專利名稱：云紋干涉載頻調(diào)制測量物體變形場的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及云紋干涉載頻調(diào)制測量物體變形場的方法。
背景技術(shù)：
在物體變形場的測量中，云紋干涉的載頻調(diào)制技術(shù)有重要作用。在云紋干涉中，在被測量物體表面復制光柵(試件柵)，準直對稱光照明試件柵，利用試件柵的一級衍射光的干涉，可以測量物體變形的面內(nèi)位移。云紋干涉法具有靈敏度高、條紋質(zhì)量好、條紋分辨率高、實時觀測及不受材料限制等優(yōu)點，已在斷裂力學、復合材料力學、結(jié)構(gòu)強度及溫度應(yīng)力測試等力學實驗研究方面得到了推廣和應(yīng)用，成功地解決了許多工程實際問題。相移定量測量技術(shù)的引入，極大地提高了云紋干涉測量靈敏度和測量精度，進一步擴展了云紋干涉技術(shù)的應(yīng)用范圍。但是，由于云紋干涉技術(shù)及相移技術(shù)靈敏度都很高，它們對測量環(huán)境的要求都比較嚴格。當測量的環(huán)境條件比較差，沒有較為嚴格的防震條件，或測量的對象本身就是動態(tài)問題，則相移技術(shù)就表現(xiàn)出了局限性，而空間載頻技術(shù)就顯示出了其優(yōu)越性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有云紋干涉載頻調(diào)制技術(shù)的不足，提供一種實現(xiàn)方便、對測量環(huán)境要求低的云紋干涉載頻調(diào)制測量物體變形場的方法。
本發(fā)明的云紋干涉載頻調(diào)制測量物體變形場的方法為在云紋干涉中，根據(jù)照明光入射角度的變化與載波條紋的空間頻率成正比的關(guān)系，通過控制反射鏡的偏轉(zhuǎn)，改變?nèi)肷湓嚰耪彰鞴獾娜肷浣嵌?，引入載波，實現(xiàn)干涉條紋的空間調(diào)制，利用傅立葉方法解調(diào)出物體變形的相位場，進而求出物體的變形場。
以下作進一步說明經(jīng)過載頻調(diào)制以后的云紋干涉條紋可表示成I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos[2πf0x+Δφ(x，y)](1)其中a(x，y)為背景光強，b(x，y)為條紋幅值，b(x，y)/a(x，y)常稱為條紋對比度，Δφ(x，y)為物體變形引起的位相變化，也即待求位相，它們都是空間位置的函數(shù)。f0為載波條紋的空間頻率。
在云紋干涉中，對光束的要求比較嚴格。對稱入射試件柵的二束光是準直的，以相同且滿足光柵衍射方程的入射角度照射試件柵表面?？衫梅乔蛎嫱哥R的面積大、無球差等特點來實現(xiàn)較大面積的均勻地分光。非球面鏡分光后的二束平行光，經(jīng)二反射鏡反射后照射在試件上，其中一個反射鏡可由計算機控制的步進電機驅(qū)動而偏轉(zhuǎn)。
如圖1所示，對稱入射試件的平行光束A的正一級衍射光A+1和B的負一級衍射光波B-1沿試件柵1的表面法線方向傳播，在觀察平面2上形成干涉條紋。當平行光入射光柵表面時，其衍射光的方向由光柵方程(2)給出。
d(sinβm-sinθ)＝mλ (2)其中，d為光柵常數(shù)，θ為入射角度，βm為衍射角，m為衍射級次，λ為入射光波長。一級衍射光的方向與入射角的關(guān)系為sinβ+1=λd+sinθ---(3)]]>若使一級衍射光的方向沿光柵表面法線方向，β+1＝0，則入射角度θ=-sin-1λd.]]>若用633nm的激光器，試件柵頻率為1200線/mm時，入射角應(yīng)該為49.4°。
當入射光角度θ變化微小角度Δθ時，第一級衍射光的方向也發(fā)生變化，為ΔβsinΔβ=λd+sin(θ+Δθ)]]>=λd+sinθcosΔθ+cosθsinΔθ---(4)]]>由于Δβ和Δθ都很小，故cosΔθ≈1；sinΔθ＝Δθ；sinΔβ＝Δβ；并將式(3)代入，式(4)可表示為Δβ=λd+sinθ+cosθ·Δθ]]>=sinβ+1+cosθ·Δθ]]>=cosθ·Δθ---(5)]]>假設(shè)照射試件的二束光的光強相等，二束衍射光可視為平面波。將光束A的入射方向微小改變，入射角度變成θ+Δθ，其衍射光由原來A+1變化為A+1C，傳播方向偏離光柵法線Δβ角度。二衍射波表達式為A1C＝aei(A+kxsinΔβ)B-1＝aeiB(6)其中，a為入射光波的振幅。A、B分別為二衍射波的初始位相，均為常數(shù)。由式(6)可得兩束光相互干涉形成的光強為IC＝(A1C+B-1)(A1C+B-1)*＝2a2[1+cos(ΔAB+kxsinΔβ)](7)其中，AB＝A-B，為初始條紋場的位相。*表示共軛。
