基于光纤的三维电子散斑干涉测量系统设计

　　1　引　言

　　电子散斑干涉技术(ElectroNIc Speckle Pat-tern Interferometry,ESPI)和数字散斑(图像)相关技术(Digital Speckle CorrelationMethod,DSCM)[1-4]是非接触应力应变测量的重要技术方法。两者相比,DSCM只需要采集图像,易于实现,是目前得到重点关注的方法,但数据处理要求较高;而ESPI装置相对复杂,但数据处理简单、易于实现、精度高[5-12],因此两种技术方法目前都有研究和应用[13-14]。在ESPI方面,2D ESPI仪器开发和应用较多,3D ESPI仪器的开发以德国DANTEC ETTEMEYER公司为代表,已经研制出多种ESPI(2D或3D),可以进行物体的三维变形、应力/应变无损检测等,显示了此技术的实际应用价值。由于此类产品化仪器不多,价格非常昂贵,在实际生产中还未得到充分应用,便携式的3D ESPI仍是需要重点开发的测量仪器。在3DESPI系统中,为了实现3D测量,需要三束光照射物体表面。为了获得这三束光,文献系统多采用分立元件或多个激光器[11,15],系统中元件一般较多,对系统调整和稳定性要求很高。本文利用一分五型光纤进行分光、传光,并将相移技术与电子散斑干涉技术结合,设计了一种3D ESPI系统,可以实现面内和离面测量,并将二者结合在一起,实现物体三维变形的测量。该系统器件少,易于携带。

　　2　基于一分五型光纤的3D ESPI系统设计

　　图1为设计的基于一分五型光纤的3D ES-PI系统。激光器提供激光光源,激光光束经过调整进入光纤耦合器,获得5束光束。光束10由扩束准直器扩束准直后通过遮挡开关进入能量分光镜;光束11和13被放置在水平面内并关于物体表面法线对称照射被测物体,其中光束13的输出端口粘贴有PZT相移器16,以便将相移引入光束13内,构成面内水平方向变形检测系统;光束12和14被放置在竖直面内并关于物体表面法线对称照射被测物体,其中光束14的输出端口粘贴有PZT相移器15,以便将相移引入光束14内,构成面内竖直方向变形检测系统。在光束11、12、13、14的输出端位置分别放置遮挡开关19、20、18、17,控制变形检测的顺序执行。本系统中,光束10作为离面测量时的参考光束,一般采用能充满CCD孔径的平行光束。为了加工方便,一分五型光纤可采用等分光比的,同时为了实现参考光束(图1中光束10)和从物体散射回来的物光强度匹配,可以在参考光路中增加可调衰减片调节光强。

　　本设计的特点是:

　　(1)使用一个激光器提供光源;

　　(2)采用一分五型光纤进行分光、传光,减少系统误差环节,提高系统的稳定性;

　　(3)PZT相移器微动带动光纤沿光纤轴向移动,将相移引入光束中。散斑图像采用“4+1”相移算法进行处理,获得量化变形数据;

　　(4)共用测量面内单方向变形的一对相干光束中的一束引入相移的光束,因此利用两个PZT相移器进行相移的引入,便可满足系统所需的引入相移的光束。

　　(5)通过遮挡开关控制五束分支光纤的开关,将面内变形检测ESPI系统和离面变形检测ES-PI系统整合到同一个坐标系中,完成测量三维变形测量的ESPI系统,可实现一维、二维、三维变形的单独测量。

　　3　3D ESPI系统测量物体变形方法

　　3.1　面内变形的计算

　　在面内水平方向,即X-Z面内,光束11和13对称照射物体,位相与变形关系为:

　　式中,θ为照射光束与物体表面法线夹角,u为面内水平方向的变形,λ为激光波长。

　　在面内竖直方向,即Y-Z面内,光束12和14对称照射物体,位相与变形关系:

　　式中,α为照射光束与物体表面法线夹角,v为面内竖直方向的变形,λ为激光波长。

　　3.2　离面变形的计算

　　在上面的装置中,仍在水平方向通过遮挡开关的控制使光束10和13照射物体,此时,光束10和13构成为离面变形检测系统,则有方程:

　　式中,θ为照射光束与物体表面法线夹角,u为面内水平方向的变形,w为离面方向的变形,λ为激光波长。

　　则三维变形的量化方程组为:

