激光散斑法測(cè)量有機(jī)玻璃物體微形變研究

陳秀艷, 周 麗,2, 高 朋, 王中旗

(1. 沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034;2. 北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院, 北京 100192)

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激光散斑法測(cè)量有機(jī)玻璃物體微形變研究

陳秀艷1, 周 麗1,2, 高 朋1, 王中旗1

(1. 沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034;2. 北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院, 北京 100192)

通過設(shè)計(jì)激光散斑干涉測(cè)量系統(tǒng),詳細(xì)分析了激光散斑圖像位相變化,以及有機(jī)玻璃離面微位移與干涉黑條紋序數(shù)和激光波長(zhǎng)的關(guān)系。在激光散斑測(cè)量物體微形變系統(tǒng)中,應(yīng)用物品架旋鈕施加壓力于有機(jī)玻璃,在632.8 nm氦氖激光垂直入射于物品后,物品架旋鈕分別減少6格、2格、2格,有機(jī)玻璃所受壓力隨之減小。在不同壓力作用下有機(jī)玻璃所產(chǎn)生的微形變發(fā)生變化,通過CCD記錄和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡采集物體形變前后產(chǎn)生的激光散斑圖樣,經(jīng)數(shù)值分析與計(jì)算,得到3種壓力下物體的離面位移分別為1 898、1 264和632 nm。得出隨著有機(jī)玻璃施加壓力的變小,離面位移微形變也變小的結(jié)論,為后續(xù)激光散斑壓力傳感器的研制提供了有效參考依據(jù)。

激光散斑; 離面位移; 有機(jī)玻璃

0 引 言

隨著激光技術(shù)的發(fā)展,激光在各領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。其中,現(xiàn)代光測(cè)就是近年來發(fā)展起來的新的激光測(cè)量技術(shù)。當(dāng)激光照射在墻壁、紙張、毛玻璃等這些平均起伏大于波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的光學(xué)粗糙表面(或透過光學(xué)粗糙的透射板)上時(shí),這些表面上無規(guī)則分布的面元散射的子波相互疊加使反射光場(chǎng)(或透射光場(chǎng))具有隨機(jī)的空間光強(qiáng)分布,呈現(xiàn)出顆粒狀的結(jié)構(gòu),這就是散斑[3-4]。散斑計(jì)量技術(shù)在力學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用。

電子散斑干涉法[5]是在現(xiàn)代高科技成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種現(xiàn)代光測(cè)方法,它具有全場(chǎng)、非接觸、高精度和高靈敏度,不避光、不照相、不需要特殊防震、快速實(shí)時(shí)并可在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于振動(dòng)、位移、形變、粗糙度、剛度和強(qiáng)度等的測(cè)量,是無損計(jì)量領(lǐng)域的有效工具。它采用CCD或TV攝像機(jī)采集相干散斑干涉場(chǎng)的光強(qiáng)信息,信號(hào)經(jīng)過光學(xué)或數(shù)字處理后就以條紋圖的形式顯示在圖像監(jiān)視器上。根據(jù)不同的光路布置,所測(cè)得條紋可以代表物體表面的振動(dòng)模式、離面位移、面內(nèi)位移、位移導(dǎo)數(shù)及物體形狀的等值線等[6]。本文基于電子散斑干涉法有機(jī)玻璃的離面位移進(jìn)行了測(cè)量,從而達(dá)到研究有機(jī)玻璃微形變的目的,并為后續(xù)壓力大小與激光散斑壓力傳感器的研制提供了參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 The experimental schematic diagram

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示[7],氦氖激光器(632.8 nm)發(fā)出的激光束經(jīng)過擴(kuò)束與聚焦透鏡、分光鏡后一部分透射到有機(jī)玻璃(被測(cè)物)上再返回,另一部分參考激光束經(jīng)過分光鏡入射到平面鏡后再被反射返回,二者經(jīng)聚焦透鏡最后成像在CCD平面上。參考光束與物光束共軛,產(chǎn)生干涉圓環(huán)。由CCD接收散斑干涉圖后,通過圖像采集卡將物體信息采集入計(jì)算機(jī)。

2 有機(jī)玻璃離面位移微形變研究

當(dāng)激光沿水平方向照射被測(cè)物體時(shí),在外界壓力作用下,物體沿Z方向(即沿與物面垂直方向)產(chǎn)生的形變位移為w。理論上證明,該形變變化導(dǎo)致的物體散斑圖像位相變化為[8]

圖2 位相與離面位移與激光入射角的關(guān)系Fig.2 The relationship of Phase with micro-displacementand the laser's incident angle

式中i為激光束照射物體的入射角,位相變化Δφ與離面位移w成正比,與入射角余弦成正比。從圖2中可以看出,當(dāng)離面微位移為某一固定值情況下,入射角度在[0,2π] 范圍內(nèi)變化時(shí),相位也具有余弦函數(shù)的變化規(guī)律,入射角度為0°即垂直入射時(shí),相位最大;當(dāng)入射角度一定時(shí),離面微位移越大,對(duì)應(yīng)的相位也越大,當(dāng)Δφ為2π的整數(shù)倍時(shí),變化前后的散斑圖完全相同。

