理及其在工程中的 应用，同时对常见的可能出现的误差进行了研究和讨论，本文的主要工作内容 如下： 1 简单的介绍了散斑及其相关概念，回顾了散斑的历史发展和应用。 2 分别的介绍了散斑测量的两种方法电子散斑干涉技术和剪切电子散斑 干涉技术的基本原理，以及他们的现状和发展情况。 3 介绍t n 用实验电子散斑干涉技术在金属梁挠曲度测量中应用，采用不 同的情况进行实验，分析使用该方法获得更高精度的条件。以及巧妙的 利用该方法的优点之一，即非接触性，对压电陶瓷在电压作用下微小形 变的位移测量和通过测量压电陶瓷的形变值用以计算压电系数系数。 4 从理论上分析电子剪切散斑干涉技术可能出现的一种误差，并进行实验 测量及分析。 关键词：电子散斑干涉；剪切电子散斑干涉；挠曲度：压电系数；误差 广东工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h em e a s u r e m e n tu s i n gt h el a s e rs p e c k l eh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s t h e u n t o u c h e d ，h i g hp r e c i s i o na n dw h o l ef i e l d h e n c ei t i sd r a w i n gac o n s i d e r a b l e a t t e n t i o ne s p e c i a l l yi nt h em e a s u r e m e n to ft h es u r f a c e i ti su s e dw i d e l yf o rs o m e d e f o r m a t i o no ft h es u r f a c e ，t h i sm e a s u r e m e n th a sh i g hp r e c i s i o na n di sc o n v e n i e n t i nt h ec a s eo fe n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ，t h ed e f l e c t i o na x i sw h i c hi sa ni m p o r t a n t p a r a m e t e r , r e f l e c t st h em e c h a n i cp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l s b e c a u s eo ft h et i n y d e f l e c t i o n ，i ti sh a r dt ob ed e t e c t e dv i at h er e g u l a rm e t h o d s i nt h ep r e s e n tw o r k ，t h e e l e c t r i cs p e c k l ep a r e r ni n t e r f e r o m e t r y ( e s p i ) i su s e dt h em e a s u r et h ed e f l e c t i o na n d t h eh i g ha c c u r a t er e s u l t sa r eo b t a i n e d a st h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c e ，t h et i n yr e f l e c t i o no ft h ep i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s ( m i c r o o rn a n o - ) w a su s e di nm a n ya r e a s t h er e q u i r e dp r e c i s i o nb e c o m e s h i g h e ra n dh i g h e r i nt h ep r e s e n tw o r k ，t h eu n t o u c h e dm e t h o dw a su l t i l i z e dt o m e a s u r et h e t i n y r e f l e c t i o no ft h e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s t h e p i e z o e l e c t r i c c o e f f i c i e n tw a sa l s om e a s u r e dt oe s t i m a t e dt h ep r o p e r t i e so ft h e p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h e e l e c t r i cs p e c k l ep a r e