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专利名称：散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种三维变形测量系统及方法，尤其涉及一种散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统及方法。
背景技术：
由I Yamaguchi、W. H. Peters和W. F. Ranson等人提出的数字散斑图像相关方法(Digital Speckle Correlation Method, DSCM)在材料力学、断裂力学、生物力学、现场实时测量、微尺度变形场测量、电子封装以及动态位移及变形测试等众多应用领域都展示了其适用性和优越性。数字散斑图像相关技术通过记录物体变形前后的图像并运用一定的图像相关搜索算法得出物体的位移和变形，具有原理简单、光路简单、非接触、对测量环境要求低等优点。近年来，一些现代的数学理论和数学方法逐渐被引入到该方法中，其测量精度逐步的提高，例如运用亚像素搜索算法可获得亚像素位移。亚像素算法有很多种，主要有相·关系数拟合法、Newton. Raphson(N-R)迭代法、基于梯度的方法等。与其他方法相比，梯度法具有抗噪能力较高、计算量小、精度较高等优点，在位移小时比较稳定。目前，DSCM应用的领域正逐渐从常规材料的测试向一些新型材料测试、从宏观场逐渐向细微观尺度、从常规环境向比较恶劣的环境、从实验室测试逐步向工程现场应用、从静态准静态向动态准动态等方面发展。由于方法本身所具有的局限，单光束照明的散斑相关方法只能测量面内位移。科研人员正通过将DSCM与其他测量技术结合或通过三维散斑相关的方法测量三维位移。将DSCM与立体摄影技术或双目测量技术相结合，可以测量三维位移场。例如清华大学姚学锋教授提出的立体摄影术与数字散斑相关方法相结合用于研究三维变形�。恍换菝窠淌谔岢龅乃咳稚呦喙夭饬咳湫魏腿嫘渭际�。将DSCM与针孔摄像技术相结合，东南大学何小元教授提出了数字图像相关与针孔摄像机成像模型相结合测量三维物体位移方法。通过三维散斑相关的方法，中国科大伍小平院士、胡小方教授等利用模拟实验获得了物体内部三维位移场。利用电子散斑干涉(ESPI)方法可以测量物体的三维位移，具有非接触，全场测量，精度高的优点。电子散斑干涉技术是基于参考光和物光在CCD靶面上产生散斑干涉进行测量的。因此，三维散斑干涉往往光路比较复杂。复杂的光路增加了测量系统不稳定性，降低了测量精度。将DSCM与散斑干涉相结合，也可以测量三维位移场。张青川教授采用二套光路，对试件正面采用散斑相关测量，对试件的反面采用散斑干涉测量，实现了三维位移场测量。该方法是对试件的不同表面测量，不是同一个表面的三维变形。周灿林教授等把散斑相关和电子散斑干涉结合起来测量变形，采用的是典型的散斑相关光路，首先对散斑干涉四步相移所采集的散斑干涉图像进行处理，然后对处理过的图像进行散斑相关计算，从而获得三维变形场。所用的原理则很复杂，图像处理过程也很复杂，利用散斑相关计算面内位移时不是直接得到所需的散斑图，而是由变形前后采集的相移图像经过处理得到，实际操作中很难获得三维变形场的数值。

发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统及方法，它利用典型的对离面位移敏感的迈克尔逊散斑光路，通过控制光路中的参考光，实现散斑相关测量物体的面内位移和散斑干涉测量离面位移，实现了三维位移测量，该方法具有光路简单、操作和数据处理简单快捷的优点。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统，激光器发出的激光送入扩束镜；扩束镜后方设有与入射光线成45°角倾斜放置的半透半反镜，半透半反镜的反射光照射到被测物，透射光则照射到参考物面，参考物面与PZT相移器连接构成参考相移光路；被测物的散斑图像经过半透半反镜由成像透镜成像在CXD摄像机上，利用被测物变形前后的两幅散斑图，计算出面内位移的二个分量；在参考光路工作时被测物表面的散斑图像与·参考物面的散斑图像形成干涉散斑图像，并由成像透镜成像在CCD摄像机上，测量物体离面位移分量。一种采用散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统的测量方法，它通过控制参考光路，将数字散斑相关和散斑干涉结合起来测量物体的三维变形；具体过程为首先在无参考光路的参考激光时采集一幅被测物变形前的散斑图；然后加入参考光路的参考激光实现散斑干涉；加载使被测物变形，结合相移技术测量被测物离面位移；最后去掉参考激光再采集一幅被测物变形后的散斑图；对被测物变形前后散斑图进行散斑相关运算，得到二维面内位移分量，从而实现三维变形测量。本发明的具体步骤是步骤一参考物面的反射光构成参考光；在无参考光时，利用CCD采集被测物变形前的散斑图；步骤二 加入参考光路的参考光，实现数字散斑干涉；步骤三加载使被测物变形，结合四步相移技术测量被测物离面位移w�。徊街杷娜サ舨慰脊猓焕肅CD采集被测物变形后的散斑图；步骤五结合步骤一的被测物变形前的散斑图和步骤四的被测物变形后的散斑图，对被测物变形前后散斑图进行散斑相关运算，得到二维面内位移分量U、V场。所述步骤三中离面位移为垂直于物体表面方向的位移w�。咛宀饬抗涛莨獠ㄏ辔槐浠胛锾灞湫沃涞墓叵�
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采用已有的相移技术，计算物体变形相位A炉，进而得出离面位移w场。所述步骤五的具体步骤为所述二维面内位移分量为水平方向位移分量U和竖直方向位移分量V，散斑相关计算利用公式(1)，
