[实用新型]基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学测量技术领域，具体涉及一种数字散斑干涉测量装置。

背景技术

数字散斑干涉技术和剪切数字散斑干涉技术是两种基于激光散斑干涉技术的全场、非接触、高精度、高灵敏度的光学测量技术。前者广泛应用于物体表面的变形测量、振动分析、形貌测试和缺陷检测等，而后者可直接测量物体变形的斜率，主要应用于工业无损检测领域。整合数字散斑干涉技术和剪切数字散斑干涉技术开展物体变形及其斜率信息的同步测量研究，对于解决具有相对较大变形和相对较小斜率物体的内部缺陷无损检测问题显得较为方便，这也为实现工程结构中不同类型缺陷的无损检测提供了多种选择。

目前基于数字散斑干涉技术的物体变形及其斜率同时测量方法主要分成三类：第一类是多孔径剪切数字散斑干涉技术，该技术需针对不同测试对象制作专门的多孔径模板，光路系统较为复杂，且获得的变形及其斜率信息相互耦合，并不独立；第二类是迈克尔逊式剪切数字散斑干涉技术，该技术获得的载频变形信息和斜率信息相互耦合，不独立，需在频域中设置适合的频率窗口将其进行后期分离。这种技术虽适合变形及其斜率信息的动态测量，但测量精度不高；第三类是数字散斑干涉技术与剪切数字散斑干涉技术的组合，该技术虽能独立获得变形及其斜率信息，但不能实现变形及其斜率信息的同步测量。

综上所述，已有技术均不能实现变形及其斜率信息的同步、独立和高精度测量，因而严重阻碍了数字散斑干涉测量技术的发展和应用。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置，能够实现被测物体离面变形及其斜率信息的同步、独立和高精度测量，使测量装置结构简单、测量方法便捷。

技术方案：本实用新型提供了一种基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量装置，包括激光发射器、第一分光棱镜、第二分光棱镜、单色CCD相机、平面镜、侧面全反直角三棱镜、透镜、压电陶瓷相移器和计算机；

所述激光发射器发射的激光经第一分光棱镜分成反射光及透射光，分别对应参考光路和物光路，其中，透射光经平面镜反射到被测物体表面，沿光轴对称布置有两面平面镜，两面平面镜的连线中点上设有侧面全反直角三棱镜，其中一面平面镜的背面设有压电陶瓷相移器且其中一面平面镜与侧面全反直角三棱镜之间设有光学开关，被测物体表面散射的物光被两面平面镜反射依次通过沿光轴方向上布置的侧面全反直角三棱镜、透镜及第二分光棱镜进入到单色CCD相机成像靶面；此外，激光经第一分光棱镜分成的反射光经光学开关及第二分光棱镜也投射到单色CCD相机成像靶面上；

所述单色CCD相机通过图像采集卡与计算机连接，所述压电陶瓷相移器通过直流稳压电源与计算机连接。

进一步，沿光轴对称布置的两面平面镜之间的距离可调，通过改变物光接收的角度，从而调整系统的测量灵敏度。

进一步，所述计算机控制压电陶瓷相移器驱动平面镜平移微小距离产生相移，光程差的改变导致相位的变化，可提高物体表面变形及其斜率的测量精度。

一种基于数字散斑干涉的变形及斜率同步测量方法，包括以下步骤：

(1)被测物体加载变形前，打开两个光学开关，单色CCD相机采集数字散斑干涉图像作为参考图像；

(2)被测物体加载变形后，单色CCD相机采集变形后数字散斑干涉图像，并与参考图像进行实时相减，得到实时的耦合数字散斑干涉条纹图；

(3)打开参考光路中的光学开关，并关闭一支物光路中的光学开关，使得整个系统成为数字散斑干涉系统，实现被测物体表面离面变形的全场测量；打开一支物光路中的光学开关，并关闭参考光路中的光学开关，使得整个系统成为剪切数字散斑干涉系统，实现被测物体表面离面变形斜率的全场测量；

(4)通过光学开关在数字散斑干涉光路和剪切数字散斑干涉光路之间切换，并利用计算机控制压电陶瓷相移器同步采集多幅具有等相移量的数字散斑干涉条纹图和剪切数字散斑干涉条纹图；

(5)利用相移技术解调被测物体的变形和斜率信息包裹相位图，并对其进行相位解包裹处理，得到两幅连续分布的相位图；

(6)利用两幅连续分布的相位图分别计算出被测物体的变形和斜率信息。

进一步，被测物体表面变形及其斜率分别表示为：

式中，λ为所用激光的波长，θ为接收物光与光轴的夹角，Δ_x为被测物体沿x方向的物面剪切量，δ_w对应被测物体表面离面变形的相位分布，δ_x对应被测物体表面离面变形斜率的相位分布。