mi n t e r f e r o m e t r y ( e s s p i ) h a sac o n v e n i e n tu s a g ea n dah i g hp r e c i s i o n ，h o w e v e r ，w i t has u i t a b l e e n v i r o n m e n t t h ea p p l i c a t i o n so ft h ee s p ia n dt h ee s s p ih a v eb e e nd e m o n s t r a t e di n t h i s w o r k m e a n w h i l e ，t h ed e v i m i o na r ea l s oa n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h em a i nw o r ki s a sf o l l o w s ； 1 t h ec o n c e p t ，t h ea p p l i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to ft h e s p e c k l ea r e i n t r o d u c e d 2 t h eb a s i ct h e o r ya n ds o m ea p p l i c a t i o n so fe s p ia n de s s p ia r ei n t r o d u c e d r e s p e c t i v e l y 3 t h ed e f l e c t i o na x i so ft h em e t a l i sm e a s u r e dv i ae s p i a na c c u r a t er e s u l ti s o b s e r v e d o n eo ft h ea d v a n t a g e sw h i c hi sn o n t o u c ho ft h i sm e t h o dc a nb eu s e d h a b s t r a c t s k i l l f u l l yt om e a s u r et h et i n yd i s p l a c e m e n to ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s t h e n t h ep i e z o e l e c t r i cc o e f f i c i e n tc a nb ec a l c u l a t e d 4 t h ea n a l y s i sa n dt h ed i s c u s s i o no ft h ed e v i a t i o na r ec a r r i e do u tv i a t h e e x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：e s p i ；e ss p i ；d e f l e c t i o n ；p i e z o e l e c t r i cc o e f f i c i e n t ；d e v i a t i o n i i i 壤* 广东工业大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i c o n t e n t s 、r i 第一章绪论1 1 1 散斑现象及其相关概念1 1 1 1 散斑产生的光学分析1 1 1 2 激光散斑场的产生方法2 1 2 散斑测量的发展及应用3 1 3 课题研究内容及方法4 第二章电子散斑测量技术6 2 1 电子散斑干涉测量的基本原理6 2 2 电子散斑干涉条纹分析处理技术的现状及其发展8 2 3 电子散斑干涉测量小结9 第三章电子剪切散斑干涉技术1 0 3 1 电子剪切散斑干涉技术测量原理1 0 3 2 沃拉斯顿棱镜实现剪切1 4 3 3 剪切散斑中的位相测量研究1 5 3 3 1 引言1 5 3 3 2 位相测量方法在剪切散斑中的应用1 6 3 3 3 小结1 9 第四章电子散斑在工程中的应用2 0 4 1 电子散斑干涉法在压电陶瓷微小形变测量中的应用2 0 4 1 1 同一样品在不同电压下的离面位移测定2 0 4 1 2 采用e s p i 技术实验结果2 1 4 2 测量压电陶瓷的压电应变系数2 7 4 2 1 实验过程及其数据2 7 4 2 2 数据及其误差分析2 8 4 3 剪切电子散斑干涉技术在金属梁挠曲度测量中的应用及其误差分析2 9 4 3 1 电子剪切散斑时间相移法结果3 0 4 3 2 电子剪切散斑空间载波f o u r i e r 变换法结果3 0 4 3 3 结果比较与分析3 1 第五章剪切电子散斑中的相关误差分析3 5 5 1 不同波长激光照射的实验误差分析3 5 5 1 1 理论分析3 5 5 1 2 实验数据与结论3 5 5 2 剪切棱镜的一种误差分析3 9 5 2 1 理论分析3 9 i v 目录 5 2 2 实验与结果分析4 0 5 2 3 结论4 3 5 3 电子剪切散斑干涉误差分析小结4 3 结论4 5 参考文献4 7 究生期间发表的论文5 0 独创性声明5 1 致谢5 2 v c o n t e n t s a b s t r a c t l c o n t e n t s v i c h a p t e rii n t r 。