激光散斑法测量有机玻璃物体微形变研究

陈秀艳, 周 丽,2, 高 朋, 王中旗

(1. 沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034;2. 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100192)



激光散斑法测量有机玻璃物体微形变研究

陈秀艳1, 周 丽1,2, 高 朋1, 王中旗1

(1. 沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034;2. 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100192)

通过设计激光散斑干涉测量系统,详细分析了激光散斑图像位相变化,以及有机玻璃离面微位移与干涉黑条纹序数和激光波长的关系。在激光散斑测量物体微形变系统中,应用物品架旋钮施加压力于有机玻璃,在632.8 nm氦氖激光垂直入射于物品后,物品架旋钮分别减少6格、2格、2格,有机玻璃所受压力随之减小。在不同压力作用下有机玻璃所产生的微形变发生变化,通过CCD记录和计算机数据采集卡采集物体形变前后产生的激光散斑图样,经数值分析与计算,得到3种压力下物体的离面位移分别为1 898、1 264和632 nm。得出随着有机玻璃施加压力的变小,离面位移微形变也变小的结论,为后续激光散斑压力传感器的研制提供了有效参考依据。

激光散斑; 离面位移; 有机玻璃

0 引 言

随着激光技术的发展,激光在各领域中应用越来越广泛[1-2]。其中,现代光测就是近年来发展起来的新的激光测量技术。当激光照射在墙壁、纸张、毛玻璃等这些平均起伏大于波长数量级的光学粗糙表面(或透过光学粗糙的透射板)上时,这些表面上无规则分布的面元散射的子波相互叠加使反射光场(或透射光场)具有随机的空间光强分布,呈现出颗粒状的结构,这就是散斑[3-4]。散斑计量技术在力学中具有广泛的应用。

电子散斑干涉法[5]是在现代高科技成果的基础上发展起来的一种现代光测方法,它具有全场、非接触、高精度和高灵敏度,不避光、不照相、不需要特殊防震、快速实时并可在线检测等优点,已被广泛应用于振动、位移、形变、粗糙度、刚度和强度等的测量,是无损计量领域的有效工具。它采用CCD或TV摄像机采集相干散斑干涉场的光强信息,信号经过光学或数字处理后就以条纹图的形式显示在图像监视器上。根据不同的光路布置,所测得条纹可以代表物体表面的振动模式、离面位移、面内位移、位移导数及物体形状的等值线等[6]。本文基于电子散斑干涉法有机玻璃的离面位移进行了测量,从而达到研究有机玻璃微形变的目的,并为后续压力大小与激光散斑压力传感器的研制提供了参考依据。

1 实验装置

图1 实验装置示意图Fig.1 The experimental schematic diagram

实验装置如图1所示[7],氦氖激光器(632.8 nm)发出的激光束经过扩束与聚焦透镜、分光镜后一部分透射到有机玻璃(被测物)上再返回,另一部分参考激光束经过分光镜入射到平面镜后再被反射返回,二者经聚焦透镜最后成像在CCD平面上。参考光束与物光束共轭,产生干涉圆环。由CCD接收散斑干涉图后,通过图像采集卡将物体信息采集入计算机。

2 有机玻璃离面位移微形变研究

当激光沿水平方向照射被测物体时,在外界压力作用下,物体沿Z方向(即沿与物面垂直方向)产生的形变位移为w。理论上证明,该形变变化导致的物体散斑图像位相变化为[8]

图2 位相与离面位移与激光入射角的关系Fig.2 The relationship of Phase with micro-displacementand the laser's incident angle

式中i为激光束照射物体的入射角,位相变化Δφ与离面位移w成正比,与入射角余弦成正比。从图2中可以看出,当离面微位移为某一固定值情况下,入射角度在[0,2π] 范围内变化时,相位也具有余弦函数的变化规律,入射角度为0°即垂直入射时,相位最大;当入射角度一定时,离面微位移越大,对应的相位也越大,当Δφ为2π的整数倍时,变化前后的散斑图完全相同。

