数字(剪切)散斑干涉实验教学的多功能加载装置
激光散斑检测中剪切散斑干涉术和相移ESPI技术介绍讲解
孙小勇周克印王开福
（南京航空航天大学无损检测中心南京中国２１００１６）
摘要：本文介绍了剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术成像的原理，对剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术应用于无损检测领域中散斑图像的获取方法进行了说明，列举了两种方法所得的散斑图，并比较了剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术在无损检测领域的应用，可为激光散斑检测技术应用到无损检测工作提供有益的参考。
被测物
图ｌ电子散斑剪切干涉的光路系统
因此，电子剪切散斑干涉是同一个物体的两个剪切像的干涉。物面上的一点，经过剪切装置后，在像面上形成相邻两个点。假定是在ｘ方向剪切，由剪切镜产生的物面上的剪切量为６。．对于整个物体来说，在像平面上形成了两个相互剪切的像，它们的波前分别为：１３９
Ｆ＠，Ｙ）＝Ａｅｘｐ［ｑ）ｘ，ｙ）】（１）
ｔｅｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ
ＴｅｓｔＳｈｅａｒｏｐｈｙＰｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｉｎｇＥＳＰＩ１４３
在激光散斑应用于无损检测领域过程中，出现了剪切散斑干涉和相移ＥＳＰＩ两种技术，本文将就两种技术进行介绍并比较其在应用过程中的差异。
１、剪切散斑干涉技术：
１．１剪切散斑干涉的原理
电子剪切散斑干涉技术能直接测定位移的微分，对于应变非常有利。其基本原理是一般散斑干涉测量和剪切机理的结合，其装置是在一般散斑干涉测量光路的透镜前加上错位元件一剪切镜，通过不同的剪切元件，形成剪切散斑。其光路如图１所示，由激光器发出的激光经扩束镜照射在具有漫反射的物体上时，漫反射的光线通过剪切镜将产生偏折，在像平面上产生两个错位的像。它们在像平面上互相干涉，形成散斑干涉图像。该图像通过透镜由ＣＣＤ经图像卡采集到计算机中，并对变形前后的两幅散斑图像做相减模式处理，在计算机显示屏上即可实时显示物体变形信息的散斑条纹图。
电子剪切散斑干涉ESSPI实验教案
剪切电子散斑干涉术实验教案一、实验目的1.认识散斑现象和散斑的电子记录；2.了解剪切电子散斑干涉的原理和用途；3.了解剪切电子散斑图象处理的过程二、实验设备剪切电子散斑干涉大多使用剪切棱镜。
常见的剪切棱镜是Wollaston棱镜。
该棱镜是由两个直角棱镜组成，当一束光垂直入射到棱镜表面上时，在后表面形成两束互相分开的，振动方向互相垂直的平面偏振光。
这两束光互为参考光和物光而干涉, 但其振动方向互相垂直，所以需要在棱镜后加一块偏振片，使其振动方向相同。
光路布置如图1所示。
它的优点在于光路布置简单，两束相干光波强度基本相等，因而可达到等光强的要求。
L ：扩束镜 M ：反射镜 W ：Wollaston 棱镜 P ：偏振镜图3 剪切电子散斑干涉光路图三、剪切电子散斑干涉术基本原理剪切电子散斑干涉术(ESSPI)是继电子散斑干涉术后发展的一种测量位移导数的新技术。
它与电子散斑干涉术不同的是在光学结构上，后续的图象处理系统是相同的。
它除了电子散斑干涉术的许多优点外，还有光路简单，对振动隔绝的要求低等特点。
另外，它测量的是位移导数，在自动消除刚体位移的同时对于缺陷受载的应变集中十分灵敏，因此被广泛地应用于无损检测（NDT ）领域 。
除此之外，它与电子散斑干涉不同，其条纹与位移导数的对应关系可以在很大程度上调节变化。
