CN105091769A - 一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，利用光栅结构产生莫尔条纹结构的机理，将物体结构的应变转化为莫尔条纹的形态变化，通过相位解析的方式确定物体结构的应变量。应变测量过程中平行光垂直入射到物光栅标记G1上，光栅经左双远心系统(1)成像在物体结构表面，然后右双远心系统(2)再次将物体结构表面上的光栅像二次成像到检测光栅标记G2位置，两组光栅标记经过空间成像后重叠在一起形成莫尔条纹分布，由于物体的应变将导致莫尔条纹的相位移动，从而通过相位解析算法反推物体应变量。本方法具有测量精度高，工艺适应性强，实用性强，非接触性等特点。

Description

一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法

技术领域

本发明涉及所述的一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，属于光学原理技术在机械工程中的应用领域。

背景技术

随着现代工业产品的快速发展，对产品的三维尺寸测量也显得更加重要，其中也不乏对微纳结构产品测量的需求。而应变测量是材料和结构力学性能测试中的一项基本任务，是了解材料力学载荷等因素作用下的变形，损伤和失效行为的基础，对于确定结构的设计许用值等评估都有重要的意义。通常的电测法有电阻，电容，电感测试法，虽然具有较高的灵敏度和精度，但是只能点测固定方向应变，无法实现全域测量。而光学测量法被广泛用于关于物体形变，位移，形貌等力学和物理参量的检测，具有无损，无接触，全场的特点。利用莫尔条纹相位调制作用来测试应变，精度能够达到纳米级，对于微小形变的测量具有重要意义。

国内专利200910188746.9公布了一种利用碳纳米管膜结构作为应变片的应变测量装置及测量方法，其中一应变片用于夹持并拉伸所述应变片的夹持装置,所述应变片在拉伸方向上产生纵向应变,在垂直于拉伸方向上产生横向应变，以及另一应变片用于测量所述应变片的横向应变的横向应变记录器。该应变测量装置测量应变的方法测量精度较高，但是是接触式的，而且花费比较高。同时国外也有通过白光干涉法的光学应变测量手段，精度高，但是对工作环境要求高，同时测量时间长。

由于在国内外通过光学原理机制来测试物体应变量大多采用光的干涉原理，干涉方法原理比较复杂，测量成本高。寻找一种非接触，精度高，成本低的应变测试手段，对于现在的工业产品评估，特别是产品结构的材料性能评估有很关键的作用。总之，要实现原理简单，成本较低，工程化容易的高精度应变测量方法仍然是目前国内外需要继续突破的难题。

发明内容

为了解决上述难题，本发明设计了所述的一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，可以实现无接触应变量测量，精度可以达到10nm。

本发明采用的技术方案为：一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，应变测量过程中平行光入射到物光栅标记G1上，光栅经双远心系统1成像在物体结构表面，然后双远心系统2再次将物体结构表面上的光栅像二次成像到检测光栅标记G2位置，两组光栅标记经过空间成像后重叠在一起形成莫尔条纹分布，最后被CCD采集系统捕获传送到计算机进行图像处理，通过分析CCD所采集的莫尔条纹相位来确定当前检测物体的应变量。

其中，双远心系统均采用固定倍率1:1成像。由傅里叶光学可知，物光栅经过一个双远心系统将成等比例倒立的像，再次经过第二个双远心系统后所成的像在理想光学系统前提下可以与检测光栅完全重合。

其中，利用物光栅G1和检测光栅G2形成最后的莫尔条纹，通过CCD成像于显示器上，通过公式推导得到应变与莫尔条纹相位移动的关系。

其中，利用微小的物体结构应变可以导致上下组莫尔条纹之间明显移动，产生相位移动变化。通过这一放大作用，检测莫尔条纹的相位移动可以反推物体结构的应变大小，获得较高的精度。

其中，莫尔条纹具有周期放大的功效，更容易测量出应变的大小，但为了满足纳米级检测的要求，仍需要精确的相位解析精度。在莫尔条纹频域分析过程中，需要从数字信号处理的角度分析各种误差的原因以及相应的补偿措施。

其中，进行莫尔条纹测量过程中整体的误差波动都在10nm以内，测量精度可以达到10nm，并且能实现非接触实时测量。

附图说明

图1为物光栅和检测光栅的示意图，其中，图(a)为物光栅标记G1；图(b)为检测光栅标记G2；

图2为被测物体未形变时光栅标记G1、G2重合后形成的理想莫尔条纹；

图3为被测物体不同应变量时仿真得到的四象限莫尔条纹图像，其中，图(a)为形变量是0.5μm时的莫尔条纹图像，图(b)为形变量是1.0μm时的莫尔条纹图像，图(c)为形变量是1.5μm时的莫尔条纹图像，图(d)为形变量是2.0μm时的莫尔条纹图像；

图4为本发明一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图以及理论推导对本发明具体实施方式进行详细说明。

该基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，测量中通过检测上下两组莫尔条纹的相对位移或相移可以获得很高的检测精度。

