CN107883889B - 基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置，其特征在于：包括高速相机1、激光器2、斩波器7，激光器2发出的光经分光镜A3分出光束A，后又经分光镜B4分出光束B，后又经分光镜C5分成光束C和光束D。斩波器7通过电机带动圆形叶片绕中心轴旋转，5个出光口一组，每组间隔90°，且∠A＝∠B＝∠C＝15°其中光束A为x向和z向的共用光束，经X1出光口出射；光束B为z向测量光束，经Z出光口出射；光束C为y向测量光束，经Y出光口出射；光束D为x向测量光束，经X2出光口出射。

Description

基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置及方法

技术领域

本发明属于测量装置领域，具体涉及一种基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置及方法。

背景技术

目前振动试验的测量，主要限于单点位置测量，由于测量方法的关系，全场变形测量多为静态测量。主要有以下几种：通过激光测振仪实现单点单方向的动态测量；通过应变片实现单方向变形的静态及动态测量；通过相位散斑干涉实现的静态测量。

激光测振仪大多采用外差测量技术，是基于激光多普勒原理通过测量物体表面反射回的激光光波的多普勒频移进而确定该测点的振动速度。由于该方法的测量光是点光源，而且只敏感光束传播方向的速度，因此只能实现单点单方向的测量，不能实现全场三维变形的测量。

应变片的工作原理是基于金属丝的电阻应变效应,即金属丝电阻随机械变形而改变的物理现象，通过应变片进行变形量测量时，通过测量线路将电阻的变化再转换成电压或电流的变化。该方法同样是只能实现其敏感方向的应变场，所以无法实现全场三维测量。

相位散斑干涉测量基于激光散斑干涉原理，并通过压电陶瓷(PZT)相移器施加附加相位，采用多步相移法计算物体变形相位，通过变形量与相位的对应关系可得出应变场，该方法采用多步相移法，因此采集多个时刻的图像才能够解算一幅应变场，只能实现静态测量。

但振动试验中提出需要对被测件在振动过程中的全场三维形变进行测量，在变形场测量的基础上,可以对试件进行应变、应力分析以及强度和刚度分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置及方法,克服现有技术手段在振动变形测量上的缺陷，改进散斑干涉测量方法，利用双次曝光法、搭建三维散斑干涉光路、采用斩波器实现光束分时选通，实现振动条件下三维形变场的快速测量。

本发明的技术方案如下：一种基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置，包括高速相机、激光器、斩波器，建立坐标系，其中z向为垂直于高速相机的方向，指向高速相机为正；x向为水平方向，y向由右手法则确定；原点为被测件的表面中心，光器发出的光经分光镜A分出光束A，后又经分光镜B分出光束B，后又经分光镜C分成光束C和光束D，其中，

光束A为x向和z向共用的测量光，后又经斩波器、反光镜F、反光镜G、反光镜H、反光镜I、扩束镜C投射到被测件表面，经漫反射由高速相机成像；

光束B为z向的测量光，后又经斩波器7、反光镜E13、反光镜C11、扩束镜B投射到被测件表面，经漫反射由高速相机成像；

光束C为y向的测量光，后又经斩波器、反光镜B，投射到垂直方向，经水平光路分光后得到光束C投射到反光镜B8上，光束C由分光镜D分为光束E和光束F，光束E经反光镜J、扩束镜D投射到被测件表面；光束F经反光镜K、扩束镜E投射到被测件表面。两束光在被测件表面形成散斑干涉，由高速相机成像；

光束D为x向的测量光，后又经反光镜A、斩波器、反光镜D、扩束镜A投射到被测件表面，经漫反射由高速相机成像；

斩波器7通过电机带动圆形叶片绕中心轴旋转，5个出光口一组，每组间隔90°，且∠A2＝∠B2＝∠C2＝15°其中光束A为x向和z向的共用光束，经X1出光口出射；光束B为z向测量光束，经Z出光口出射；光束C为y向测量光束，经Y出光口出射；光束D为x向测量光束，经X2出光口出射。

所述斩波器电机的旋转速度设计为100r/s，则每秒400次循环测量，高速相机的采样速度为400×3＝1200fps。

所述激光器采用532nm的单纵膜Nd：YAG激光器

高速相机用于采集散斑图像。

一种基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：打开测量装置对被测试验件进行测量，从物体上返回的物光u₀和直接进入高速相机的参考光u_r在高速相机靶面上形成干涉散斑场，采集相邻两个瞬间的干涉散斑场，它们分别为I₁，I₂：

以上两式中，u代表光场的复振幅，I代表光强，

则代表位相，各个下标相分别表示测量光(o)，参考光(r)，两幅干涉图的序号(1,2)，

为物体反射光在两幅干涉图之间的位相变化；

S2：将采集到的两幅散斑图I₁，I₂相减得到含有由位相

所调制的条纹图I_sub：

其中

是散斑噪声项，在图像中表现为高频的斑点图样，而

则代表了由物体瞬时运动导致的位相变化分布所调制出的条纹

S3：使用条纹中心线法对此条纹图进行分析，提取出位相

即完成测量。

本发明的显著效果在于：实现了全场三维变形的动态测量，该方法整个过程在控制***控制下自动完成，只需要将测量***稳定架设到被测试验件前面即可，避免了操作过程中的人为因素造成测量误差。

