CN110068283A - 一种应用于面内应变的数字散斑传感*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于面内应变的数字散斑传感***，包括光源***、数字散斑干涉***、图像采集***、电动加载装置和计算机，所述光源***包括两个异波长激光光源，用于向电动加载装置上的检测样本发出异波长激光；所述电动加载装置用于夹持检测样本，并能够向检测样本加载压力；所述数字散斑干涉***用于产生未加载压力时检测样本的参考散斑干涉图像和加载压力时检测样本的测试散斑干涉图像；所述图像采集***用于获取参考散斑干涉图像和测试散斑干涉图像；所述计算机通过频谱分离技术分别计算两个散斑干涉图像的相位，并根据相位解析出材料面内应变信息。本发明无需多个CCD进行同步记录，可大大降低传感***成本。

Description

一种应用于面内应变的数字散斑传感***

技术领域

本发明涉及应变测量技术领域，特别是涉及一种应用于面内应变的数字散斑传感***。

背景技术

为了消除截肢患者的烦恼，帮助他们恢复正常人的生活，需要设计和安装假肢或进行髋关节整体置换。对于那些下肢被截肢的患者和全关节替换的患者而言，提高假体的性能还存在着种种的困难。目前，最重要的问题是硬度较高的金属和较柔软骨骼表面的生物界面相互作用力的适配问题。当一个动态载荷施加到这样的结构上时，其结构上不仅具有面外应力，还有可能会出现瞬间急剧的面内高应变力，这对于屈服强度较低的生物或仿生结构材料来说是很危险的。生物材料界面动态应变分布的确定和界面上潜在压力失配的评估对于避免松动、不重合和界面缝隙的潜在感染具有关键的作用。虽然目前的CAD软件和有限元分析对于应变的估计具有重要的作用，但是这些模型的建立需要预先知道其材料正确的边界条件(约束条件)和力学参数，并通过精确测量来加以验证。因此，实现对骨骼与植入物界面的瞬态载荷所引发应变的测量是十分重要的。骨骼是各向异性的非均匀生物材料，除了对材料界面的面外应力评估，面内张力微观量级的测量对于理解骨质与植入物间的生物力学性质同样具有至关重要作用。但是，现有的应变测试方法中，难于对于生物活性材料上的动态载荷所引起的各种应变进行准确的识别与测量。特别是由于测试过程中非结构化测试环境因素的影响，迄今为止，还没有理想的面内应变测量传感***能满足这种检测要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于面内应变的数字散斑传感***，能够对被检测对象面内应变实现方便、准确、快速检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种应用于面内应变的数字散斑传感***，包括光源***、数字散斑干涉***、图像采集***、电动加载装置和计算机，所述光源***包括两个异波长激光光源，用于向电动加载装置上的检测样本发出异波长激光；所述电动加载装置用于夹持检测样本，并能够向检测样本加载压力；所述数字散斑干涉***用于产生未加载压力时检测样本的参考散斑干涉图像和加载压力时检测样本的测试散斑干涉图像；所述图像采集***用于获取参考散斑干涉图像和测试散斑干涉图像；所述计算机通过频谱分离技术分别计算两个散斑干涉图像的相位，并根据相位解析出材料面内应变信息。

所述数字散斑干涉***包括孔径光阑，成像透镜，半反半透镜，第一可调反光镜和第二可调反光镜；所述检测样本表面的漫反射光依次孔径光阑、成像透镜和半反半透镜，所述半反半透镜的两侧设有第一可调反光镜和第二可调反光镜以构成干涉***；所述检测样本表面的漫反射光分别通过倾斜角度可调的第一反光镜和第二反光镜反射后，经过干涉***进行剪切，两方向的剪切干涉图像同时被记录到同一个图像采集***中。

所述计算机计算两个散斑干涉图像的相位时是利用两个异波长激光源的波长不同，两个方向剪切散斑干涉图像的频谱图的位置不同的特性，通过截取不同位置的窗口频谱信息，并进行复数运算，实现提取两个剪切方向的相位信息。