試件變形后，衍射波由平面波前變?yōu)槁N曲的曲面波前，表達式為 其中，φA、φB為試件變形而引起的位相變化。由于試件的變形一般是三維的，故相位變化φA和φB與x和z方向上的位移u(x，y)、w(x，y)有關(guān)，即φA=2πλ[w(1+cosθ)+usinθ]]]>φB=2πλ[w(1+cosθ)-usinθ]---(9)]]>此時，觀察到的干涉條紋為I=(Aaft1C+Baft-1)(Aaft1C+Baft-1)*]]> 其中，Δφ為試件變形而引起的兩束翹曲波前的位相差。由式(9)可知Δφ=φA-φB=4πλu(x,y)sinθ---(11)]]>由式(7)可知，由于光束A入射方向的變化，引入了載波條紋。載波條紋受到干涉場初始條紋的干擾。當試件柵制備的非常好，無初始條紋時，ΔAB＝0，載波條紋才為平行于y軸，在x軸上均勻分布的干涉條紋。由式(10)并對照式(1)可以得到載波條紋空間頻率f0與入射光偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系2πf0x＝kxsinΔβ(12)f0=sinΔβλ=Δβλ=cosθλΔθ---(13)]]>由于入射試件柵的光束入射角是一定的，由式(13)可見，載波條紋的空間頻率與入射試件柵光束的傾斜角度Δθ成正比。對變形大小不同的變形場，可方便的通過改變?nèi)肷涔獾膬A斜角度引入不同頻率的載波加以調(diào)制，經(jīng)載波調(diào)制的干涉場，利用傅里葉方法可解調(diào)出物體變形的相位場，進而求出物體的變形場。入射光傾斜角度的改變，可通過反射鏡的偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。
本發(fā)明利用照明光入射角度的變化與載波頻率之間的正比關(guān)系，通過偏轉(zhuǎn)反射鏡改變?nèi)肷湓嚰耪彰鞴獾娜肷浣嵌龋瑢崿F(xiàn)干涉條紋的空間調(diào)制，操作簡便，對測量環(huán)境要求低。


圖1為云紋干涉的載波調(diào)制光路示意圖。
圖2為水平雙光束對稱照射試件得到的載波條紋圖。
圖3為豎直雙光束對稱照射試件得到的載波條紋圖。
圖4為加載后在水平方向上的受調(diào)制的載波條紋圖。
圖5為加載后在豎直方向上的受調(diào)制的載波條紋圖。
圖6為由圖2和圖4經(jīng)傅立葉變換后解調(diào)出的u場的包絡(luò)位相圖。
圖7為由圖3和圖5經(jīng)傅立葉變換后解調(diào)出的v場的包絡(luò)位相圖。
圖8為u場的三維網(wǎng)格圖。
圖9為v場的三維網(wǎng)格圖。
圖中1、試件柵，2、觀察平面。
具體實施例方式
實施例用如圖1所示的光路對簡支梁進行位移場的測量，在防震臺上進行。簡支梁用鋁制成，長為100mm，高度為12mm，厚度為5mm，取跨距為60mm，材料的彈性模量為E＝6.7×104MPa。用633nm的He-Ne激光束平行照射試件柵1，試件柵頻為1200線/mm，入射角為49.4°。當試件柵制備地比較好，初始條紋很少(一至二條)，此時可控制步進電機，使平面反射鏡偏轉(zhuǎn)引入載波。圖2所示為水平雙光束對稱照射簡支梁得到的載波條紋；圖3所示為豎直雙光束對稱照射簡支梁得到的載波條紋。加載后，二載波條紋受物體變形的調(diào)制而發(fā)生彎曲。圖4和圖5分別為加載后在水平和豎直方向上的受調(diào)制的載波條紋。圖6為由圖2和圖4經(jīng)傅立葉變換后解調(diào)出的u場的包絡(luò)位相圖。圖7為由圖3和圖5解調(diào)出的v場的包絡(luò)位相圖。經(jīng)過圖像解包絡(luò)，再根據(jù)相位與位移的關(guān)系式(11)，可將相位分布轉(zhuǎn)換為物體的位移值，圖8和圖9分別為u場和v場的三維網(wǎng)格圖。
權(quán)利要求
1.一種云紋干涉載頻調(diào)制測量物體變形場的方法，其特征是在云紋干涉中，根據(jù)照明光入射角度的變化與載波條紋的空間頻率成正比的關(guān)系，通過控制反射鏡的偏轉(zhuǎn)，改變?nèi)肷湓嚰耪彰鞴獾娜肷浣嵌?，引入載波，實現(xiàn)干涉條紋的空間調(diào)制；利用傅立葉方法解調(diào)出物體變形的相位場，進而求出物體的變形場。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種云紋干涉載頻調(diào)制測量物體變形場的方法。該方法為在云紋干涉中，根據(jù)照明光入射角度的變化與載波條紋的空間頻率成正比的關(guān)系，通過控制反射鏡的偏轉(zhuǎn)，改變?nèi)肷湓嚰耪彰鞴獾娜肷浣嵌?，引入載波；實現(xiàn)干涉條紋的空間調(diào)制；利用傅立葉方法解調(diào)出物體變形的相位場，進而求出物體的變形場。本發(fā)明利用照明光入射角度的變化與載波頻率之間的正比關(guān)系，可方便地通過偏轉(zhuǎn)反射鏡改變?nèi)肷湓嚰耪彰鞴獾娜肷浣嵌葋韺崿F(xiàn)干涉條紋的空間調(diào)制，實現(xiàn)方便、對測量環(huán)境要求低。
文檔編號G01B9/02GK1971208SQ200610070348
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者孫平 申請人:山東師范大學