激光散斑法測量有機玻璃物體微形變研究

陳秀艷, 周 麗,2, 高 朋, 王中旗

(1. 沈陽師范大學 物理科學與技術學院, 沈陽 110034;2. 北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院, 北京 100192)

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激光散斑法測量有機玻璃物體微形變研究

陳秀艷1, 周 麗1,2, 高 朋1, 王中旗1

(1. 沈陽師范大學 物理科學與技術學院, 沈陽 110034;2. 北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院, 北京 100192)

通過設計激光散斑干涉測量系統,詳細分析了激光散斑圖像位相變化,以及有機玻璃離面微位移與干涉黑條紋序數和激光波長的關系。在激光散斑測量物體微形變系統中,應用物品架旋鈕施加壓力于有機玻璃,在632.8 nm氦氖激光垂直入射于物品后,物品架旋鈕分別減少6格、2格、2格,有機玻璃所受壓力隨之減小。在不同壓力作用下有機玻璃所產生的微形變發生變化,通過CCD記錄和計算機數據采集卡采集物體形變前后產生的激光散斑圖樣,經數值分析與計算,得到3種壓力下物體的離面位移分別為1 898、1 264和632 nm。得出隨著有機玻璃施加壓力的變小,離面位移微形變也變小的結論,為后續激光散斑壓力傳感器的研制提供了有效參考依據。

激光散斑; 離面位移; 有機玻璃

0 引 言

隨著激光技術的發展,激光在各領域中應用越來越廣泛[1-2]。其中,現代光測就是近年來發展起來的新的激光測量技術。當激光照射在墻壁、紙張、毛玻璃等這些平均起伏大于波長數量級的光學粗糙表面(或透過光學粗糙的透射板)上時,這些表面上無規則分布的面元散射的子波相互疊加使反射光場(或透射光場)具有隨機的空間光強分布,呈現出顆粒狀的結構,這就是散斑[3-4]。散斑計量技術在力學中具有廣泛的應用。

電子散斑干涉法[5]是在現代高科技成果的基礎上發展起來的一種現代光測方法,它具有全場、非接觸、高精度和高靈敏度,不避光、不照相、不需要特殊防震、快速實時并可在線檢測等優點,已被廣泛應用于振動、位移、形變、粗糙度、剛度和強度等的測量,是無損計量領域的有效工具。它采用CCD或TV攝像機采集相干散斑干涉場的光強信息,信號經過光學或數字處理后就以條紋圖的形式顯示在圖像監視器上。根據不同的光路布置,所測得條紋可以代表物體表面的振動模式、離面位移、面內位移、位移導數及物體形狀的等值線等[6]。本文基于電子散斑干涉法有機玻璃的離面位移進行了測量,從而達到研究有機玻璃微形變的目的,并為后續壓力大小與激光散斑壓力傳感器的研制提供了參考依據。

1 實驗裝置

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 The experimental schematic diagram

實驗裝置如圖1所示[7],氦氖激光器(632.8 nm)發出的激光束經過擴束與聚焦透鏡、分光鏡后一部分透射到有機玻璃(被測物)上再返回,另一部分參考激光束經過分光鏡入射到平面鏡后再被反射返回,二者經聚焦透鏡最后成像在CCD平面上。參考光束與物光束共軛,產生干涉圓環。由CCD接收散斑干涉圖后,通過圖像采集卡將物體信息采集入計算機。

2 有機玻璃離面位移微形變研究

當激光沿水平方向照射被測物體時,在外界壓力作用下,物體沿Z方向(即沿與物面垂直方向)產生的形變位移為w。理論上證明,該形變變化導致的物體散斑圖像位相變化為[8]

圖2 位相與離面位移與激光入射角的關系Fig.2 The relationship of Phase with micro-displacementand the laser's incident angle

式中i為激光束照射物體的入射角,位相變化Δφ與離面位移w成正比,與入射角余弦成正比。從圖2中可以看出,當離面微位移為某一固定值情況下,入射角度在[0,2π] 范圍內變化時,相位也具有余弦函數的變化規律,入射角度為0°即垂直入射時,相位最大;當入射角度一定時,離面微位移越大,對應的相位也越大,當Δφ為2π的整數倍時,變化前后的散斑圖完全相同。

在本實驗系統中i=0。通過圖像處理將記錄存儲的變形前散斑圖與變形后的散斑圖相減,得到黑條紋位置。微形變離面位移w與圖像中黑條紋級數N成正比,與照射光束的半波長成正比,如下:

w=Nλ/2

圖3 被測物品架(內有有機玻璃)Fig.3 Apparatus for the measured object (theorganic glass is in the apparatus)

圖3為散斑測量裝置中被測物體物品架的實物圖。有機玻璃被放置在圓形物品架中,通過旋轉螺旋旋鈕對有機玻璃施加不同大小的壓力,導致有機玻璃發生形變。通過上述激光散斑干涉儀可以測量出有機玻璃沿光路方向上產生的相對形變大小。

以某一狀態下螺旋旋鈕為標準狀態,此時有機玻璃上承受的壓力為F1,在此狀態基礎上旋轉螺絲旋鈕,當旋轉了6格后,有機玻璃承受壓力為F2時,壓力的減少量即F1-F2的壓力引起的有機玻璃光軸方向上的離面微形變位移可通過散斑干涉圖像如圖4a所展示出來。對所得的散斑圖像進行邊緣化處理,通過手動二值化、點取特征曲線并建立坐標系[9],最后進行圖像矢量化分析,如圖4b所示.