所述计算机提取两个剪切方向的相位信息时具体为：若剪切方向为沿x轴方向，那么所测波前在k₁与k₂方向上的表达式记为：其中，其中，u₁₁、u₁₂分别是通过第一可调反光镜和第二可调反光镜上在敏感方向k1的波前，u₂₁和u₂₂分别是通过第一可调反光镜和第二可调反光镜上在敏感方向k₂的波前；和是波前的相位，而f₁和f₂则是通过剪切产生的两个不同的空间频率，表示为：λ₁和λ₂为两个异波长激光光源的波长，β为第二可调反光镜的倾斜角，则得到的散斑干涉图像I表示为：I＝(u₁₁u₁₁ ^*+u₁₂u₁₂ ^*)+(u₂₁u₂₁ ^*+u₂₂u₂₂ ^*)+(u₁₁u₁₂ ^*+u₁₂u₁₁ ^*)+(u₂₁u₂₂ ^*+u₂₂u₂₁ ^*)，其中，u₁₁ ^*、u₁₂ ^*、u₂₁ ^*、u₂₂ ^*分别为u₁₁、u₁₂、u₂₁、u₂₂在敏感方向k₁与k₂的波前共轭项，通过傅里叶变换得到其中，表示卷积操作，令：U₁₁(f_x,f_y)＝FT(u₁₁)，U₁₂(f_x+f₁,f_y)＝FT(u₁₂)，U₂₁(f_x,f_y)＝FT(u₂₁)，U₂₂(f_x+f₂,f_y)＝FT(u₂₂)，得到记录着散斑图像的傅里叶频谱图分布，其中8个项被分成5个部分，其中，(U₁₁+U₁₁ ^*+U₁₂+U₁₂ ^*)和(U₂₁+U₂₁ ^*+U₂₂+U₂₂ ^*)项为低频项，分别占据频域中心的位置，其宽度分别为2f_c1和2f_c2；(U₁₂+U₁₁ ^*)定位在(f₁,0)为中心，而(U₁₁+U₁₂ ^*)定位在(-f₁,0)为中心，它们在频谱中的宽度都是2f_c1，这两项包含了k₁方向剪切的相位信息；(U₂₂+U₂₁ ^*)项定位在(f₂,0)为中心，而(U₂₁+U₂₂ ^*)定位在(-f₂,0)，它们在频谱中的宽度都是2f_c2，这两项记录了在k₂方向上剪切的相位信息；其中，f_c1和f_c2通过选择合适的狭缝尺寸控制，在频谱区域(f₁,0)和(f₂,0)，通过应用窗口傅里叶逆变换，则相位分布通过使用复振幅计算得到，其计算公式为：其中，Im和Re分别表示复数的实部和虚部，而φ₁和φ₂分别是两个倾斜光束的相位差；在加载样本变形后，通过使用相同的方法能够得到

所述计算机根据相位解析出材料面内应变信息具体为：通过形变前、后相位相减获得在两个照明方向上反映面外应变的相位分布图，通过两个方向的面外应变相位信息，计算出检测表面的面内应变信息。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明为测量动态加载所引起的面内应变提供了一种更简洁和更快速的方法。传统复杂的面内应变检测方法检测应变过程，需要摄取16帧时间相移图像，变换4次镜头开关，而现在所提出的空间相位移剪切***，整个检测过程被简化成了只需要采集两帧干涉图像。特别是在检测过程中，其形变后仅需要一帧图像来计算相对相位变化。由于整个测量***检测速度仅受限于CCD帧率，目前先进的CCD摄像头的帧率可达到15000帧/秒，这就使得所提出的新型传感器***非常适合那些要求达到几十个微应变水平的高灵敏度的动态应变测试。

