CN108168441A - 基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统，属于光测力学技术领域。该系统包括激光器、斩波器、CCD相机和分光镜、反射镜、扩束镜，激光器发射激光经分光镜二分为两束，光束一经分光镜二进入斩波器，在斩波器的控制下由反射镜进入扩束镜，扩束后照在物体表面；光束二经分光镜一、反射镜一进入斩波器后经反射镜三通过扩束镜一照射在待测物体表面；光束三经由分光镜一反射进入斩波器，由斩波器控制经由反射镜进入扩束镜，扩束后由分光镜四将光束反射到高速CCD相机中，作为离面位移测量的参考光。本发明将三维测量光路集成在一套光路系统，利用斩波器实现了光路的自动切换，为实时检测动态三维位移提供了准确度较高的方法。

Description

基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统
技术领域
本发明涉及光测力学技术领域，特别是指一种基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统。
背景技术
电子散斑干涉技术是一种基于光测实验力学的测量技术，具有非接触、高精度和高灵敏度的优点，能够快速准确地测量出被测件的位移、应变，并且能够实现全场测量。目前电子散斑干涉检测技术已经成熟应用于单方向位移或应变的检测，对于三维动态的实时检测还存在一定的问题。天津大学唐晨(唐晨，陈明明，苏永钢，李碧原.一种基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统,CN106052565A[P].2016.)等发明了一种基于分光镜的双光路三维散斑干涉系统，利用能量衰减器控制激光能量实现离面和面内位移的测量，但是该系统需要借助长距离显微镜，且不能实时测量三维动态位移。盐城工学院顾国庆(顾国庆，王艳芳，佘斌.一种三维数字散斑干涉同步测量方法及装置，CN105716536A[P].2016.)等人研究了一种三维数字散斑干涉同步测量的系统，需要两个波长不同的激光器，采用光纤进行传输，该技术获得的三个位移分场集中在一张散斑图上，存在相互耦合，因此需要通过后续计算才能分离三个位移分场，这种技术往往会产生较大误差。南京航空航天大学的王开福(王开福,顾国庆.三维数字散斑干涉三场独立、同步和实时测量方法与装置，CN103148798A[P].2013)等人研究了一种三维数字散斑干涉三场独立、同步实时测量方法，该方法采用三个CCD相机进行采集，设备复杂，造价高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统，采用将一束连续激光分成3000Hz的脉冲光分别用于三维检测的原理，实现了对振动物体三维位移、振动频率、振动振幅等的同时测量。
该系统包括激光器、斩波器、CCD相机、分光镜、反射镜和扩束镜，其中，分光镜、反射镜和扩束镜的数量均为一个以上，激光器发射激光经由分光镜将激光分为两束，其中一束光束经分光镜进入斩波器，在斩波器的控制下由反射镜进入扩束镜，扩束后照在物体表面；另一束光束经由分光镜分光后再经过一次分光镜，分成两束光束，其中一束到达反射镜，通过斩波器控制到达另一反射镜，最终通过扩束镜照射在待测物体表面，两次分光后的另外一束光束经由分光镜反射进入斩波器，由斩波器控制经由反射镜进入扩束镜，扩束后由分光镜将光束反射到高速CCD相机中，作为离面位移测量的参考光。
常用系统设置中包括3个分光镜、8个反光镜和3个扩束镜，激光器发射激光经由分光镜二将激光分为两束，光束一经分光镜二进入斩波器，在斩波器的控制下由反射镜四、反射镜六、反射镜七和反射镜八进入扩束镜三，扩束后照在物体表面；光束二经分光镜二后再由分光镜一到达反射镜一，通过斩波器控制到达反射镜三，最终通过扩束镜一照射在待测物体表面；光束三经分光镜二后再由分光镜一反射进入斩波器，由斩波器控制经由反射镜二、反射镜五进入扩束镜二，扩束后由分光镜三将光束反射到高速CCD相机中，作为离面位移测量的参考光。
其中，斩波器控制三束激光交替出现，利用光束一与光束二通过，光束三被挡住实现面内位移的测量；光束一与光束三通过，光束二被挡住实现离面位移的测量。
CCD相机与斩波器的同步由PLL速度控制电路实现。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)本发明采用一个激光器、一个相机的光路系统就可以实现对三维动态位移的测量。与现存的检测三维光路系统相比较，本发明对光路的集成程度高，即只需要一套光路系统就可以解决三个方向的测量；本发明的结构更加简单，所用设备更少，本发明不需要通过增加相机或者增加激光器的方式来获得三维动态位移。
(2)本发明通过使用斩波器将一束激光分成四束实时测量x、y和z方向的位移。本发明使实时测量真正得以实现，不需要手动切换光路。本发明的测量结果将在不同的散斑图上体现，不存在耦合，准确度更高。
该系统可以形成一套可携带，便于运输，少调节，即开即用的设备，极为方便解决检测现场的三维动态振动问题。本发明为解决三维动态实时检测提出了新的思路，利用斩波器实现激光时分复用的方法具有独创性，极大地推动了三维动态检测技术的发展。
附图说明
图1为本发明的基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统光路原理图；
图2为本发明的基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统实施例的集成系统三维模型图，其中(a)为整体外形图，(b)为内观。