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图I为光学测量系统图；图2为未变形时的散斑图像；图3为变形后的离面干涉条；图4为变形后的散斑图像；图5为物体变形后的三维位移分量，水平方向u场图；图6为物体变形后的三维位移分量，垂直方向V场图；图7为物体变形后的三维位移分量，离面位移w场图；图8为本发明的流程图。其中，I.激光器，2.扩束镜，3.半透半反镜，4.被测物，5.参考物面，6. PZT相移器，7.成像透镜，8. CXD摄像机。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。图I中，一种散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统，它包括测量物体面内变形分量的散斑相关光路和测量离面位移分量的散斑干涉相移光路；激光器I发出的激光扩束后通过半透半反镜3分别照明被测物面4和参考物面5。半透半反镜3与入射光成45°角倾斜放置。物面4的反射光透过半透半反镜3，参考物面5的反射光在半透半反镜3上反射，二束光经过成像透镜7后会聚在CXD摄像机8上。实验光路如图I所示，试件为有机玻璃简支梁，长150. 0mm，高19. 5mm，厚18. 5mm。在简支梁表面涂以水性涂料，以增强其反射率，整个实验装置放置在防震平台上进行。用He-Ne激光器I作为光源，光束经扩束镜2扩束后照射在简支梁表面上。由半透半反镜3(BS)分出的另一束光作为参考光。实验时，如图8所示的流程图，首先挡住参考光采集一幅简支梁未变形时的散斑图像，如图2所示；然后加上参考光，实现电子散斑干涉；采集物体散斑干涉图像并实时相减，期间对简支梁进行加载，可以观察到物体离面位移条纹，如图3所示；使用PZT相移器6实现等相移并采集散斑干涉条纹图；最后，挡住参考光，再次采集简支梁变形后的散斑图像，如图4所示。所述二维面内位移分量为利用公式(I)
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权利要求
1.一种散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统，其特征是，激光器发出的激光送入扩束镜；扩束镜后方设有与入射光线成45°角倾斜放置的半透半反镜，半透半反镜的反射光照射到被测物，透射光则照射到参考物面，参考物面与PZT相移器连接构成参考光路；被测物的散斑图像经过半透半反镜由成像透镜成像在CXD摄像机上，利用被测物变形前后的两幅散斑图，计算出面内位移的二个分量；在参考光路工作时被测物表面的散斑图像与参考物面的散斑图像形成干涉散斑图像，并由成像透镜成像在CCD摄像机上，测量物体离面位移分量。
2.一种采用权利要求I所述的散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统的测量方法，其特征是，它通过控制参考光路，将数字散斑相关和散斑干涉结合起来测量物体的三维变形；具体过程为首先在无参考光路的参考激光时采集一幅被测物变形前的散斑图；然后加入参考光路的参考激光实现散斑干涉；加载使被测物变形，结合相移技术测量被测物的离面位移；最后去掉参考激光再采集一幅被测物变形后的散斑图；对被测物变形前后散斑图进行散斑相关运算，得到二维面内位移分量，从而实现三维变形测量。
3.如权利要求2所述的散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统的测量方法，其特征是，具体步骤是 步骤一参考物面的反射光构成参考光；在无参考光时，利用CCD采集被测物变形前的散斑图； 步骤二 加入参考光路的参考光，实现数字散斑干涉； 步骤三加载使被测物变形，结合四步相移技术测量被测物离面位移w场； 步骤四去掉参考光；利用CCD采集被测物变形后的散斑图； 步骤五结合步骤一的被测物变形前的散斑图和步骤四的被测物变形后的散斑图，对被测物变形前后散斑图进行散斑相关运算，得到二维面内位移分量U、V场。
4.如权利要求3所述的散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统的测量方法，其特征是，所述步骤三中离面位移为垂直于物体表面方向的位移w场具体测量过程为 根据光波相位变化与物体变形的相位关系
5.如权利要求3所述的散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统的测量方法，其特征是，所述步骤五的具体步骤为所述二维面内位移分量为水平方向位移分量u和竖直方向位移分量V，散斑相关计算利用公式(1)，
全文摘要
本发明涉及一种散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统及方法，它包括激光器，激光器发出的激光扩束后经过半透半反镜，分别照明被测物体和参考物面，被测物面和参考物面同时经过半透半反镜由成像透镜成像在CCD摄像机的靶面上，半透半反镜相对于入射光线成45°角倾斜放置，有参考光路时，在CCD摄像机的靶面上物面散斑和参考面散斑相互干涉，形成干涉散斑图像，测量离面位移分量。去掉参考物光路，采集物面上的散斑图像，利用变形前后的两幅散斑图，计算出面内位移的二个分量。它利用典型的对离面位移敏感的数字散斑光路，实现散斑相关测量物体的面内位移和散斑干涉离面位移，实现三维位移测量，具有光路简单、操作和数据处理简单快捷的优点。
文档编号G01B11/16GK102788558SQ201210266670
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月30日 优先权日2012年7月30日
发明者孙平, 孙明勇 申请人:山东师范大学