3．1 剪切电子散斑干涉术的原理在剪切散斑照相机镜头前放置一个小角度的玻璃光楔块，光线通过此玻璃光楔块将产生偏折，在焦平面上产生与楔块的楔角相同方向的两个剪切的象。
这两个象是由激光形成的，它们将在焦平面上互相干涉而形成散斑干涉图象。
当两个变形前后的散斑干涉图象同时记录在一块干板上，经过处理后，将干板放在傅立叶滤波光路中，将出现一个表示物体位移偏导数的条纹图案。
图1是剪切散斑的光路图。
楔块的楔角为α，μ是折射率，在象平面上被测量物体的剪切量αμδ)1(1'-=D x 。
同样地，如折合到物体表面的剪切量为αμδδ)1(010'-==D D D x x (1)其中D 0和D 1分别为透镜到物体表面和到成象平面的距离。
多功能干涉测量实验装置
涵 盖传统 迈 克耳孙 干涉仪 实验 功能外 ， 还具 备球
收 稿 日期 ：０ ２０ —９修 改 日期 ：０ ２０ —９ ２ １—２２ ； ２ １—４０ 作 者 简 介 ： 中林 （９ ５ ）男 ， 北潜 江 人 ， 汉 软 件 工 程 职 业 学 院 副 教 授 ， 士 ， 王 １７一 ， 湖 武 硕 主要 从 事 应 用 光 学 、 光 加 工 方 面 激 的研 究 工 作 ．
图２ ～３所示 ．装 置采 用 十字 滑 台作 为基 座 ， 量 测
光 学零 件 面形时 ， ３中激 光光 源 采用 ＨｅＮｅ 图 － 激
２ 实 验 装 置 整 体 构 建
２ １ 装 置构 建基础 及有 关思 路 ．
光光 源 ， 源 模式 较 好 ．根 据测 量 精 度 要 求选 择 光 带 针孔 光 阑的不 同精度 准直 管 ．光 源 和 准直 管 的
第 ３ 卷 第 １ ２ Ｏ期
２ ２年 １ ０１ Ｏ月
物 理 实 验
ＰＨ ＹＳ ＣＳ ＥＸＰＥＲＩ ＥＮＴＡＴＩ Ｉ Ｍ ＯＮ
Ｖｏ１ ２ Ｎｏ．１ ．３ ０ ０ ｃ ．， ｔ ２０１ ２
多功 能 干 涉 测 量 实 验装 置
王 中林
（ 汉软 件 工程职 业 学院 ， 北 武汉 ４ ０ ０ ） 武 湖 ３ ２ ５
第 １ Ｏ期
王 中 林 ： 功 能 干 涉 测 量 实 验 装 置 多
３ ３
放置 待测 平面 光 学零 件 ， 源 采 用激 光 光 源 平行 光
鼍 导● 电 轨 一 光 栅 位 移 控 处 理 电 路
ｌ 学样板夹 光 Ｉ向 具，具备横
ｌ水平面旋转 纵向、
、
光 ， 整零件支架 ， 调 利用 望 远镜 观测 等 厚 干 涉 条
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数字（剪切）散斑干涉实验教学的多功能加载装置
马杭吴鸿陈彩凤
（上海大学理学院力学系，上海200436）
A multi-functional loading frame for teaching purpose with digital
(shearing) speckle pattern interferometry
Ma Hang Wu Hong Chen Caifeng
(Department of Mechanics, College of Sciences, Shanghai University, Shanghai 200436)
摘要：设计了一种简单的数字（剪切）散斑干涉实验教学的多功能加载装置，利用该装置可实现多种加载方式且加载位置能够调节。
将加载条件、试样类型（内含各种缺陷或不含缺陷）和实验方法（离面位移、不同剪切方向的离面位移梯度）进行不同的组合，可以实现散斑干涉实验教学的多样化和个性化，有利于启发学生思考，激发学习兴趣，实现创新意识的培养并提高他们的动手能力。
关键词：数字散斑干涉，剪切散斑干涉，实验教学，多功能加载装置，缺陷识别
用激光照射物体表面，在物体表面前方的空间形成随机分布的明暗斑点—散斑，这些散斑随着物体表面的位移或变形而运动，记录物体变形过程中的散斑图并结合具体的光路布置加以分析处理，可以实现物体表面位移或位移梯度的高精度测量，即散斑测量法。
