電子散斑干涉法測量金屬表面受熱變形的相關(guān)物理特性探究

彭小蘭，王紅成，張紹強(qiáng)

（東莞理工學(xué)院，廣東東莞523808）

電子散斑干涉法測量金屬表面受熱變形的相關(guān)物理特性探究

彭小蘭，王紅成，張紹強(qiáng)

（東莞理工學(xué)院，廣東東莞523808）

首先簡要介紹了激光電子散斑干涉測量的原理和激光散斑的物理特性,基于這一基本原理搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬受熱形變的測量,在現(xiàn)有條件下提出了對(duì)測量光路的改進(jìn)，并依據(jù)該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)了檢測零件面對(duì)面的平行度方法.

激光電子散斑；物理特性；標(biāo)準(zhǔn)偏差

1 引言

隨著航空航天技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、激光微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等新技術(shù)的快速發(fā)展，要求機(jī)械加工的精度也越來越高，由此形成了一門新的制造系統(tǒng)工程——精密工程.在這一制造系統(tǒng)工程中，測量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精密加工的前提和基礎(chǔ).在此背景下，如何準(zhǔn)確測量由于金屬表面受到各種外來因素影響造成的形變具有重大實(shí)用價(jià)值.隨著計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用，激光電子散斑術(shù)也就應(yīng)用而生，它較傳統(tǒng)測量方法而言的優(yōu)勢是，它把散斑技術(shù)、激光干涉技術(shù)、圖像處理技術(shù)結(jié)合起來,利用高精度的計(jì)算機(jī)圖像采集和處理系統(tǒng)來測量和采集干涉圖樣.電子散斑干涉技術(shù)是在激光、視頻、電子及數(shù)字圖像處理等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的現(xiàn)代光測技術(shù)，在非接觸條件下能夠測量物體表面微小形變，具有高精度、全視場、實(shí)時(shí)測量等特點(diǎn).

本文通過對(duì)一些激光散斑實(shí)驗(yàn)的觀察，綜合其特有的物理特性結(jié)合相關(guān)公式進(jìn)行驗(yàn)證推導(dǎo)，為下一步進(jìn)行平行度的檢測提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論依據(jù)，也可以以此繪制出CCD接收散斑干涉圖利用圖像采集卡對(duì)圖像進(jìn)行采集，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行一系列圖像處理，最終得出了物體表面形變的三維圖形.

激光散斑的實(shí)驗(yàn)原理及散斑的物理特性

電子散斑干涉技術(shù)就是利用被測物體光學(xué)粗糙表面所形成的散射光與參考光之間的干涉進(jìn)行測量，當(dāng)激光照射在被測物體表面時(shí)，其散射光在探測器CCD表面的光場分布為：

電子散斑干涉技術(shù)與全息干涉技術(shù)類似，需要一束參考光.設(shè)參考光在探測器表面的光場分布為：

這兩束光發(fā)生干涉，設(shè)干涉圖樣在CCD表面上形成光強(qiáng)：

在外界因素的影響下，被測物體發(fā)生形變，其表面各點(diǎn)的散斑場振幅基本保持不變，而相位將改變?yōu)椋瓷⑸涔鈭龇植甲優(yōu)椋?/p>

保持被測物體變形前后參考光波不變.則變形后的CCD面上的合成光強(qiáng)為：

現(xiàn)在最常用的電子散斑條紋圖生成方式是相減模式，它有許多采用相加模式不具備的優(yōu)點(diǎn)，本文采用相減模式處理散斑圖，即相減后的光強(qiáng)度為：

經(jīng)過相減處理后得到的光強(qiáng)是含有高頻載波項(xiàng)的低頻條紋.該條紋中含有被測物體的形變信息.

光波的相位變化與被測物體的形變關(guān)系為：

其中是激光波長，θ是激光與物體表面法線所成的夾角，是被測物體形變時(shí)產(chǎn)生的離面位移，是物體形變時(shí)產(chǎn)生的面內(nèi)位移.

一般情況下，照明角度較小，即，所以這種單光束照明所產(chǎn)生的電子散斑干涉對(duì)被測物體的離面位移比較敏感，而對(duì)其面內(nèi)位移不敏感.