此外，目前用于面内应变测量的空间相移数字剪切***，一般通过双信息通道、双光束来实现。但本申请的发明人在实验中发现，通过使用不同波长的激光照明，所得两剪切散斑频谱在频域图像上的位置会有所差异。因此本申请用异波长、双光源的激光散斑干涉***可实现单通道同时记录两剪切散斑图，并通过选择合适的***参数，有可能实现两个剪切频谱图的分离。由于整个传感***仅需一台CCD摄像机进行图像记录，不仅可大幅度地降低***成本，同时还可使测量过程变得更简单，因为不再需要对多个通道的图像进行像素配准和同步触发记录等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中面内应变检测流程图；

图3是本发明中干涉***所记录的散斑干涉频谱示意图；

图中：第一激光器1，第二激光器2，第一扩束镜3，第二扩束镜4，孔径光阑5，成像透镜6，半反半透镜7，第一可调反光镜8，第二可调反光镜9，加载支架10，音圈电机11，CCD相机12，显示器13，计算机14，检测样本15。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种应用于面内应变的数字散斑传感***，包括光源***、数字散斑干涉***、图像采集***、电动加载装置和计算机，所述光源***包括两个异波长激光光源，用于向电动加载装置上的检测样本发出异波长激光；所述电动加载装置用于夹持检测样本，并能够向检测样本加载压力；所述数字散斑干涉***用于产生未加载压力时检测样本的参考散斑干涉图像和加载压力时检测样本的测试散斑干涉图像；所述图像采集***用于获取参考散斑干涉图像和测试散斑干涉图像；所述计算机通过频谱分离技术分别计算两个散斑干涉图像的相位，并根据相位解析出材料面内应变信息。

在检测过程中，两个异波长激光器投射出激光，同时照射到物体表面，并在改进迈克尔逊干涉***中产生两帧散斑干涉图，它们通过不同的通道被同时记录到同一个CCD成像阵面上；然后通过频谱分离技术，分别计算两个剪切方向的散斑干涉图的相位，最后解析出材料面内应变信息。

如图1所示，所述光源***包括异波长激光器1、激光器2、扩束镜3及扩束镜4；所述数字散斑干涉***为改进的迈克尔逊散斑干涉装置，主要包括孔径光阑5，成像透镜6，半反半透镜7，可调反光镜8及可调反光镜9，所述图像采集***包括CCD相机12等装置，所述电动加载***包括加载支架10，音圈电机11等。

所述电动加载***用于实现检测样本15的安装和加载；所述数字散斑干涉***和图像采集***置于检测样本15检测区域前方；所述的两个异波长激光光源1和激光光源2投射出激光，分别经过扩束镜3和扩束镜4扩束后，同时照射到检测样本15表面；所述检测样本15表面的漫反射光束经过孔径光阑5，成像透镜6，半反半透镜7，可调反光镜8及可调反光镜9，最终形成剪切散斑成像在CCD相机12的阵面上，所述CCD相机12通过计算机14进行图像采集控制；所述CCD成像阵面12获取散斑图像，通过计算机14进行频谱分离和复数运算，分别对两方向剪切散斑图的相位进行计算，最后解析出材料面内应变量。所述两激光器分别照明被检测物体，其反射光分别通过倾斜角度可调的可调反光镜8和可调反光镜9反射后，经过迈克尔逊干涉装置进行剪切，两方向的剪切干涉图像同时被记录到图像传感器中。

该实施方式可采用下列器材：

(1)计算机：型号为研华IPC-610L-701VG，处理器inter i5-2400，支持JPEG硬件编解码，内存为4Gbits DDR3。支持RGB 24Bit接口及TVOUT视频输出；

(2)显示器：型号三星C27F390FHC，分辨率1920*1080；

(3)激光光源1：波长532nm，200mw固体激光器，单纵模；

(4)激光光源2：波长632nm，200mw固体激光器，单纵模；

(5)扩束镜3：f＝16mm，φ＝20.4mm；

(6)扩束镜4：f＝16mm，φ＝20.4mm；

(7)孔径光阑5：电动可调孔径光阑HGEMD52，孔径变化3-52mm；

(8)CCD相机12：采用巴斯勒acA2400-50gm面阵CCD，2048*1536像素，成像区域大小为3626μm x 2709μm，像素大小为1.75μm x 1.75μm，最高速度可达50帧每秒；

