剪切散斑干涉技术及应用研究进展

剪切散斑干涉技术是一种非接触测量物体变形缺陷的光学无损测量方法,其通过计算物体变形前后的散斑图中的相位获取被测物的应变缺陷信息。近年来该技术在航空、航天等工业无损检测领域得到了广泛的应用。本文从系统关键技术、散斑图像处理技术两方面介绍了剪切散斑干涉技术的研究进展,详细论述了多种剪切装置实现大视角测量、空间载波实现动态测量、多种图像处理算法的一系列剪切散斑干涉技术;最后介绍了剪切散斑干涉技术的国内外应用进展,展望了剪切散斑干涉技术在动态测量、光滑表面测量及定量反算形变量等方面的发展趋势。     

基于单幅散斑的X射线强度关联缺陷检测方法

采用预置散斑的X射线强度关联成像系统需要采集大量的散斑场,成像时间较长,而单幅散斑场信噪比低,难以单独用于图像重构。然而单幅散斑场中的空间分布信息包含一定的样品结构信息,可以用于样品缺陷快速检测。基于此,提出一种基于单幅预置散斑的缺陷检测方法,该方法将待检测样品探测散斑场与标准样品模拟散斑场的相关性作为样品缺陷的评价标准。同时基于该方法模拟X射线强度涨落二阶自关联检测光路,分析不同信噪比下探测散斑场分布的图像对比度对相关系数的影响。并对比多种细节增强方法,提高检测可靠性。最终结果表明,基于单幅散斑场的方法可以有效地进行样品的快速缺陷检测。     

双功能数字散斑干涉位移及空间梯度同时测量

为了满足无损检测中复合材料在复杂载荷下多参数变量评估的需求,提出了一种基于光路复用的双功能数字散斑干涉系统,能够同时实现数字散斑干涉和数字剪切散斑干涉测量功能.通过控制其中一个反射镜-波片组合,当该组合离位时,构成数字散斑干涉测量光路,实现离面位移测量;当该组合在位时,构成数字剪切散斑干涉测量光路,实现离面位移空间梯度的测量.测量过程中只需简单切换该组合的位置就可以实现单次加载下被测物体表面离面位移及其空间梯度的同时测量.该系统光路结构简单、切换效率高,能够同时获得高质量的位移及空间梯度测量结果.实验证明,双功能数字散斑干涉系统既具备高抗干扰能力,又具备高灵敏度测试能力,适合复合材料无损检测现场使用.     

剪切散斑干涉术的无损检测研究

剪切散斑干涉术用于复合材料的光学无损检测具有较宽的加载范围,便于实现缺陷的全场记录,防止漏检。本文从理论上推导了剪切散斑干涉条纹(等应变条纹)的强度分布,并证明随着加载量的增大,条纹变密的程度较全息干涉条纹(等位移条纹)缓慢。加之,剪切散斑干涉条纹灵敏度具有可调性,加载范围大为加宽。实验观察与理论分析一致。     

CCD成像辅助激光散斑实验

激光照射到粗糙物体的表面上在空间随机相干叠加形成散斑.激光散斑随物体在自身平面内作同步运动,这一现象可用来测量物体的微小位移.利用氦氖激光器作为光源,结合CCD成像技术辅助采集散斑图像,采用计算机程序处理图像,验证了散斑位移理论,并指出CCD成像辅助的激光散斑教学中应注意的问题.     

运动变形表面在相干光照明下的自由空间散斑位移分布

物体表面在一束相干光照明下的空间散斑位移场分布对于分析物体表面状态及位移、变形等信息具有重要意义。本文应用散斑场的相关方法与散斑相移技术得到了物体表面位移及变形参量与自由空间衍射场散斑位移的一般关系,给出了这种一般关系的简化与分离条件,并对物体平移、转动及热加载条件下的蜂窝结构进行了实验。     

激光散斑剪切干涉技术在橡胶内胎无损检测中的应用

本文主要阐述了用激光散斑剪切干涉法对飞机橡胶内胎进行无损检测。即给内胎充气和加力,再放气使内胎在常压下制造的缺陷膨胀和缩小,发生形变。然后用剪切照相机(即在照机镜头前加一块光楔)对内胎变形前后的散斑场进行两次曝光记录,把拍摄的底片经显影、定影处理后,就得到一张反映物体性质的双曝光散斑图。对此散斑图进行付里叶高通滤波,提取高频信号,即得到一张对比度很好的条纹图形。由此条纹图就能分析、判断出内胎的缺陷部位、深度、大小及形状性质。由于物体在胀缩过程中有缺陷的部位变化梯度大,且条纹基本上为对称分布的旋涡形状,因而最容易识别判断。从而达到对橡胶内胎进行无损探伤的目的。本实验主要采用美国学者Y、YHuny于1979年提出的用激光散斑剪切干涉技术直接测量物体变形量的一种新技术。由于是单方向剪切,故测量灵敏度高,精度高,适宜于无损检测。     

用于多参数同时测量的散斑干涉仪

本文描述了一种新的散斑干涉仪,它可以同时对表面应变物体的面内位移、离面位移、位移梯度和莫尔曲率进行测量;由于利用了取向滤波方法,在滤波系统输出平面同时得到了与这些参数对应的散斑条纹.还利用散斑空间运动规律较好地解释了散斑干涉与散斑剪切干涉之间的关系.     