(a)—散斑圖; (b)—二值化圖。圖4 壓力1時的散斑圖和二值化圖

通過數據采集與分析,得到x-方向和y-方向上物體的離面位移與位置坐標的關系,如表1所示。

表1 壓力F1-F2(旋轉6格)時w-x,w-y數據表Tab.1 Data table for w-x,w-y under the pressure F1-F2 (6 latices rotated)

圖5 x與y方向上的離面位移

通過表1w-x、w-y數據表的實驗數據,得到如圖5所示的物體在x方向與y方向上的離面位移與位置坐標的關系,可以看出,該物體在x方向受力范圍大于y方向的受力范圍。中心處離面位移最大,為1 898 nm。在此實驗基礎上,進一步減小物體受力,分別將旋鈕旋轉再次旋轉2個格,獲得如圖6和圖7的激光散斑圖。計算過程同上述計算過程一樣,算得離面位移分別為1 264 nm、632 nm。根據物體的離面位移與物體彈性模量、應變等物理參量,即可計算出物體所受壓力值的大小。為后續進一步開發研究激光散斑壓力傳感器奠定了理論與實驗基礎,提供了一部分可參考的依據。

圖6 壓力2時的散斑圖

圖7 壓力3時的散斑圖

由上述實驗與數據分析可得,隨著對有機玻璃施加壓力的變小,離面位移也相應減小。反之亦然。可見,該實驗裝置與方法適用于物體形變的精密監測與研究,適合于進一步對激光散斑壓力傳感器的研究。

3 結 語

在激光散斑理論與實驗基礎上,通過對有機玻璃施加等比例減小的不同壓力,實現了激光散斑測量物體微型變的實驗研究,為后續激光散斑物體形變測量壓力傳感器的研制提供了參考依據。

[1]CHEN Xiuyan, YANG Delong. Research on micro-deformation of beam splitting mirror in holographic system by laser speckle method[J]. Proc of SPIE, 2015,9522(8):1-6.

[2]CHEN Haowei, CHEN Xiuyan, LI Xiu, et al, High average power Q-switched green beam generation by intracavity-frequency-doubling of diode-side-pumped Nd:YAG/HGTR-KTP laser[J]. Optics & Laser Techn, 2009,41(1):1-4.

[3]魏巍. 電子散斑干涉與數字圖像處理[D]. 南京:南京航空航天大學, 2008.

[4]楊國光主編. 近代光學測試技術[M]. 北京:機械工業出版社, 1986:131-184.

[5]秦玉文,戴嘉彬,陳金龍. 電子散斑方法的進展[J]. 實驗力學, 1996,11(4):410-416.

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[8]張巧芬,石智偉,王昆. 基于CCD的電子散斑干涉系統中離面位移的測定[J]. 廣東工業大學學報, 2008,25(4):49-51.

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Research on micro-displacement of organic glass by laser speckle measurement

CHENXiuyan1,ZHOULi1,2,GAOPeng1,WANGZhongqi1

(1. College of Physical Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 2. College of Instrument Science and Photoelectric Engineering, Beijing Information Technology University, Beijing 100192, China)

In this paper, a laser speckle interference system was designed and used to analyze the phase changes of the laser speckle graphs, the micro-displacement deformation of the organic glass and the relationship between the black interference fringes’ ordinal number and the laser wavelength in detail. In this micro-deformation measurement system, the organic glass was exercised on the pressure by rotating the knob, and the pressure decreased gradually when the knob was rotated by 6 latices, 2 latices and 2 latices respectively with normal incidence of the 632.8 nm laser. As a result, the micro-deformation under the different pressure and the corresponding the speckle graphs before and after pressure applied were recorded by means of CCD and data acquisition card. The micro-displacements were calculated as 1 898 nm、1 264 nm、632 nm respectively under this three conditions. It was concluded that the displacement of the organic glass became larger with the increase of the applied pressure on the organic glass, and offer an effective data for the further research on the laser speckle pressure sensor development.

laser speckle; off-plane displacement; organic glass

2016-05-09。

國家自然科學基金資助項目(61603265)。

陳秀艷(1978-),女,吉林白山人,沈陽師范大學副教授,博士。

1673-5862(2016)04-0445-04

O436.1

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.04.014