首先采用530nm的照明光，通过扩束准直镜处理后，再透过光阑，然后将530nm的照明光投射到物光栅G1上。

假设物光栅G1的周期大小为P1，照明光透过物光栅G1后，经过一个双远心系统将成等比例倒立的像，通过左侧的三角反光镜反射到被测物体结构表面上，然后通过物体表面又一次反射到右侧三角反射镜上，这时光路就传递到右侧检测光路中。

当光路传到右侧检测系统中后，同样再一次经过一个双远心系统将成等比例倒立的像，经过检测光栅G2，这样如果理想光学系统前提下就可以与检测光栅G2完美重合，形成莫尔条纹。

通过CCD成像镜头可以得到最后形成的莫尔条纹，通过公式推导可以得出两组光栅标记像重合时形成的莫尔条纹周期为p1·p2/|p1-p2|。当采用周期接近的物光栅和检测光栅，得到的莫尔条纹周期明显有放大左右，一般是物光栅周期的几十倍，也正因为莫尔条纹这一特点，反映了其在精密测量中的优势所在，测量中通过检测上下两组莫尔条纹的相对位移或相移可以获得很高的检测精度。

本发明一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，莫尔条纹的相移，直接与莫尔条纹的横向位移ΔX_moire对应。通过一系列公式推导可以得到莫尔条纹的移动量ΔX_moire与两个光栅标记之间的错位量Δx的关系式，如式(1)所示。

${\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{moire}}=\frac{P_{\mathrm{moire}}}{2\mathrm{\π}}\·-2\mathrm{\π}\frac{p_1+p_2}{p_1{p}_2}\mathrm{\Δx}=-\frac{(p_1+p_2)}{|p_1-p_2|}\mathrm{\Δx}---\left(1\right)$

假设物体应变为Δε，根据物体应变量与两个光栅标记之间的错位量ΔX的关系，可以最终推导得到莫尔条纹的相对移动量与被测物体应变量Δε的关系，如式(2)所示。

${\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{moire}}=-\frac{2(p_1+p_2)\sin \mathrm{\θ}}{|p_1-p_2|}\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(2\right)$

当应变测量精度Δε需要达到10nm以下的检焦精度时，对应的莫尔条纹移动量ΔX_moire的检测精度应该在300nm左右，换算成相位P_moire则需要达到0.01rad以下。即使莫尔条纹具有周期放大的功效，但为了满足纳米级测量要求，仍需要精确的相位解析精度。在莫尔条纹频域分析过程中，多种因素可以影响条纹的相位解析精度，需要采取相应的补偿措施。

莫尔条纹频域分析过程中，汉宁窗对于旁瓣的抑制效果，减小了频谱泄漏所引入的干扰。另一方面，由于汉宁窗较矩形窗主瓣宽度有所增加，因此在频谱的宽度有所增加。综合考虑，汉宁窗在频谱泄漏的补偿方面具有明显优势。本方法采用汉宁窗截取信号进行相位解析。

本方法中，主要的器件包括：530nmLED光源，扩束准直系统，光栅标记，双远心成像系统，需要被测量的物体，CCD成像镜头，CCD以及计算机等。

本发明中，照明光源为LED，波长为530nm，在测试应变过程中，亮度可通过改变调节电路进行灵活变化。

本发明中，双远心成像系统实验中用于物光栅成像的左右两组双远心成像系统参数完全一致，物镜是自主设计加工装调的，主要参数如表1所示：

表1双远心成像系统主要技术参数

放大倍率	1×
		物距	22mm
像距	70mm
		数值孔径	0.16
有效焦深	约20μm
		最小分辨力	小于5μm

本发明中，CCD成像镜头用于莫尔条纹成像的CCD镜头采用灿锐同轴光照明远心镜头(XF-T4X65D)，其主要技术参数如表2所示：

表2CCD成像镜头主要技术参数

光学放大倍率	4×
		分辨力	4.2μm
焦深	200μm
		工作距	65mm
TV失真	0.05％

本发明中，检焦光栅标记利用L-Edit设计了几组不同周期组合而成的光栅标记，所采用的光栅周期组合为p1＝8μm、p2＝10μm。

本发明中，采用4象限的周期光阑，通过物光栅标记G1和检测光栅标记G2产生莫尔条纹。其中物光栅标记G1和检测光栅标记G2结构如图1所示：

本发明中，利用精密位移台调整被测物体的上下位置，同时保证被测物体的水平度。通过精密位移台的调整，形成如图2所示的没有相位移动的理想莫尔条纹。

本发明中，被测物体的应变量将导致莫尔条纹的横向移动，上下条纹相位反向移动，通过公式反推出被测物体的应变量，当被测物体发生形变后导致莫尔条纹的移动，如图3所示，在被测物体发生不同大小形变时莫尔条纹的移动。

基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法,一方面能实现无接触,达到很高的测量精度,另一方面也能节约很多空间,在狭窄的环境中也能正常完成应变测量。