d u c t i 。n 1 1 it h ep h e n o m e n aa n dt h ec o n c e p t l 1 1 1 t h eo p t i c a la n a l y s i so f t h el a s e rs p e c k l e s 1 1 1 2 t h eg e n e r a t i o no f t h el a s e rs p e c k l e s z 1 2t h ed e v e l o p m e n ta n d t h e a p p l i c a t i o n so f t h es p e c k l e s 3 13t h ec o n t e n ta n dt h em e t h o d so f t h e p r e s e n tw o r k 4 c h a p t e r2e l e c t r i cs p e c k l e p a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y o 2 1t h eb a s i cm e c h a n i s mo f t h e e l e c t r i cs p e c k l ep a t t e mi n t e r f e r o m e t r y 6 2 2t h ea c m a l i t ) ，a n dt h ed e v e l o p m e n to f t h ep a t t e r na n a l y s i so ft h ee l e c t r i c s p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y 8 2 3s u m m a r yo ft h em e a s u r e m e n to f t h ee l e c t r i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y 9 c h a p t e r 3e l e c t r i cs h e a r o g r a p h ys p e c k l e p a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y “1 0 3 1t h eb a s i cm e c h a n i s mo f t h ee l e c t r i cs h e a r o g r a p h ys p e c k l ep a t t e m i n t e r f e r o m e t r y 1 0 3 2t h es h e a r o g r a p h ym e c h a n i s mo f t h ew o l l a s t o np r i s m 1 4 33i n v e s t i g a t i o no ft h ep h a s eu s i n gt h ee l e c t r i cs h e a r o g r a p h ys p e c k l ep a t t e r n i n t e r f e r o m e t r y 1 5 3 3 1i n t r o d u c t i o n 1 5 33 2t h eu s a g eo ft h ep h a s em e a s u r e m e n t i nt h ee s s p it i m em e t h o d ”l 6 3 3 3s u m m a d ，1 9 c h a r p t e r4e n g i n e e r i n ga p p u c a t i o no f t h ee l e c t r i cs p e c k l ep a t t e r n i n t e r f e r o m e t r y 2 0 v i c o n t e n t s 4 1 a p p l i c a t i o no f t h ee l e c t r i cs p e c k l ep a t t e mi n t e r f e r o m e t r yi nt h ep i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s 2 0 4 1 1t h em e a s u r e m e n to ft h ed e f o r m e t i o no ft h es a m eo b je c tw i t h d i f f e r e n tv o l t a g e s 2 0 4 1 2t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t