本发明的三维变形测量方法，从根本上解决了振动试验中全场三维变形动态测量的技术难题，满足了在振动条件下的动态、准确测量，同时具备三维变形同时测量的能力。其非接触的特点,不会因附加质量而影响振动模态。该技术可广泛应用于航天等微型结构或物体的高频振动模态测量在正弦振动试验、随机振动试验、模态分析试验中，能够以条纹图的形式,直观地给出结构部件的耦合振动振型及变形特性,为发动机研制提供了先进的分析手段。

附图说明

图1为本发明所述的基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置及方法xz向示意图

图2为本发明所述的基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置及方法yz向示意图

图3为本发明所述的基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置及方法斩波器示意图

图4为本发明所述的基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置及方法测量时序示意图

图中：1-高速相机；2-激光器；3-分光镜A；4-分光镜B；5-分光镜C；6-反光镜A；7-斩波器；8-反光镜B；9-扩束镜A；10-扩束镜B；11-反光镜C；12-反光镜D；13-反光镜E；14-反光镜F；15-反光镜G；16-反光镜H；17-反光镜I；18-扩束镜C；19-被测件、20分光镜D、21反光镜J、22扩束镜D、扩束镜E23、反光镜K24、

具体实施方式

测量装置由激光器2、高速相机1、光学***、计算机和测量软件组成：激光器2采用532nm的单纵膜Nd：YAG激光器；高速相机1用于采集散斑图像；计算机用于散斑图像的存储；测量软件利用高速相机采集的散斑干涉条纹图解算三维变形量；光学***如图1、2所示，由分光镜多次分光将激光器的光束分成五路，分别进行x、y、z方向的变形测量，其中z向为垂直于高速相机1的方向，指向高速相机1为正；x向为水平方向，正向如图1所示；y向由右手法则确定；原点为被测件19的表面中心。五路光束分别为两路y方向测量光、一路x方向测量光、一路z方向测量光和一路x、z方向共用的测量光。多路测量光经扩束后均交会在被测试验件表面，每个测量方向的两路测量光两两干涉形成与变形量相关的干涉条纹。

包括激光器2，激光器2发出的光经分光镜A3分出光束A，后又经分光镜B4分出光束B，后又经分光镜C5分成光束C和光束D：

1)光束A为x向和z向共用的测量光，后又经斩波器7、反光镜F14、反光镜G15、反光镜H16、反光镜I17、扩束镜C18投射到被测件19表面，经漫反射由高速相机1成像；

2)光束B为z向的测量光，后又经斩波器7、反光镜E13、反光镜C11、扩束镜B10投射到被测件19表面，经漫反射由高速相机1成像；

3)光束C为y向的测量光，后又经斩波器7、反光镜B8，投射到垂直方向，后续光路见图2；经水平光路分光后得到光束C投射到反光镜B8上，光束C由分光镜D20分为光束E和光束F，光束E经反光镜J21、扩束镜D22投射到被测件19表面；光束F经反光镜K24、扩束镜E23投射到被测件19表面。两束光在被测件19表面形成散斑干涉，由高速相机1成像。

4)光束D为x向的测量光，后又经反光镜A6、斩波器7、反光镜D12、扩束镜A9投射到被测件19表面，经漫反射由高速相机1成像。

在图1所示光路中，通过斩波器7控制，可以使得光束A和光束B同时投射到被测件19表面，两束光干涉，形成z向(离面方向)的变形测量光路；通过斩波器控制，也可以使得光束A和光束D同时投射到被测件19表面，两束光干涉，形成x向(面内方向)的变形测量光路；还可以仅让光束C透过，形成y向(面内方向)的变形测量光路。

斩波器7通过电机带动圆形叶片绕中心轴旋转，通过设计叶片的开口位置，使光束A、B、C、D按照图4所示的序列开关，本文设计的叶片结构形式如图3所示，在光路设计中，光束A为x向和z向的共用光束，经X1出光口出射；光束B为z向测量光束，经Z出光口出射；光束C为y向测量光束，经Y出光口出射；光束D为x向测量光束，经X2出光口出射。光束B、C、D以相同的时间间隔出射，光束A在光束B、D出射时均要出射。因此对应四束光将斩波器叶片分为四圈，出光口设计为5个出光口一组，其中∠A2＝∠B2＝∠C2＝15°。间隔90°一组，共四组，即电机每旋转一周，完成4次x、y、z循环测量。本文中斩波器电机的旋转速度设计为100r/s，则每秒400次循环测量，高速相机的采样速度为400×3＝1200fps

