基于散斑干涉的光滑表面变形快速检测

作者:涂思琪;王永红;孙方圆;高新亚;赵琪涵;闫佩正; 刊名:中国光学 上传者:王振宇

【摘要】针对目前光滑表面力学性能测试困难的情况,建立了一种改进的数字激光散斑干涉测量系统。首先通过新的散斑干涉光路设计实现散斑照射,同时采用空间载波傅里叶变换法,对光滑零件加载变形的动态散斑干涉图像进行处理,最后得到光滑表面的变形场分布情况。该方法不对被测表面进行任何处理,可实现光滑表面的高精度全场变形测量。实验结果表明:最大变形处为镜面板的中央,测得最大变形量分别为1.936、1.861和1.797μm,与中心变形预设值接近。该方法光路简单、测量方案切实可行,能够实现光滑表面变形的快速动态测量。

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1引言随着现代高新科技产业的迅速发展,对产品零件的加工质量要求日益严格。光滑表面由于具有高反射率、无表面破坏层及低粗糙度等优点,在航空航天、精密机械及光学制造等领域有广泛的应用。随着光滑表面零件在精密制造业所占比重的增大,对光滑产品可靠性和力学性能的检测(如变形/应变测量)也变得愈加重要。实现光滑表面力学性能的无损检测是仪器设备使用安全及寿命预测的基础。对于光滑表面的测量,早期多使用接触式测量方法,其中以触针式机械扫描法为代表,该方法优点是测量范围大,精度较高,重复性好,但效率低,探针容易磨损,成本高,且极易在表面留下划痕,不适用于弹性或敏感材料的精密测量[1-2]。在这种情况下,非接触式测量方法被提出,并得到快速发展和完善。R S Wriston等将软X射线衍射技术应用于材料的表面结构分析。该方法需要在真空环境下使用,系统复杂,操作繁琐,且只能测量较光滑表面[3-5]。王英姿、侯宪钦提出使用扫描电子显微镜分析钛合金表面形貌,但这种方法测量耗时长,对某些敏感材料会造成辐射损伤,引起二次损害[6]。王肖沐、肖宇彬研究了扫描探针显微镜在材料微观特性检测中的应用:该方法对测量环境要求高[7],且无法实现大面积测量。高志山、史琪琪将干涉显微镜应用于微观形貌测量,但分辨率受到物镜数值孔径的限制,分辨率仅能达到微米级,无法达到高精度测量要求[8]。以上方法大都属于几何量测量,测量值为高度或形貌,无法直接获取变形/应变等力学性能参数。数字散斑干涉技术能够实现全场高精度变形/应变测量,灵敏度高,在材料缺陷、形貌测量中有广泛应用[9-13],非常适合于材料和结构的力学性能测量。但该技术主要用于粗糙表面的检测,喷漆等增加表面粗糙度的操作,可能会损坏材料表面性能,不适合于光滑表面物体测量。本文提出了一种适用于光滑表面的全场变形测量方法,该方法基于改进的数字散斑干涉技术,同时采用空间载波傅里叶变换法[12],能够实现光滑表面变形的快速动态测量。文中进行了理论分析和光路设计,并组建实验装置进行实验验证,实验结果证明该方法在测量中切实可行。2测量原理光滑表面测量系统结构如图1所示,与传统的数字散斑干涉系统相比,光路中增加了一个透明散射体-毛玻璃。激光通过透明散射体时,在散射体附近的光场中可产生所需的散斑[14]。图1测量系统结构Fig.1 Structure of measuring system激光从激光器中出射后,被分光镜分成两束,分别作为物光和参考光。物光被扩束镜扩束,照射在被测光滑表面上,在光滑表面上发生镜面反射,反射光通过毛玻璃产生散斑,经过成像系统和光阑,最终在CCD靶面上成像。而参考光则由透镜汇聚,经单模光纤传输后,通过合束镜进入CCD,与物光在靶面汇合,形成散斑干涉图像,并被CCD相机记录[15]。设物光为uo(x,y),参考光为ur(x,y),它们可表示为 uo(x,y)=|uo(x,y)|exp[iφ(x,y)]ur(x,y)=|ur(x,y)|exp[-2πifx·x-2πify·y],(1)式中,φ(x,y)为物光相位,fx=sinαxλ,fy=sinαyλ,αx、αy分别为参考光与CCD垂线在水平及竖直方向的夹角,λ为激光的波长。根据干涉原理,CCD相机记录的散斑干涉图像的光强为I(x,y)=uo(x,y)u*o(x,y)+ur(x,y)u*r(x,y)+uo(x,y)u*r(x,y)+ur(x,y)u*o(x,y),(2)进行二维傅里叶变换,得到散斑干涉图像的频域信号[16]:FT{I(x,y)}=U2o+U2r+Uo(fx,fy)U*r(fx

参考文献

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