载频调制大剪切电子散斑干涉系统

大剪切电子散斑干涉技术不需要引入参考光，具有条纹质量好等特点。提出将干涉场的载频调制技术引入到大剪切电子散斑干涉中，可形成具有载频调制功能的新的电子散斑干涉系统。该系统具有对测量环境的隔振振动要求低，能方便定量求解物体的变形场等优点。首先讨论大剪切载频的调制机理，然后利用中心加载、周边固定的圆盘进行典型实验，设计了可用计算机控制且可对参考物进行精确偏转的步进电机系统，进而实现了对电子散斑干涉场的自动控制调制。最后，利用傅里叶变换法对调制条纹进行解调，解调出变形场的相位，并通过相位与位移的转换计算，得到精确的物体变形场。实验结果证明，该系统能够调制电子散斑干涉场，求解物体的位移场。     

双波长剪切散斑干涉法在复合材料缺陷检测中的应用

为使剪切散斑干涉能适用于物体大变形的测量,选用双波长激光照射和彩色相机,用傅里叶变换法对干涉图进行频谱分离,用红色波长相位减去绿色波长相位,得到合成波长相位,经频域滤波和相位解包裹,得到连续相位.理论计算表明合成波长相位条纹数是单波长相位条纹数的0.189倍.合成波长参与计算可以有效减小相位条纹密度,解决剪切散斑干涉在物体离面位移测量中由于变形条纹过于密集而导致欠采样的问题,同时降低对干涉条纹滤波和相位解包裹难度,增强图像处理可靠度,提高了测量准确度.给出了合成波长与单波长相位幅度的比较以及相同外力下二者相位条纹密度的对比,实验验证了所提方法的有效性、准确性和可靠性,实现了剪切散斑干涉对复合材料大变形的测量,扩展了剪切散斑干涉工程应用的范围,为新型剪切散斑干涉测量系统的设计提供了参考.     

基于剪切散斑干涉技术的物体变形动态检测

为使仅适用于静态测量的空间相移剪切散斑干涉系统可用于物体变形的动态测量,在对传统剪切散斑干涉系统加以改进的基础上,提出一种物体变形动态检测方法。将检测系统中的压电陶瓷控制器用参考镜代替,减少了物理装置控制与执行的时间。对于物体发生变形的同一状态,仅需采集一幅干涉图像即可满足后期计算,加以二维连续小波滤波和最小二乘相位解包算法,能满足物体变形动态在线检测的需求。理论和实测实验表明,该方法能快速可靠地检测出物体动态形变,整个系统的最大误差范围在-1.5 rad~1.5 rad之间,整个检测过程最大误差百分比为6.4%,有较高的精度和实用性,为新型剪切散斑干涉测量系统的改进和设计提供参考。     

一种可实现电子散斑干涉的新型大错位方棱镜

设计了一种可实现电子散斑干涉的大错位方棱镜.将普通方棱镜的一个面磨去一个楔角后变为斜面,该斜面和相邻的一个面镀反射膜,其他二个面镀增透膜.垂直入射的光线经过分光后变成二束光,分别经过平面反射和斜面反射,出射的二束光线就分开了.将该大错位方棱镜置于CCD镜头前,一个物体可以成二个错位的像;相邻的二个物体可叠加成像.错位量由楔角决定,错位量足够大,可实现大错位电子散斑干涉.根据试件大小和成像距离,楔角的大小可选择在1°到10°之间.对中心加载周边固定圆盘进行了电子散斑载频干涉实验,证明了大错位方棱镜能够高质量地实现电子散斑干涉,实现位移场测量.     

激光散斑技术与水工建筑物

散斑干涉计量术是七十年代发展起来的一门新兴技术.当用激光照射物体表面时,其漫反射光相互干涉形成了随机分布的斑点,该斑点称为“散斑”(speckle).散斑在六十年代初兴起的激光全息术中曾被作为相干噪声力求消除掉的.1968年。Burch和Tokavski指出[1]。用全息底片将物体表面的随机分布的散斑与物象一起拍摄下来而得到的散斑图。可用来获得物体表面变形(位移)的信息.Archbold, Burch和Ennos等人于1969年利用激光散斑法研究振动问题[2]。并且在1970年成功地进行物体变形的定量分析[3,4].1974年,Evans和Boone等人利用散斑相关原理测量断裂力…     