(9)成像透镜6：品牌大恒，Φ25.4K9双凸透镜，f＝100mm，通光孔径：90％；

(10)半反半透镜7：品牌大恒，GCC-4011系列宽带分光棱镜，透射率/反射率：50/50；材料K9；外形尺寸：25.4mm*25.4mm*25.4mm；

(11)音圈电机11：SMAC音圈电机LAL系列，额定功率10-50(kW)，额定电压24-48(V)，行程15mm，位移分辨率5μm；

(12)反光镜8和9、加载支架10等等。

如图2所示，所述的面内应变检测流程为：CCD成像阵面分别获取形变前、后的散斑干涉图像I₁和I₂,分别进行傅里叶变换(FFT)，获得加载前和加载后的频谱图像F(I₁)和F(I₂)；由于两激光光源的波长不同，其获取的散斑图像的频谱图的位置也不相同(如图3所示)，故对形变前、后的频率f₁和f₂固定邻域的频谱带进行开窗(WIFT)和复数运算，依次得到形变前、后在两个照明方向上的相位信息φ₁，φ₂，及φ₁'，φ₂'；通过相位相减获得在两个照明方向上反映面外应变的相位分布图△₁和△₂；再通过两个方向面外应变的相位信息△₁和△₂，计算出检测表面的面内应变信息。

由此可见，本实施方式实现两激光光源剪切散斑图的相位评估，是通过对同时记录于同一个图像传感器中的散斑干涉图像进行频谱分离和相关运算来实现的。利用两激光光源的波长不同，两个方向剪切散斑干涉图像的频谱图的位置也不相同，通过截取不同位置的窗口频谱信息，并进行复数运算，实现提取两个剪切方向的相位信息。具体如下：

若剪切方向为沿x轴方向，那么所测波前在k₁与k₂方向上的表达式可记为：

u₁₁、u₁₂分别是通过可调反光镜8及可调反光镜9在敏感方向k1的波前，而u₂₁和u₂₂分别是通过可调反光镜8及可调反光镜9在敏感方向k₂的波前；和是波前的相位，而f₁和f₂则是通过剪切产生的两个不同的空间频率，可以表示为：

f₁＝(sinβ/λ₁) (5)

f₂＝(sinβ/λ₂) (6)

λ₁和λ₂分别是两个光源的波长，β是可调反光镜9的倾斜角；因此，记录在CCD上散斑图像I可表示为：

I＝(u₁₁+u₁₂)(u₁₁ ^*+u₁₂ ^*)+(u₂₁+u₂₂)(u₂₁ ^*+u₂₂ ^*)

＝(u₁₁u₁₁ ^*+u₁₂u₁₂ ^*+u₁₁u₁₂ ^*+u₁₂u₁₁ ^*)+(u₂₁u₂₁ ^*+u₂₂u₂₂ ^*)(u₂₁u₂₂ ^*+u₂₂u₂₁ ^*)

＝(u₁₁u₁₁ ^*+u₁₂u₁₂ ^*)+(u₂₁u₂₁ ^*+u₂₂u₂₂ ^*)+(u₁₁u₁₂ ^*+u₁₂u₁₁ ^*)+(u₂₁u₂₂ ^*+u₂₂u₂₁ ^*) (7)

通过傅里叶变换可得：

其中表示卷积操作，令：U₁₁(f_x,f_y)＝FT(u₁₁)，U₁₂(f_x+f₁,f_y)＝FT(u₁₂)，U₂₁(f_x,f_y)＝FT(u₂₁)，U₂₂(f_x+f₂,f_y)＝FT(u₂₂)，则图3显示出了理想条件下记录着散斑图像的傅里叶频谱图分布。