su s i n gt h ee s p i 2 1 4 2t h em e a s u r e m e n to ft h ec o n t i n g e n c yc o e f f i c i e n to ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s2 7 4 2 1t h ee x p e r i m e n t a lp r o c e d u r ea n dt h er e l a t i v ed a t a 2 8 4 2 2t h ed a t aa n dt h e a n a l y s i so f t h ed e v i a t i o n 2 9 4 3t h ea p p l i c a t i o na n dt h ed e v i a t i o no ft h ee s s p ii nt h ef i e l do fb e n d i n g m e t a lm e a s u r e m e n t 2 9 4 3 1 t i m ep h a s es h i f tm e t h o d a n dt h er e s u l t so f t h ee s s p i 3 1 4 3 2 f o u r i e rt r a n s f o r ms p a t i a lc a r r i e rm e t h o da n dt h er e s u l t so ft h ee s s p i31 4 3 3t h ec o m p a r i s o na n dt h ea n a l y s i so f t h er e s u l t s 3 2 c h a r p t e r5t h ea n a l y s i so f t h e d e v i a t i o no f t h ee s s p i 3 5 5 1t h ea n a l y s i so ft h ed e v i a t i o nu s i n gd i f f e r e n tl a s e r sw i t hd i f f e r e n t w a v e l e n g t h s 3 5 5 1 1 t h e o r e t i c a la n a l y s i s 3 5 5 1 2t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h ea n a l y s i s 3 5 5 2t h ea n a l y s i so f t h ed e v i a t i o no f as h e a rp r i s m 3 9 5 2 1 t h e o r e t i c a la n a l y s i s 4 0 5 2 2t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h ea n a l y s i s 4 1 5 2 3 s u m m a r y 4 6 5 3t h es u m m a r yo f t h ea n a l y s i so f t h ed e v i a t i o nu s i n gt h ee s s p i 4 6 c o n c l u s i o n s z 1 7 r e f e r e n c e s 4 9 p a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gm a s t e r ss t u d i e s 5 2 t h e o r i g i n a ls t a t e m e n t 5 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 4 v i t 第一章绪论 第一章绪论 散斑现象普遍存在于光学成像的过程中，相干光自散射体的表面漫反射或 通过一个透明散射体时，在散射表面或附近的光场中可以观察到一种无规律分 布的亮暗斑点，称为激光散斑( l a s e rs p e c k l e s ) 。从统计学上讲，散斑是相干光 从粗糙表面反射或通过折射率无规律涨落的介质传播时产生的无规强度的分布 情况0 3 1 。随着2 0 世纪6 0 年代激光器的发明和使用，由于激光的高度相干性， 激光散斑现象就更加明显。 1 1 散斑现象及其相关概念 1 1 1 散斑产生的光学分析 当用激光照射到一光学粗糙表面( 即表面平均起伏大于光波波长量级) 上 时，即呈现出用普通光见不到的斑点状的图样。其中的每一个斑点称为散斑 ( s p e c k l e ) ，整个图样称为散斑图样( s p e c k l ep a t t e r n ) 。这种散斑现象是使 用高相干光时所固有的，图1 - 1 即为h e - n e 激光器照射粗糙表面的散斑图样。 