基于散斑干涉的光滑表面变形快速检测

针对目前光滑表面力学性能测试困难的情况,建立了一种改进的数字激光散斑干涉测量系统。首先通过新的散斑干涉光路设计实现散斑照射,同时采用空间载波傅里叶变换法,对光滑零件加载变形的动态散斑干涉图像进行处理,最后得到光滑表面的变形场分布情况。该方法不对被测表面进行任何处理,可实现光滑表面的高精度全场变形测量。实验结果表明:最大变形处为镜面板的中央,测得最大变形量分别为1.936、1.861和1.797μm,与中心变形预设值接近。该方法光路简单、测量方案切实可行,能够实现光滑表面变形的快速动态测量。     

基于经验小波变换及核概率密度的物体表面变形测量

采用CCD相机采集物体变形前后的散斑图片,利用一维经验小波变换对散斑图片进行逐行分解,获得一系列的固有分量.根据分解后分量的核概率密度函数提出基于核概率密度的自适应降噪法,去除噪声干扰,提取跟变形信息相关的分量并重构,利用重构后的每一行获得变形前后重构散斑图.采用Hilbert法计算重构后散斑图的相位,对变形前后散斑图相位进行相减,根据相位差进行解包裹获得物体表面变形信息.实验结果表明该方法能够有效地对物体表面变形进行测量,且测量精度较经验模态分解提高4倍.     

基于迈克尔逊干涉的傅里叶变换散斑形貌测量技术

提出了电子散斑干涉载频调制测量物体形貌的方法。采用典型的迈克尔逊干涉光路,将物体偏转一微小角度（等效为物面与参考面间形成空气楔）产生等厚干涉,可在物体的表面引入包含物体高度信息的载波干涉条纹。用CCD采集该载波条纹图,利用傅里叶变换法可解调出物体高度的位相信息,从而实现物体的形貌测量。介绍了电子散斑干涉载频调制测量物体形貌的原理,并进行了实物测量,给出了实验结果。由于该方法采用散斑干涉方法测量物体形貌,所以具有灵敏度高的优点。     

利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的方法

为了获得准确的面形测量,提出了一种相移电子散斑干涉技术测量物体面形的测量方法.利用电子散斑干涉产生载波条纹,该载波条纹受到物体表面高度的调制变得弯曲,引起载波条纹相位的变化,可运用相移技术提取物体的相位信息,最后根据高度和相位之间的关系得到物体的面形.介绍了该方法的原理,利用该方法对球冠物体进行了面形测量,证明该方法测量物体面形是可行性的.由于是采用散斑干涉的方法产生干涉条纹,因此该方法测量物体面形具有灵敏度高的优点.     

利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的方法

为了获得准确的面形测量,提出了一种相移电子散斑干涉技术测量物体面形的测量方法.利用电子散斑干涉产生载波条纹,该载波条纹受到物体表面高度的调制变得弯曲,引起载波条纹相位的变化,可运用相移技术提取物体的相位信息,最后根据高度和相位之间的关系得到物体的面形.介绍了该方法的原理,利用该方法对球冠物体进行了面形测量,证明该方法测量物体面形是可行性的.由于是采用散斑干涉的方法产生干涉条纹,因此该方法测量物体面形具有灵敏度高的优点.     

形貌与微变形全场光学同时测量方法

在实际工程应用中,对材料形貌和结构变形等参量的检测是必不可少的,而且往往需要进行多参量同时测量。针对该背景,采用数字散斑干涉与数字条纹投影相结合的测量方法, 设计了一种集成光路,通过在数字散斑干涉实验光路中引入一个投影设备,实现物体表面形貌和微变形的同时测量。所提出的方法具有全场非接触测量的优点,且测量光路简单、操作方便、效率高、可靠性强。该方法的形貌测量分辨率优于10 μm,形变测量分辨率优于30 nm。     

融合散斑干涉技术的阵列式洛伦兹力微颗粒探测方法

提出了一种阵列式洛伦兹力微颗粒探测法,该方法结合了散斑干涉技术的全场位移测量、分辨率高等特性与洛伦兹力微颗粒探测法中探测量为矢量、可探测内部缺陷等优势,探索了一种实时、在线、原位的缺陷检测方法.针对阵列式洛伦兹力微颗粒探测法中阵列式排布的多个悬臂梁位移测量问题,设计了大剪切数字散斑干涉系统,使来自于被测悬臂梁和安装悬臂梁的横梁的反射光发生干涉,形成剪切干涉,通过对相位差进行分析获得悬臂梁的绝对位移,并且以洛伦兹力及悬臂梁末端的位移量为中间量建立了散斑干涉相位差与缺陷体积之间的关系.本文通过实验成功获得了悬臂梁全场位移量以及缺陷的体积,通过散斑干涉的方法测量悬臂梁位移量理论分辨率可达30 nm,这使洛伦兹力微颗粒探测法具备了微米级缺陷的探测能力.