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中i=0。通過圖像處理將記錄存儲(chǔ)的變形前散斑圖與變形后的散斑圖相減,得到黑條紋位置。微形變離面位移w與圖像中黑條紋級(jí)數(shù)N成正比,與照射光束的半波長(zhǎng)成正比,如下:

w=Nλ/2

圖3 被測(cè)物品架(內(nèi)有有機(jī)玻璃)Fig.3 Apparatus for the measured object (theorganic glass is in the apparatus)

圖3為散斑測(cè)量裝置中被測(cè)物體物品架的實(shí)物圖。有機(jī)玻璃被放置在圓形物品架中,通過旋轉(zhuǎn)螺旋旋鈕對(duì)有機(jī)玻璃施加不同大小的壓力,導(dǎo)致有機(jī)玻璃發(fā)生形變。通過上述激光散斑干涉儀可以測(cè)量出有機(jī)玻璃沿光路方向上產(chǎn)生的相對(duì)形變大小。

以某一狀態(tài)下螺旋旋鈕為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),此時(shí)有機(jī)玻璃上承受的壓力為F1,在此狀態(tài)基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)螺絲旋鈕,當(dāng)旋轉(zhuǎn)了6格后,有機(jī)玻璃承受壓力為F2時(shí),壓力的減少量即F1-F2的壓力引起的有機(jī)玻璃光軸方向上的離面微形變位移可通過散斑干涉圖像如圖4a所展示出來。對(duì)所得的散斑圖像進(jìn)行邊緣化處理,通過手動(dòng)二值化、點(diǎn)取特征曲線并建立坐標(biāo)系[9],最后進(jìn)行圖像矢量化分析,如圖4b所示.

(a)—散斑圖; (b)—二值化圖。圖4 壓力1時(shí)的散斑圖和二值化圖

通過數(shù)據(jù)采集與分析,得到x-方向和y-方向上物體的離面位移與位置坐標(biāo)的關(guān)系,如表1所示。

表1 壓力F1-F2(旋轉(zhuǎn)6格)時(shí)w-x,w-y數(shù)據(jù)表Tab.1 Data table for w-x,w-y under the pressure F1-F2 (6 latices rotated)

圖5 x與y方向上的離面位移

通過表1w-x、w-y數(shù)據(jù)表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到如圖5所示的物體在x方向與y方向上的離面位移與位置坐標(biāo)的關(guān)系,可以看出,該物體在x方向受力范圍大于y方向的受力范圍。中心處離面位移最大,為1 898 nm。在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步減小物體受力,分別將旋鈕旋轉(zhuǎn)再次旋轉(zhuǎn)2個(gè)格,獲得如圖6和圖7的激光散斑圖。計(jì)算過程同上述計(jì)算過程一樣,算得離面位移分別為1 264 nm、632 nm。根據(jù)物體的離面位移與物體彈性模量、應(yīng)變等物理參量,即可計(jì)算出物體所受壓力值的大小。為后續(xù)進(jìn)一步開發(fā)研究激光散斑壓力傳感器奠定了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),提供了一部分可參考的依據(jù)。

圖6 壓力2時(shí)的散斑圖

圖7 壓力3時(shí)的散斑圖

由上述實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析可得,隨著對(duì)有機(jī)玻璃施加壓力的變小,離面位移也相應(yīng)減小。反之亦然?？梢?該實(shí)驗(yàn)裝置與方法適用于物體形變的精密監(jiān)測(cè)與研究,適合于進(jìn)一步對(duì)激光散斑壓力傳感器的研究。

3 結(jié) 語

在激光散斑理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過對(duì)有機(jī)玻璃施加等比例減小的不同壓力,實(shí)現(xiàn)了激光散斑測(cè)量物體微型變的實(shí)驗(yàn)研究,為后續(xù)激光散斑物體形變測(cè)量壓力傳感器的研制提供了參考依據(jù)。

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Research on micro-displacement of organic glass by laser speckle measurement

CHENXiuyan1,ZHOULi1,2,GAOPeng1,WANGZhongqi1

(1. College of Physical Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 2. College of Instrument Science and Photoelectric Engineering, Beijing Information Technology University, Beijing 100192, China)

In this paper, a laser speckle interference system was designed and used to analyze the phase changes of the laser speckle graphs, the micro-displacement deformation of the organic glass and the relationship between the black interference fringes’ ordinal number and the laser wavelength in detail. In this micro-deformation measurement system, the organic glass was exercised on the pressure by rotating the knob, and the pressure decreased gradually when the knob was rotated by 6 latices, 2 latices and 2 latices respectively with normal incidence of the 632.8 nm laser. As a result, the micro-deformation under the different pressure and the corresponding the speckle graphs before and after pressure applied were recorded by means of CCD and data acquisition card. The micro-displacements were calculated as 1 898 nm、1 264 nm、632 nm respectively under this three conditions. It was concluded that the displacement of the organic glass became larger with the increase of the applied pressure on the organic glass, and offer an effective data for the further research on the laser speckle pressure sensor development.

laser speckle; off-plane displacement; organic glass

2016-05-09。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61603265)。

陳秀艷(1978-),女,吉林白山人,沈陽師范大學(xué)副教授,博士。

1673-5862(2016)04-0445-04

O436.1

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.04.014