测量时序如图4所示，光束B、C、D依次出射，在光束B和光束D出光同时，光束A也出光，高速相机在每次光束变换后曝光一次，一次，分别进行x、y、z方向的测量。以上述方式循环进行，即可完成振动试验中物体的三维变形测量。

在进行振动试验变形量测量时，首先将测量***架设到被测试验件前，启动测量***进行图像采集，记录拍摄图像。拍摄完成后启动测量软件对变形前后的图像进行相间运算，由每一幅图像减去第一幅图像，得到相关条纹图，利用条纹中心线方法提取位相进行分析，从而测量两个脉冲瞬间的物体运动。

此种方法的计算为：从物体上返回的物光u₀和直接进入高速相机1的参考光u_r在高速相机1靶面上形成干涉散斑场，实验中要采集相邻两个瞬间的干涉散斑场，它们分别为I₁，I₂：

以上两式中，u代表光场的复振幅，I代表光强，

则代表位相，各个下标相分别表示测量光(o)，参考光(r)，两幅干涉图的序号(1,2)，

为物体反射光在两幅干涉图之间的位相变化，由于物体的运动引起的，将采集到的两幅散斑图I₁，I₂相减得到含有由位相

所调制的条纹图I_sub：

其中

是散斑噪声项，在图像中表现为高频的斑点图样，而

则代表了由物体瞬时运动导致的位相变化分布所调制出的条纹。使用条纹中心线法对此条纹图进行分析，提取出位相

即完成测量。

条纹图的解调采用条纹中心线法，主要探测条纹最强和最弱的位置，这些位置上的相位为π的整数倍。条纹中心线法流程包括图像滤波，中心线提取，条纹定级，条纹插值等步骤。

Claims (5)

1.一种基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置，其特征在于：包括高速相机(1)、激光器(2)、斩波器(7)，建立坐标系，其中z向为垂直于高速相机(1)的方向，指向高速相机(1)为正；x向为水平方向，y向由右手法则确定；原点为被测件(19)的表面中心，激光器(2)发出的光经分光镜A(3)分出光束A，后又经分光镜B(4)分出光束B，后又经分光镜C(5)分成光束C和光束D，其中，

光束A为x向和z向共用的测量光，后又经斩波器(7)、反光镜F(14)、反光镜G(15)、反光镜H(16)、反光镜I(17)、扩束镜C(18)投射到被测件(19)表面，经漫反射由高速相机(1)成像；

光束B为z向的测量光，后又经斩波器(7)、反光镜E(13)、反光镜C(11)、扩束镜B(10)投射到被测件(19)表面，经漫反射由高速相机(1)成像；

光束C为y向的测量光，后又经斩波器(7)、反光镜B(8)，投射到垂直方向，经水平光路分光后得到光束C投射到反光镜B(8)上，光束C由分光镜D(20)分为光束E和光束F，光束E经反光镜J(21)、扩束镜D(22)投射到被测件(19)表面；光束F经反光镜K(24)、扩束镜E(23)投射到被测件(19)表面； 两束光在被测件(19)表面形成散斑干涉，由高速相机(1)成像；

光束D为x向的测量光，后又经反光镜A(6)、斩波器(7)、反光镜D(12)、扩束镜A(9)投射到被测件(19)表面，经漫反射由高速相机(1)成像；

斩波器(7)通过电机带动圆形叶片绕中心轴旋转，5个出光口一组，每组间隔90°，且∠A2＝∠B2＝∠C2＝15°其中光束A为x向和z向的共用光束，经X1出光口出射；光束B为z向测量光束，经Z出光口出射；光束C为y向测量光束，经Y出光口出射；光束D为x向测量光束，经X2出光口出射。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置，其特征在于：所述斩波器(7)电机的旋转速度设计为100r/s，则每秒400次循环测量，高速相机的采样速度为400×3＝1200fps。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置，其特征在于：所述激光器(2)采用532nm的单纵膜Nd：YAG激光器。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置，其特征在于：高速相机(1)用于采集散斑图像。

5.一种应用如权利要求1所述的基于激光散斑干涉的振动试验三维变形测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：打开测量装置对被测试验件进行测量，从物体上返回的物光u₀和直接进入高速相机(1)的参考光u_r在高速相机(1)靶面上形成干涉散斑场，采集相邻两个瞬间的干涉散斑场，它们分别为I₁，I₂：

以上两式中，u代表光场的复振幅，I代表光强，

则代表位相，各个下标相分别表示测量光o，参考光u_r，两幅干涉图的序号1,2，

为物体反射光在两幅干涉图之间的位相变化；

S2：将采集到的两幅散斑图I₁，I₂相减得到含有由位相

所调制的条纹图I_sub：

其中

是散斑噪声项，在图像中表现为高频的斑点图样，而

则代表了由物体瞬时运动导致的位相变化分布所调制出的条纹；

S3：使用条纹中心线法对此条纹图进行分析，提取出位相

即完成测量。

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