設(shè)物體的離面形變?yōu)?，相?yīng)的相位改變?yōu)槿绻麜r(shí)，變化前后的散斑圖像完全相同.于是對(duì)于第n級(jí)暗條紋，這樣就可以測得物體形變的離面位移，相鄰兩暗條紋之間所對(duì)應(yīng)的物體離面位移即相關(guān)條紋的靈敏度為W=λ/2.

電子散斑干涉法的實(shí)驗(yàn)原理見下圖1：

圖1 ESPI測量光路圖

用高相干光照射物體的光學(xué)粗糙面，空間中會(huì)產(chǎn)生激光散斑.而在像平面和衍射面內(nèi)的激光散斑，隨機(jī)場的分布在時(shí)間上是穩(wěn)定的，所以它只是空間坐標(biāo)的函數(shù).

散斑圖的襯比度C定義為光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均強(qiáng)度的比值，即：

而散斑光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差等于其自身的均值，所以：

也就是說，散斑圖的襯比度恒等于1，即觀察散斑圖樣時(shí)，明暗條紋對(duì)比是十分明顯的.以上分析是在不考慮各種干擾的情況下得到的結(jié)果.根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的規(guī)律，散斑的反差取決于被測物體表面的粗糙度和照明光束的相干性，數(shù)值是可能達(dá)到單位1.

是否采用散斑測試方法進(jìn)行測量取決于被測物體的最小粗糙度，光學(xué)平面的反射不會(huì)產(chǎn)生任何散斑，而量規(guī)卻能形成可見的并且具有一定對(duì)比度的激光散斑.其散射面的均方粗糙度為:

式中為散射面中各采樣點(diǎn)的高度，為散射面的平均高度.在觀察平面上的平均散斑對(duì)比度為散斑為:

上式中，表示各采樣點(diǎn)的散斑強(qiáng)度，表示平均散斑強(qiáng)度.當(dāng)時(shí)，散斑對(duì)比度接近于極大值(p=l)，并保持為常數(shù).

平均直徑σ可以表示散斑顆粒的大小，而散斑顆粒尺寸必須嚴(yán)格定義，即相鄰兩個(gè)散斑顆粒之間距離的統(tǒng)計(jì)平均值，客觀散斑的大小由激光波長λ和被測物體粗糙表面上圓形照明區(qū)域?qū)υ撋叩目讖浇铅趟鶝Q定，其表達(dá)式為：

我們研究的重點(diǎn)是主觀散斑，根據(jù)成像關(guān)系，物平面的主觀散斑σ的大小由成像透鏡焦距與孔徑之比F（即光圈數(shù)）和成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)M所決定，其表達(dá)式：

由公式可知散斑的大小與物體表面的粗糙程度無關(guān)，而與系統(tǒng)參數(shù)和所使用的光的波長有關(guān).

用完全相干的激光光束照射物體的粗糙表面時(shí)，其散射波相位的分布是無規(guī)則的，并且在同一平面產(chǎn)生偏振.可以推導(dǎo)這些電子散斑強(qiáng)度分布的概率密度函數(shù)：

式中表示散斑強(qiáng)度在與之間的概率密度，為散斑強(qiáng)度的概率平均值.

這種雜亂的隨機(jī)散斑圖稱為正態(tài)分布散斑圖，其強(qiáng)度分布遵循負(fù)指數(shù)概率密度函數(shù)，這說明最可能出現(xiàn)的強(qiáng)度近似等于零，因此正態(tài)散斑圖像中黑散斑比其它強(qiáng)度的散斑要多.在1974年Mckechine通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)論.

通過分析可知，本實(shí)驗(yàn)改變了實(shí)驗(yàn)光路中的參數(shù)，定性觀察了由此造成的散斑圖的對(duì)比度，與理論預(yù)期基本相符.

〔1〕郭霏.基于電子散斑干涉術(shù)的位移測量.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

〔2〕秦玉文，戴嘉彬，陳金龍.電子散斑法的進(jìn)展.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1996，11(4)：410—416.

〔3〕數(shù)字剪切散斑干涉術(shù)中的剛體位移補(bǔ)償?shù)男路椒?光學(xué)學(xué)報(bào)，1995，15(5)：571—575.

TG115.2

A

1673-260X（2013）08-0004-02

東莞理工學(xué)院教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目資助（201203，20120512）