在本实验系统中i=0。通过图像处理将记录存储的变形前散斑图与变形后的散斑图相减,得到黑条纹位置。微形变离面位移w与图像中黑条纹级数N成正比,与照射光束的半波长成正比,如下:

w=Nλ/2

图3 被测物品架(内有有机玻璃)Fig.3 Apparatus for the measured object (theorganic glass is in the apparatus)

图3为散斑测量装置中被测物体物品架的实物图。有机玻璃被放置在圆形物品架中,通过旋转螺旋旋钮对有机玻璃施加不同大小的压力,导致有机玻璃发生形变。通过上述激光散斑干涉仪可以测量出有机玻璃沿光路方向上产生的相对形变大小。

以某一状态下螺旋旋钮为标准状态,此时有机玻璃上承受的压力为F1,在此状态基础上旋转螺丝旋钮,当旋转了6格后,有机玻璃承受压力为F2时,压力的减少量即F1-F2的压力引起的有机玻璃光轴方向上的离面微形变位移可通过散斑干涉图像如图4a所展示出来。对所得的散斑图像进行边缘化处理,通过手动二值化、点取特征曲线并建立坐标系[9],最后进行图像矢量化分析,如图4b所示.

(a)—散斑图; (b)—二值化图。图4 压力1时的散斑图和二值化图

通过数据采集与分析,得到x-方向和y-方向上物体的离面位移与位置坐标的关系,如表1所示。

表1 压力F1-F2(旋转6格)时w-x,w-y数据表Tab.1 Data table for w-x,w-y under the pressure F1-F2 (6 latices rotated)

图5 x与y方向上的离面位移

通过表1w-x、w-y数据表的实验数据,得到如图5所示的物体在x方向与y方向上的离面位移与位置坐标的关系,可以看出,该物体在x方向受力范围大于y方向的受力范围。中心处离面位移最大,为1 898 nm。在此实验基础上,进一步减小物体受力,分别将旋钮旋转再次旋转2个格,获得如图6和图7的激光散斑图。计算过程同上述计算过程一样,算得离面位移分别为1 264 nm、632 nm。根据物体的离面位移与物体弹性模量、应变等物理参量,即可计算出物体所受压力值的大小。为后续进一步开发研究激光散斑压力传感器奠定了理论与实验基础,提供了一部分可参考的依据。

图6 压力2时的散斑图

图7 压力3时的散斑图

由上述实验与数据分析可得,随着对有机玻璃施加压力的变小,离面位移也相应减小。反之亦然。可见,该实验装置与方法适用于物体形变的精密监测与研究,适合于进一步对激光散斑压力传感器的研究。

3 结 语

在激光散斑理论与实验基础上,通过对有机玻璃施加等比例减小的不同压力,实现了激光散斑测量物体微型变的实验研究,为后续激光散斑物体形变测量压力传感器的研制提供了参考依据。

[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. 电子散斑干涉与数字图像处理[D]. 南京:南京航空航天大学, 2008.

[4]杨国光主编. 近代光学测试技术[M]. 北京:机械工业出版社, 1986:131-184.

[5]秦玉文,戴嘉彬,陈金龙. 电子散斑方法的进展[J]. 实验力学, 1996,11(4):410-416.

[6]李林涛,郭霏,尹娜,等. 激光散斑特性的实验研究[J]. 长春理工大学学报(自然科学版), 2008,31(1):185-88.

[7]李林森. 激光散斑计量技术及其应用研究[D]. 西安:西北大学, 2007.

[8]张巧芬,石智伟,王昆. 基于CCD的电子散斑干涉系统中离面位移的测定[J]. 广东工业大学学报, 2008,25(4):49-51.

[9]钟川,沈常宇,林兆祥,等. 刚体面内位移激光散斑测量研究[J]. 中国计量学院学报, 2011,22(1):11-14.

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。

国家自然科学基金资助项目(61603265)。

陈秀艳(1978-),女,吉林白山人,沈阳师范大学副教授,博士。

1673-5862(2016)04-0445-04

O436.1

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.04.014