在傅里叶域中，有6个频谱段对应于上述等式中的8个分项。从频谱图中可以看到，这8个项可以被分成5个部分。其中，(U₁₁+U₁₁ ^*+U₁₂+U₁₂ ^*)和(U₂₁+U₂₁ ^*+U₂₂+U₂₂ ^*)项,为低频项，主要为背景光，它们分别占据频域中心的位置，其宽度分别为2f_c1和2f_c2。(U₁₂+U₁₁ ^*)定位在(f₁,0)为中心，而(U₁₁+U₁₂ ^*)定位在(-f₁,0)为中心，它们在频谱中的宽度都是2f_c1，这两项包含了k₁方向剪切的相位信息。(U₂₂+U₂₁ ^*)项定位在(f₂,0)为中心,而(U₂₁+U₂₂ ^*)定位在(-f₂,0),它们在频谱中的宽度都是2f_c2，这两项记录了在k₂方向上剪切的相位信息。其中，f_c1和f_c2可以通过选择合适的狭缝尺寸控制。在频谱区域(f₁,0)和(f₂,0)，通过应用窗口傅里叶逆变换(WIFT),则相位分布可以通过使用复振幅计算得到。其计算公式如下：

[φ₁+2πxf₁]＝arctan{Im[u₁₂u₁₁*]/Re[u₁₂u₁₁*]} (9)

[φ₂+2πxf₂]＝arctan{Im[u₂₂u₂₁*]/Re[u₂₂u₂₁*]} (10)

其中，Im和Re分别表示复数的实部和虚部，而φ₁和φ₂分别是两个倾斜光束的相位差，在加载样本变形后，通过使用相同的方法可以得到：

[φ₁′+2πxf₁]＝arctan{Im[u₁₂u₁₁ ^*]/Re[u₁₂u₁₁ ^*]} (11)

[φ₂′+2πxf₂]＝arctan{Im[u₂₂u₁₁ ^*]/Re[u₂₂u₂₁ ^*]} (12)

所以，变形所引起的相对相位差可以分别由如下公式计算得到：

Δ₁＝φ₁′-φ₁ (13)

Δ₂＝φ₂′-φ₂ (14)

从而得到反映面外应变信息的相位分布图△₁和△₂。

所述生物材料面内应变的计算，是通过计算两个方向面外应变的相位信息△₁和△₂计算出得到的，其计算流程如下：

基于相位差和面内应变的关系可得：

联立，并化简可得：

同理，其它方向的面内应变组份将可以用同样的方式表达为：

从而最终得到检测表面的面内应变信息。

本发明可应用于生物材料面内应变检测，方便了解检测假肢接触界面潜在的应力误匹配，压力或应力分布不均匀等，有助于全面掌握和了解断肢患者、髋关节整体置换患者，其骨与植入物界面的应力分布与匹配状况，从而为患者的诊断、治疗和恢复提供最直接信息。

Claims (5)

1.一种应用于面内应变的数字散斑传感***，包括光源***、数字散斑干涉***、图像采集***、电动加载装置和计算机，其特征在于，所述光源***包括两个异波长激光光源，用于向电动加载装置上的检测样本发出异波长激光；所述电动加载装置用于夹持检测样本，并能够向检测样本加载压力；所述数字散斑干涉***用于产生未加载压力时检测样本的参考散斑干涉图像和加载压力时检测样本的测试散斑干涉图像；所述图像采集***用于获取参考散斑干涉图像和测试散斑干涉图像；所述计算机通过频谱分离技术分别计算两个散斑干涉图像的相位，并根据相位解析出材料面内应变信息。

