[发明专利]散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维变形测量系统及方法，尤其涉及一种散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统及方法。

背景技术

由I Yamaguchi、W.H.Peters和W.F.Ranson等人提出的数字散斑图像相关方法(Digital Speckle Correlation Method，DSCM)在材料力学、断裂力学、生物力学、现场实时测量、微尺度变形场测量、电子封装以及动态位移及变形测试等众多应用领域都展示了其适用性和优越性。数字散斑图像相关技术通过记录物体变形前后的图像并运用一定的图像相关搜索算法得出物体的位移和变形，具有原理简单、光路简单、非接触、对测量环境要求低等优点。近年来，一些现代的数学理论和数学方法逐渐被引入到该方法中，其测量精度逐步的提高，例如运用亚像素搜索算法可获得亚像素位移。亚像素算法有很多种，主要有相关系数拟合法、Newton.Raphson(N-R)迭代法、基于梯度的方法等。与其他方法相比，梯度法具有抗噪能力较高、计算量小、精度较高等优点，在位移小时比较稳定。目前，DSCM应用的领域正逐渐从常规材料的测试向一些新型材料测试、从宏观场逐渐向细微观尺度、从常规环境向比较恶劣的环境、从实验室测试逐步向工程现场应用、从静态准静态向动态准动态等方面发展。

由于方法本身所具有的局限，单光束照明的散斑相关方法只能测量面内位移。科研人员正通过将DSCM与其他测量技术结合或通过三维散斑相关的方法测量三维位移。将DSCM与立体摄影技术或双目测量技术相结合，可以测量三维位移场。例如清华大学姚学锋教授提出的立体摄影术与数字散斑相关方法相结合用于研究三维变形场；谢惠民教授提出的双目三维数字散斑相关测量三维变形和三维面形技术。将DSCM与针孔摄像技术相结合，东南大学何小元教授提出了数字图像相关与针孔摄像机成像模型相结合测量三维物体位移方法。通过三维散斑相关的方法，中国科大伍小平院士、胡小方教授等利用模拟实验获得了物体内部三维位移场。

利用电子散斑干涉（ESPI）方法可以测量物体的三维位移，具有非接触，全场测量，精度高的优点。电子散斑干涉技术是基于参考光和物光在CCD靶面上产生散斑干涉进行测量的。因此，三维散斑干涉往往光路比较复杂。复杂的光路增加了测量系统不稳定性，降低了测量精度。

将DSCM与散斑干涉相结合，也可以测量三维位移场。张青川教授采用二套光路，对试件正面采用散斑相关测量，对试件的反面采用散斑干涉测量，实现了三维位移场测量。该方法是对试件的不同表面测量，不是同一个表面的三维变形。周灿林教授等把散斑相关和电子散斑干涉结合起来测量变形，采用的是典型的散斑相关光路，首先对散斑干涉四步相移所采集的散斑干涉图像进行处理，然后对处理过的图像进行散斑相关计算，从而获得三维变形场。所用的原理则很复杂，图像处理过程也很复杂，利用散斑相关计算面内位移时不是直接得到所需的散斑图，而是由变形前后采集的相移图像经过处理得到，实际操作中很难获得三维变形场的数值。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统及方法，它利用典型的对离面位移敏感的迈克尔逊散斑光路，通过控制光路中的参考光，实现散斑相关测量物体的面内位移和散斑干涉测量离面位移，实现了三维位移测量，该方法具有光路简单、操作和数据处理简单快捷的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统，激光器发出的激光送入扩束镜；扩束镜后方设有与入射光线成45°角倾斜放置的半透半反镜，半透半反镜的反射光照射到被测物，透射光则照射到参考物面，参考物面与PZT相移器连接构成参考相移光路；被测物的散斑图像经过半透半反镜由成像透镜成像在CCD摄像机上，利用被测物变形前后的两幅散斑图，计算出面内位移的二个分量；在参考光路工作时被测物表面的散斑图像与参考物面的散斑图像形成干涉散斑图像，并由成像透镜成像在CCD摄像机上，测量物体离面位移分量。

一种采用散斑相关和散斑干涉相结合的三维变形测量系统的测量方法，它通过控制参考光路，将数字散斑相关和散斑干涉结合起来测量物体的三维变形；具体过程为：首先在无参考光路的参考激光时采集一幅被测物变形前的散斑图；然后加入参考光路的参考激光实现散斑干涉；加载使被测物变形，结合相移技术测量被测物离面位移；最后去掉参考激光再采集一幅被测物变形后的散斑图；对被测物变形前后散斑图进行散斑相关运算，得到二维面内位移分量，从而实现三维变形测量。

本发明的具体步骤是：