图1 1 激光散斑图样 f i g 1 - 1t h es a m p l ep a t t e mo ft h el a s e rs p e c k l e 当激光照射到物体表面时，如图1 - 2 所示，由于物体表面各点是随机分布 广东工业大学工学硕士学位论文 的( 这种随机性由表面粗糙度引起) ，其上的每一个点都可视为子波源，则由它 们散射的各个子波源的振幅和相位都不相同，而且也是随机分布的，由于激光 的高相干性，则由每一个物点散射的光将和每一个其他物点散射的光发生干涉， 各物点散射的子波相干叠加，形成具有随机的空间光强分布的反射光场。当把 探测器或眼睛置于光场中时，将记录或观察到一种杂乱无章的干涉图样，呈现 颗粒状结构，此即为散斑。 一 瞬爹7 , t x 0 r o 一 ， 远耋詈一。 z z o 图1 - 2 散斑产生的机理 f i g 1 2 m e c h a n i s mo ft h es p e c k l ep a u e m g e n e r a t i o n 由于激光散斑是激光照射在粗糙表面上而形成的，因此散斑图样的分布必 定会依赖于被照表面的细微结构，即物体的散斑场中必然蕴涵着物面的信息， 从而，我们可以利用它来测量物体表面粗糙度。当物体的位移发生改变或受外 力发生形变时，将必然引起散斑场的变化，通过测量散斑场的变化就可以获取物 体的形变信息，这就是散斑计量技术的研究内容。 1 1 2 激光散斑场的产生方法 激光散斑的产生有三种基本方法。第一种方法是利用一束扩展的激光束照 固体的漫射表面，并由此表面漫反射后在空间形成激光散斑。如果物体表面漫 反射子波源发生变化时，该空间位置上相应的散斑状态也将随之发生变化。种 情况下空间散斑位移往往与固体表面的运动状态有关。这是激光散斑测量验固 2 第一章绪论 体力学的基础。第二种是用一束准直的激光束照明一个透明的漫射表面如毛玻 璃) ，此时由漫射表面的透射光束在空间形成散斑。这种情况下空间散位移与光 束传播方向的变化有关。它是测量流体的浓度场、密度场和温度场基础。第三 种方法为激光束直接照射弥散于空间的粒子场，粒子的漫散射光在空间形成激 光散斑。它是测量流体的速度场的基础。 1 2 散斑测量的发展及应用 早在1 9 1 4 年散斑现象就被人们所发现，但一直未予以重视。由于散斑的存 在影响了全息图质量，散斑开始作为一种噪声得到了系统的研究。大量的工作 是试图如何克服消除散斑效应。直到1 9 6 8 年，a r c h b o l d 等人首次将散斑技术应 用在测量中。散斑干涉的基本原理是在1 9 7 0 年由l e e n d e g z 建立的。1 9 7 1 年 b u r e r s 和l e e n d e r t z 首先应用光电子器件代替了全息干板记录散斑场的光强信 息，并存储在磁带上。由电视摄像机输入物体变形后的散斑图，通过电子处理 的方法不断与磁带中的变形前的散斑图送行比较处理，从而在监视器上能观察 到散斑干涉条纹，这种方法称为电子散斑干涉法。同年，m a c o v s k i 也发表了类 似的文章。1 9 7 6 年l o k b e r g 等把全息干涉术中的参考光位相调制技术引入电子 散斑，使之能测量振动的位相分布；1 9 7 7 年，w y k e s 讨论了电子散斑干涉法中 的消相关效应，并提出了相应的改进措施：1 9 7 8 年，j o n e s 等利用双波长电子散 斑干涉法测量了物体的轮廓；1 9 8 1 年j o n e s 等系统地对电子散斑干涉中各种参 数的选取和优化作了详细报道这样。几乎用了十年的时间，人们完成了对电子 散斑技术的基本原理和它的性质的研究。 1 9 8 7 年，w y k e s 等使用小功率激光器和半导体激光器实现了电子散斑干涉 术。从而使系统更加紧凑、实用。进入八十年代，出现了集成化的电子存贮模 块。利用这种技术，电视图像可以以点阵的形式量化为数字量存贮在帧存体中。 并可以读出和写入。把这种技术应用在电子散斑干涉中，就出现了数字电子散 斑干涉术( d s p i ) 。它通过把物体变形前后的散斑图量化为数字图像，存贮在帧 存体中。由计算机用数字的方法对它进行运算，从而在监视器上再现干涉条纹 图。数字散斑干涉减小了电子散斑的噪声，大大提高了干涉条纹的清晰度。1 9 8 0 年n a k a d a t e 首次实现并得到5 1 2 5 1 2 列阵的数字散斑干涉条纹，但直到1 9 8 4 广东工业大学工学硕士学位论文 年才由c r e a t h 正式提出来并作为一种新技术加以推广。数字图象列阵也逐步发 展到今天的5 1 2 5 1 2 或1 0 2 4 1 0 2 4 ，灰度等级发展到2 5 6 。而且以微机和图像 板取代了原始的大型数字图象处理系统。人们往往将用电子处理方法实现的电 子散斑干涉法( e s p i ) 和用数字处理方法实现的数字散斑干涉法( d s p i ) 统称为电 子散斑干涉法( e s p i ) 。 为了进一步提高e s p i 的抗震性能，1 9 8 5 年h u n g 提出了将错位技术引入电 子散斑的设想，提出了电子错位术的概念( e l e c t r o n i cs h e a r o g r a p h y ，简称e s ) 。 在国内，1 9 8 9 年天津大学首次研制成功了电子错位散斑( 或称电子剪切散斑) 干涉系统( e s s ) ，随后又开发了d s s p i 系统。