2.根据权利要求1所述的应用于面内应变的数字散斑传感***，其特征在于，所述数字散斑干涉***包括孔径光阑，成像透镜，半反半透镜，第一可调反光镜和第二可调反光镜；所述检测样本表面的漫反射光依次孔径光阑、成像透镜和半反半透镜，所述半反半透镜的两侧设有第一可调反光镜和第二可调反光镜以构成干涉***；所述检测样本表面的漫反射光分别通过倾斜角度可调的第一反光镜和第二反光镜反射后，经过干涉***进行剪切，两方向的剪切干涉图像同时被记录到同一个图像采集***中。

3.根据权利要求1所述的应用于面内应变的数字散斑传感***，其特征在于，所述计算机计算两个散斑干涉图像的相位时是利用两个异波长激光源的波长不同，两个方向剪切散斑干涉图像的频谱图的位置不同的特性，通过截取不同位置的窗口频谱信息，并进行复数运算，实现提取两个剪切方向的相位信息。

4.根据权利要求3所述的应用于面内应变的数字散斑传感***，其特征在于，所述计算机提取两个剪切方向的相位信息时具体为：若剪切方向为沿x轴方向，那么所测波前在k₁与k₂方向上的表达式记为：其中，其中，u₁₁、u₁₂分别是通过第一可调反光镜和第二可调反光镜上在敏感方向k1的波前，u₂₁和u₂₂分别是通过第一可调反光镜和第二可调反光镜上在敏感方向k₂的波前；和是波前的相位，而f₁和f₂则是通过剪切产生的两个不同的空间频率，表示为：λ₁和λ₂为两个异波长激光光源的波长，β为第二可调反光镜的倾斜角，则得到的散斑干涉图像I表示为：I＝(u₁₁u₁₁ ^*+u₁₂u₁₂ ^*)+(u₂₁u₂₁ ^*+u₂₂u₂₂ ^*)+(u₁₁u₁₂ ^*+u₁₂u₁₁ ^*)+(u₂₁u₂₂ ^*+u₂₂u₂₁ ^*)，其中，u₁₁ ^*、u₁₂ ^*、u₂₁ ^*、u₂₂ ^*分别为u₁₁、u₁₂、u₂₁、u₂₂在敏感方向k₁与k₂的波前共轭项，通过傅里叶变换得到其中，表示卷积操作，令：U₁₁(f_x,f_y)＝FT(u₁₁)，U₁₂(f_x+f₁,f_y)＝FT(u₁₂)，U₂₁(f_x,f_y)＝FT(u₂₁)，U₂₂(f_x+f₂,f_y)＝FT(u₂₂)，得到记录着散斑图像的傅里叶频谱图分布，其中8个项被分成5个部分，其中，(U₁₁+U₁₁ ^*+U₁₂+U₁₂ ^*)和(U₂₁+U₂₁ ^*+U₂₂+U₂₂ ^*)项为低频项，分别占据频域中心的位置，其宽度分别为2f_c1和2f_c2；(U₁₂+U₁₁ ^*)定位在(f₁,0)为中心，而(U₁₁+U₁₂ ^*)定位在(-f₁,0)为中心，它们在频谱中的宽度都是2f_c1，这两项包含了k₁方向剪切的相位信息；(U₂₂+U₂₁ ^*)项定位在(f₂,0)为中心，而(U₂₁+U₂₂ ^*)定位在(-f₂,0)，它们在频谱中的宽度都是2f_c2，这两项记录了在k₂方向上剪切的相位信息；其中，f_c1和f_c2通过选择合适的狭缝尺寸控制，在频谱区域(f₁,0)和(f₂,0)，通过应用窗口傅里叶逆变换，则相位分布通过使用复振幅计算得到，其计算公式为：其中，Im和Re分别表示复数的实部和虚部，而φ₁和φ₂分别是两个倾斜光束的相位差；在加载样本变形后，通过使用相同的方法能够得到

5.根据权利要求1所述的应用于面内应变的数字散斑传感***，其特征在于，所述计算机根据相位解析出材料面内应变信息具体为：通过形变前、后相位相减获得在两个照明方向上反映面外应变的相位分布图，通过两个方向的面外应变相位信息，计算出检测表面的面内应变信息。