其中：1-激光器；2-分光镜一；3-分光镜二；4-反射镜一；5-斩波器；6-反射镜二；7-反射镜三；8-反射镜四；9-反射镜五；10-反射镜六；11-反射镜七；12-反射镜八；13-CCD相机；14-分光镜三；15-扩束镜一；16-扩束镜二；17-扩束镜三；18-光束一；19-光束二；20-光束三。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统。
如图1所示，该系统包括激光器1、斩波器5、CCD相机13、3个分光镜、8个反光镜和3个扩束镜，激光器1发射激光经由分光镜二3将激光分为两束，光束一18经分光镜二3进入斩波器5，在斩波器5的控制下由反射镜四8、反射镜六10、反射镜七11和反射镜八12进入扩束镜三17，扩束后照在物体表面；光束二19经分光镜二3后再由分光镜一2到达反射镜一4，通过斩波器5控制到达反射镜三7，最终通过扩束镜一15照射在待测物体表面；光束三20的经分光镜二3后再由分光镜一2反射进入斩波器5，由斩波器5控制经由反射镜二6、反射镜五9进入扩束镜二16，扩束后由分光镜三14将光束反射到高速CCD相机13中，作为离面位移测量的参考光。
本发明的光路设计中由光束一和光束二对称照射试件，此时通过斩波器叶片的旋转光束一和光束二通过，光束三被挡住，位于试件正前方的相机采集面内位移产生的条纹图即可算出面内位移。当斩波器叶片旋转到另一位置时，光束一作为物光照射到试件表面并由试件表面反射到相机靶面上，光束三作为参考光被分光镜三反射到CCD靶面上，物光和参考光发生干涉产生干涉条纹，通过计算可得到离面位移。当斩波器叶片转到另一个位置时，即可测量y方向面内位移，从而实现了实时检测三个方向的动态位移的功能。
本发明只需相机的曝光时间小于光路切换时间，就可保证相机采集同一张图片时只有一个光路的光进入相机，即根据需要设计斩波器叶片周期即可。本发明的一个实施例设计斩波器转速为100r/s，每周为10个周期，每个周期由x、y和z三个方向共用，故不同光路的切换时间是故相机的曝光时间必须小于0.3ms，本发明的一个实施例证明此时采集到的干涉条纹图效果比较理想。本发明的一个实施例检测的结果通过与双频干涉仪的结果进行比对，x方向的测量误差在1μm左右，y和z方向的测量误差在0.5μm左右，振幅测量误差在0.5μm左右。
如图2所示，是本发明的一个实施例的三维建模图。(a)图是本发明实施例的整体外形图，(b)图是本发明实施例的内观，扩束镜1和扩束镜2可以实现y方向的面内位移的测量，扩束镜3和扩束镜4可以实现x方向面内位移的测量，扩束镜5与扩束镜3和扩束镜4都可实现z方向离面位移的测量，本发明实施例选择扩束镜5与扩束镜3实现测量。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“x”、“y”、“z”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位进行光路搭建，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统，其特征在于：包括激光器(1)、斩波器(5)、CCD相机(13)、分光镜、反射镜和扩束镜，其中，分光镜、反射镜和扩束镜的数量均为一个以上，激光器(1)发射激光经由分光镜将激光分为两束，其中一束光束经分光镜进入斩波器(5)，在斩波器(5)的控制下由反射镜进入扩束镜，扩束后照在物体表面；另一束光束经由分光镜分光后再经过一次分光镜，分成两束光束，其中一束到达反射镜，通过斩波器(5)控制到达另一反射镜，最终通过扩束镜照射在待测物体表面，两次分光后的另外一束光束经由分光镜反射进入斩波器(5)，由斩波器(5)控制经由反射镜进入扩束镜，扩束后由分光镜将光束反射到高速CCD相机(13)中，作为离面位移测量的参考光。
2.根据权利要求1所述的基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统，其特征在于：包括3个分光镜、8个反光镜和3个扩束镜，激光器(1)发射激光经由分光镜二(3)将激光分为两束，光束一(18)经分光镜二(3)进入斩波器(5)，在斩波器(5)的控制下由反射镜四(8)、反射镜六(10)、反射镜七(11)和反射镜八(12)进入扩束镜三(17)，扩束后照在物体表面；光束二(19)经分光镜二(3)后再由分光镜一(2)到达反射镜一(4)，通过斩波器(5)控制到达反射镜三(7)，最终通过扩束镜一(15)照射在待测物体表面；光束三(20)的经分光镜二(3)后再由分光镜一(2)反射进入斩波器(5)，由斩波器(5)控制经由反射镜二(6)、反射镜五(9)进入扩束镜二(16)，扩束后由分光镜三(14)将光束反射到高速CCD相机(13)中，作为离面位移测量的参考光。
3.根据权利要求2所述的基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统，其特征在于：所述斩波器(5)控制三束激光交替出现，利用光束一(18)与光束二(19)通过，光束三(20)被挡住实现面内位移的测量；光束一(18)与光束三(20)通过，光束二(19)被挡住实现离面位移的测量。
4.根据权利要求1所述的基于时分复用的散斑干涉三维动态检测系统，其特征在于：所述CCD相机(13)与斩波器(5)的同步由PLL速度控制电路实现。
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