1 9 9 2 年，中国科学技术大学将 半导体激光器成功地应用于电子散斑干涉中，并由可切换的双频光栅实现了错 位，1 9 9 3 年西安交通大学研制了光纤电子散斑技术干涉系统。在过去的3 0 多 年中，散斑测量的发展，从散斑照相发展到散斑干涉测量，由参考束型散斑干 涉方法发展到双光束干涉、剪切散斑干涉，通过电子散斑干涉测量，直到电子 散斑照相，激光散斑测量取得了长足的进步，并在不同的领域中获得了广泛的 应用。目前，结合计算机与数字图像处理等技术，散斑法不仅可以测量静态问 题，还可以测量动态问题；既可以测量面内位移，也可以用散焦散斑法测量离 面位移、位移场导数及应变场，另外还可有效的应用于振动、断裂力学参量等 的测量中。散斑测量的自动化程度也不断得到提高，并逐步实现了仪器化，从 而更加广泛地应用于航空航天、轮机工程、土木工程、电子及生物医药等领域。 散斑测量技术的发展方向主要有两个，一是由静态测试向动态、实时测试 的方向发展，现在的“实时”离确切的实时还有一定差距；二是由一维测量到 二维，三维测量的方向发展“、”。 1 3 课题研究内容及方法 散斑测量技术在信息提取方面基于强度相关条纹，能迅速反映全场变形的 分布和大小，因此在缺陷无损探测方面具有特别的优势1 1 3 一】。散斑测量技术可以 分为测量位移的电子散斑干涉技术( 英文的全称是e l e c t r i cs p e c k l ep a t t e r n i n t e r f e r o m e t r y ，缩写为e s p i ) 和测量位移导数的电子剪切散斑干涉技术( 英文 的全称是e l e c t r i cs p e c k l es h e a r o g r a p h yp a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ，缩写为e s s p i ) ， 4 第一章绪论 在干涉场中引入载波装置，可直接解调变形引起的原理相位( w r a p p e dp h a s e ) 。 然后再通过相位去包裹处理( u n w r a p p i n gp h a s e ) 获得干涉场全场连续相位分布， 进而由上述的相位位移关系获得位移分量和位移导数分量。载波技术检测可获 得极高的检测精度，在严格控制检测环境的条件下，可以达到检测光波长的百 分之一。由于散斑干涉测量技术基于双光束干涉，检测中对检测环境和检测对 象都有一定的要求，使其在走出实验室方面受到一定的限制。本文主要进行了 以下几方面的工作： 1 简单的介绍了散斑及其相关概念，回顾了散斑的历史发展和应用。 2 分别的介绍了散斑测量的两种方法电子散斑干涉技术和剪切电子散斑干 涉技术的基本原理，以及他们的现状和发展情况。 3 介绍了利用实验电子散斑干涉技术在金属梁挠曲度测量中应用，采用不同 的情况进行实验，分析使用该方法获得更高精度的最合适条件；以及利用 该方法在压电陶瓷在电压作用下的微小形变的测量和压电系数的测量。 4 从理论上分析电子剪切散斑干涉技术可能出现的一种误差，并进行实验 测量及分析。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章电子散斑测量技术 2 1 电子散斑干涉测量的基本原理 实验设备与光路如图所示： 图2 1 散斑图象采集系统组成图 f i g 2 1t h ei m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e md i a g r a mo fp e c k l ep a r e m 散斑图象采集系统由电子散斑干涉仪和图象采集卡组成。其中电子散斑干 涉仪由外接激光器，散斑测量光路系统和c c d 摄像头等部分组成。软件采用e s p i 程序，运行于w i n d o w s 环境下，可以完成电子散斑图象的图象处理。 当一束激光照射在光学粗糙表面上，由于漫射表面散射光的干涉将产生许 多随机分布的亮暗斑点，用透镜成象后，在象平面上物光的复振幅分布为 u o o ) = u o ( r ) e x p q b o ( r ) ( 2 1 ) 其中h o ( ，) 是物光波振幅，c o ( r ) 是物光波的相位。 除了物光波之外，与全息干涉相类似，还需要有一个参考光波与其合成， 图2 为其一典型的对离面位移敏感的e s p i 光路系统。 该系统将分光镜b 1 分出的- d , 部分激光经扩束后照射在一半透半反镜b 2 后与物体漫反射光相汇合而在c c d 靶面干涉。其参考光波的复振幅分布为 u r = u r ( r ) e x p c r ( r ) ( 2 2 ) 其中u r ( r ) 和九( ，) 分别是参考光波的振幅与相位。 物光和参考光在c c d 靶面上形成的光强i ( r ) 为 6 第二章电子散斑测量技术 ，( ，) = 材0 2 + z ，；+ 2 u o 甜rc o s ( 4 0 一九) ( 2 3 ) 当被测物体发生变形之后，表面各点的散斑场振幅“o ( ，) 基本不变，而相位 九将改变为九一痧( ，l ，即u 。( ，) = 1 , o p ) e x p 【九p ) 一p ) 】。