　　4　3D ESPI系统建立

　　图2所示为实际建立的实验系统示意图,图3为相移出射光束的结构示意图,图4为实验系统正视图的照片。

　　在实验中,主要器件包括:台湾敏通公司的MTV-1881EX型CCD摄像机(f=25 mm、F=1∶1.4的CCD镜头),上海激光所的氦-氖激光器(输出波长为632.8 nm,型号为1 000,输出功率≥30 mW(实际输出功率约为24 mW左右),横向模式TEM00),OPTIWORKS(SHANGHAI)CO.,LTD制作的一分五型光纤(各分支光纤的能量接近平均分配),德国大陆公司的PZT相移器(移相范围为10μm,其移相有一定的非线性,因此实验中尽量利用了中、低区,减少移相误差),PZT电源控制器(哈尔滨博实公司提供)。

　　系统在进行变形检测前,要对系统的采集装置和照射光束装置进行调整和标定。因为面内变形检测ESPI系统中,要求保证面内水平和竖直方向上4束照射物体表面的光束分别在竖直平面和水平平面内关于物体表面中心法线两两对称照射物体。因此,调整的目的主要有3点:保证水平方向内2束分支光束关于物体表面中心法线对称、保证竖直方向内2束分支光束关于物体表面中心法线对称、获取需要的尺寸用于入射角度的标定。

　　在系统调整中,以两条直线构成一个平面及等三角形等几何原理为理论依据进行调整(详略)。通过调整,一方面保证了照射光束的对称性,同时获得了式(4)中θ=11.63°,α=30.63°。

　　5　3D ESPI系统实验

　　5.1　表面凹形缺陷检测

　　本文首先采用图5(a)所示木板作为检测样本,样本中的表面有一个凹形缺陷。实验中,采用加热方式使样本变形,连续采集多幅图像,时间间隔为1 s。以第一帧为参考帧,后续散斑图像依次与参考散斑图像进行互相关运算,得到一组有规律的条纹变形图像(对应的是变形相位的正弦函数)。分别取水平、竖直和离面方向的共3幅图像显示缺陷,如图6所示。

　　通过上述图像对缺陷的显示,可以看到,对于缺陷的检测,离面系统的检测最为明显,面内系统的检测由于面内变形较小,根据条纹变形对缺陷检测不是很明显。

　　5.2　物体三维变形测量

　　本文选择图5(b)所示不锈钢板作为测试样板。实验中,给样本中央以顶球形式施加力。系统分别在变形前通过面内水平(X方向)、竖直(Y方向)、离面(Z方向)三方向的变形检测系统,采用四步相移采集4幅散斑图像,在被测样本受力后,再通过3个系统分别采集多幅散斑图像,利用“4+1”相移算法进行数据处理[16],得到的变形包裹位相数据(对应的是变形相位的反正切函数)如图7所示;

　　将图7所对应3组面内变形数据统一到同一坐标系中用向量表示,结果如图8所示。将X、Y、Z三方向的变形整合到同一坐标系内,则可以得到物体的三维变形曲面,如图9所示,离面变形近5μm。

　　6　结　论

　　设计的3D ESPI系统采用一分五型光纤进行分光、传光,将激光束直接分为5束分支照射光束,仅一套光纤调整装置,使系统调整更加方便、光路布置更加简单;将PZT相移器粘贴于光纤出口端,通过驱动PZT的微动直接带动光纤移动引入相移,简单、方便;由于一分五型光纤的使用和PZT相移器的合理应用,加上光纤的柔性特点,使光路调整变得简单易操作;利用遮挡开关控制变形检测的顺序,快捷、方便,可实现1D、2D、3D变形的单独测量;若控制好遮挡开关响应速度和采集图像的时间差,可以实现动态3D变形的测量。系统中,最好采用保偏一分五型光纤,以防止光纤弯度过大,引起输出光斑变化,即模式变化;测量过程中,光纤不易大幅度移动,以防输出光束产生移动。同时,系统测量结果的对比和系统的进一步优化是下一步工作重点。

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　　作者简介:周文静(1975-),女,江西人,博士,讲师,主要研究方向为数字显微全息技术。E-mail:lazybee@shu.edu.cn