本发明的系统结构如附图4所示，采用530nm照明光源，经过扩束准直系统后透过光阑，照射到物光栅G1(周期为P1)上，经过一个双远心系统将成等比例倒立的像，通过左侧的三角反光镜反射到被测物体结构表面上，然后通过物体表面又一次反射到右侧三角反射镜上，这时光路就传递到右侧检测光路中。

在整个测量系统中，采用中间的采用双远心光路成像光学系统，使得出射光与光轴平行，而且物距像距在一定范围内变化不会影响光学系统的放大倍率。

当光路传到右侧检测系统中后，同样再一次经过一个双远心系统将成等比例倒立的像，经过检测光栅G2(周期为P2)，这样如果理想光学系统前提下就可以与检测光栅G2完美重合，形成莫尔条纹。

通过CCD成像镜头可以得到最后形成的莫尔条纹，通过公式推导可以得出两组光栅标记像重合时形成的莫尔条纹周期为P1·P2/|P1-P2|。

当采用周期接近的物光栅和检测光栅，得到的莫尔条纹周期明显有放大左右，一般是物光栅周期的几十倍，也正因为莫尔条纹这一特点，反映了其在精密测量中的优势所在，测量中通过检测上下两组莫尔条纹的相对位移或相移可以获得很高的检测精度。

本发明一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，莫尔条纹的相移，直接与莫尔条纹的横向位移ΔX_moire对应。通过一系列公式推导可以得到莫尔条纹的移动量ΔX_moire与两个光栅标记之间的错位量Δx的关系式，最后得到莫尔条纹的移动量ΔX_moire与被测物体应变Δε关系式。

为了满足纳米级应变测量要求，仍需要精确的相位解析精度。在莫尔条纹频域分析过程中，多种因素可以影响条纹的相位解析精度，需要采取相应的补偿措施。莫尔条纹频域分析过程中，汉宁窗对于旁瓣的抑制效果，减小了频谱泄漏所引入的干扰。另一方面，由于汉宁窗较矩形窗主瓣宽度有所增加，因此在频谱的宽度有所增加。综合考虑，本方法采用汉宁窗截取信号进行相位解析。

通过计算机采集得到的莫尔条纹图像，利用软件matlab进行处理和分析，得到莫尔条纹的相移大小，最终通过计算公式反推得到被测物体的应变值大小。

本发明中，一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法也有其局限性，就是虽然测量精度高，但是测量范围较小。被测物体发生形变后，当上下两组莫尔条纹再一次重新基本对齐后，当被测物体应变进一步增大后莫尔条纹的错位量将超过1个整数倍周期，直接计算上下两组条纹的错位量无法获得实际的形变量，即应变量超出了莫尔条纹的测量范围。

当两光栅周期接近时，测量范围大约为光栅周期的1/4。如当线光栅周期采用6μm和6.6μm时，所形成的莫尔条纹周期为66μm，测量范围只有1.5μm。所以线光栅周期的增大可以在一定程度上增加莫尔条纹的测量范围。在实际操作中应该根据需求合理选择线光栅周期。

本例中，同时对于双远心光学成像系统的成像精度要求较高，对于两个光阑的参数也需要严格控制在一定误差范围内，对于解析算法也要不断优化，才能不断提高最终测量精度。

Claims (6)

1.一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，其特征是：应变测量过程中平行光入射到物光栅标记G1上，光栅经左双远心系统(1)成像在物体结构表面，然后右双远心系统(2)再次将物体结构表面上的光栅像二次成像到检测光栅标记G2位置，两组光栅标记经过空间成像后重叠在一起形成莫尔条纹分布，最后被CCD采集系统捕获传送到计算机进行图像处理，通过分析CCD所采集的莫尔条纹相位来确定当前检测物体的应变量。

2.根据权利要求1所述的一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，其特征是：双远心系统均采用固定倍率1:1成像，由傅里叶光学可知，物光栅经过一个双远心系统将成等比例倒立的像，再次经过第二个双远心系统后所成的像在理想光学系统前提下可以与检测光栅完全重合。

3.根据权利要求1所述的一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，其特征是：利用物光栅G1和检测光栅G2形成最后的莫尔条纹，通过CCD成像于显示器上，通过公式推导得到应变与莫尔条纹相位移动的关系。

4.根据权利要求1所述的一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，其特征是：利用微小的物体结构应变可以导致上下组莫尔条纹之间明显移动，产生相位移动变化，通过这一放大作用，检测莫尔条纹的相位移动可以反推物体结构的应变大小，获得较高的精度。

5.根据权利要求1、2、3、4之一所述的一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，其特征是：莫尔条纹具有周期放大的功效，更容易测量出应变的大小，但为了满足纳米级检测的要求，仍需要精确的相位解析精度，在莫尔条纹频域分析过程中，需要从数字信号处理的角度分析各种误差的原因以及相应的补偿措施。

6.根据权利要求5所述的一种基于莫尔条纹相位分析的应变测量方法，其特征是：进行莫尔条纹测量过程中整体的误差波动都在10nm以内，测量精度可以达到10nm，并且能实现非接触实时测量。