由于变形前后参考 光波维持不变，因此位移后的合成光强i ( r ) 为 ，。( ，) = “。2 + “r 2 + 2 u o u rc o s # o 一月一( ，) 】 ( 2 4 ) 对于全息干涉，它是把二个不同时刻的光强记录在同一千板上，也即产生 叠加效应。而在电子散斑干涉计量中，由于系统使用了视频记录与数字化存贮， 因而可以将变形前后两幅干涉场分离，因此通常采用减模式信息表征方式，即： ，= l f ( ，) 一，( ，) f = l “；+ 甜尺2 + 2 u o u rc o s 【九一尺一( ，) 卜“。2 + “r 2 + 2 “。甜尺c o s ( 。一矿月) l 2 1 4 u o u ns i n c + 半卜半l 亿5 ， 由( 5 ) 式可见，相减处理之后的光强是包含有高频载波项 ( 九一九) + 矽( ，) 2 的低频条纹【s i n ( 矽( 厂) 2 ) 】。该低频条纹取决于物体变形引起 的光波相位变化。这个光波相位变化与物体变形关系可以从光波传播的理论中 推导出来。对于图1 所示光路系统有 = w ( 1 + c 。s 目) + u s i n 口】 ( 2 6 ) l h ) 其中，九是所用激光的波长，0 是照明光与物体表面法线的夹角，w 是物体 变形的离面位移，u 是物体变形的面内方向位移。 在一般情况下，照明角较小，c o s o l ，s i n o o ，所以 西：4 z w 旯 ( 2 7 ) 由( 5 ) 式可知，当矽= 2 n 7 【+ 兀2 时，n = 0 ，1 ，2 时，i t 为极大值， 即为亮条纹。此时相邻的两条条纹之间所对应的离面位移w = 九4 。 根据( 5 ) 的公式可得到电子散斑干涉条纹所形成的条纹图。但是我们可以 看到其条纹图存在有高频散斑的调制项，因此条纹质量较差，需进一步处理以 麓蕺一 广东工业大学工学硕士学住论文 提高条纹质量。主要手段是通过高频滤波把高频散斑去除。方法可以用硬件， 也可以用软件，或者用相位处理的方法。 对于双光束照明条件下( 测量面内位移) 的物体变形与光波位相之间的关 系，可以将一束光看成物光，另一束光为参考光，如图2 类似。因此，式( 6 ) 也可以用来表示变形与相位之间的关系，但是由于变形对二束光的相位都有影 响，所以合成的相位差与位移的关系为 ：2 - a 【( c o s 0 - - c o s 口) + u ( s i n 0 + s i no ) 1 ：三；( s i np ) u ( 2 8 ) 几 由( 8 ) 式可以看到，双光束电子散斑光路将离面位移w 消去，而只敏感于 面内位移u 。在作测量时，可以将0 布置的较大，提高灵敏度。 条纹形成的一个直观解释是当物体变形产生的相位变化在某些点为0 或 2 n r t 时，散斑在该点( 或小区域) 不变，经过相减处理之后表现为光强为零，即 出现黑条纹。而当相位变化妒( 厂) 不为0 或2 n = 时，则随机散斑高频项仍然存在， 所以这个条纹图表现为黑条纹和散斑相间的形式。 2 2 电子散斑干涉条纹分析处理技术的现状及其发展 条纹图是干涉法获得待测物理量的重要数据，因此，自动条纹分析具有十 分重要的意义。早期的条纹图分析都是用手工来完成的。2 0 世纪6 0 年代，电 子辅助条纹分析设备的引入提高了测量的精度，但整个分析仍需手工完成。7 0 年代，由于大量的数字图像处理系统的引入，使得干涉条纹分析进入了新的阶 段。 传统的条纹分析方法主要有：确定条纹级次法、条纹跟踪法、外差法、光 载波法和位相检测技术等。其中前两种属于强度分析法，后三种属于位相分析 方法。采用确定条纹级次法分析条纹图时，首先要根据条纹的物理意义和对条 纹图的理解把正确的条纹级次和符号输入计算机，然后由软件完成自动插值、 拟合并计算出待测物理量。该方法由于在确定峰谷位置时不准确，会带来测量 误差。如果条纹较复杂，就很难正确地赋值。当条纹稀疏时还需要进行条纹倍 增处理，否则会造成较大的误差。条纹跟踪法要先对条纹进行预处理：滤波、 增强、二值并细化为条纹骨架，然后由条纹自动跟踪程序完成条纹自动复制。 3 第二章电子散斑测量技术 该方法对质量较好的条纹图十分有效，但对于电子散斑颗粒性的条纹图则必须 进行很好的预处理，否则会产生很大的误差。 为了避免给条纹级次赋值的麻烦，人们开始了位相检测技术的研究。除了 非接触测量等光学干涉计量本身具有的优点外，位相测量方法还具有如下优点： 可以精确地确定光场上任何位置的位相，真正实现了全场测量；测量精度高； 许多位相测量方法处理过程简单，可以实现测量的自动化，有利于推广应用； 当视场内条纹少于一条，无法用条纹中心法提取信息时，仍可测量出位相值“。 光测位相检测主要分为时间位相测量方法和空间位相测量方法两大类。时 间位相测量方法是指需要一定的时间域间隔采集被测量物体每一状态的信息以 获取相位信息，它包括外差法与时间相移法。空间位相测量方法是指通过光路 中的分光系统，获取空间上更多的信息以提取相位信息。 2 3 电子散斑干涉测量小结 e s p i 在信息提取方面基于强度相关条纹，能迅速反映全场变形的分布和大 小，因此在缺陷无损探测方面具有特别的优势。尤其是数字化记录系统的应用， e s p i 在不需要暗室的条件下即可进行实时测量。相移e s p i