在光测力学的各种方法中[1-2]，由于散斑法对被测物表面无特殊要求，灵敏度的数量级大约为光的波长量级，对于隔振的要求相对较低，能够直接应用于工程构件的现场测试，具有发展成为实验分析领域内较为理想的测试方法的潜力。
散斑法分为散斑干涉（双光束散斑干涉）和散斑照相（单光束散斑干涉）两大类，是激光技术、计算机数字图像、全息干涉技术相结合的产物。
在两大类散斑方法中，双光束法的灵敏度较高，量程较小，其上限为散斑颗粒尺寸，而单光束法的灵敏度较低，量程较大，其下限为散斑颗粒尺寸，两大类方法在测量精度和范围上正好互补。
近年来，单光束法逐渐发展为图像相关技术。
本文主要介绍以双光束散斑干涉技术为基础的实验教学改革。
实验教学在本科生和研究生的培养中占有不可替代的重要地位，在力学的实验教学中引
入散斑干涉实验有利于学生接触和了解现代测试技术，拓宽视野。
但在以往的实验教学中，由于加载条件单一，实验获得的条纹图像单一，学生动手的机会较少，主动性不易发挥，实验以后的印象不深。
为了克服这个缺点，加强素质培养，我们结合本科生的毕业设计工作，设计了一种简单的数字（剪切）散斑干涉实验教学的多功能加载装置，利用该装置，可以自由选择加载条件，选择或设计新的试样，如果结合各种实验光路如离面位移或离面位移梯度等进行组合搭配，即可实现条纹图像的多样化，避免了实验结果的千篇一律，大大增加了学生动手的机会，有利于激发学生的学习的兴趣，实现创新意识的培养。
图1 散斑干涉实验教学的多功能加载装置
加载装置如图1所示，其主体为正方形框架（4），平板试样（1）采用中空的正方形压框（5）和框架周边的螺钉（3）加以固定，平板试样的有效工作区域面积为。
用安装在滑块（6）上的测微尺（8）从试样的背面对试样进行加载，产生离面位移。
滑块（6）可以沿正方形框架后部的导杆（2）滑动从而实现加载位置的调节，位置调节好以后，用紧定螺钉（7）将滑块固定。
通过加载装置下部的插杆（9）和套筒（图中未画出）可以调节主体框架的高度，套筒与下部的磁性表座（图中未画出）连接。
2
6060mm × 利用该加载装置很容易实现多种支撑与加载方式的组合，例如周边固定（固支）、对边
固定（简支）、邻边固定、单边固定（悬臂）等等。
试样采用厚的铝板制作，为了模拟构件中隐藏的内部缺陷，可在试样背面按一定方向刻出深度约为1的槽。
mm 2mm 以下结合图2给出的几个典型的含缺陷试样的数字散斑干涉的条纹图象对缺陷识别做简要的定性讨论，其中拍摄图像使用的激光波长为532.8nm 。
一般而言，散斑干涉离面位移测量对缺陷不敏感，这是由于含缺陷试样的离面位移虽然不光滑，但反映离面位移的条纹仍然是连续的（位移场连续），如图2（a ）所示。
仅在某些特殊条件下可以利用离面位移的条纹进行缺陷识别，如图2（b ）所示，产生该图像的试样是右端悬臂支撑左端加载，缺陷两侧的位移差别较大，因而条纹的疏密程度不同。
与离面位移相反，试样缺陷处的离面位移梯度将产生间断，反映位移梯度的条纹一般是不连续的，因此剪切散斑干涉的图像对于缺陷十分敏感，十分适于进行结构物的缺陷识别，但要求剪切方向与缺陷的走向成一定的角度，换言之，剪切散斑干涉的方位对于缺陷仍然存在着盲区。
图2（c ）和（d ）给出的剪切散斑条纹图像分别与图2（a ）和（b ）的离面位移条纹的图像为同一块试样在相同的支撑和加载条件下得到的，其中图2（c ）中缺陷的两侧分别只出现了两级条纹，而图2（d ）中缺陷的两侧分别只出现了一级条纹。
事实上，利用剪切散斑干涉进行缺陷识别时，在加载过程中进行动态识别远比图2的静态识别的效果要好，学生们在实验中进行的实时观察要远比本文给出的静态图像生动。
另外，两个图的中部边长10mm 的（隐约可见）小方框的作用是图像聚焦，经过剪切棱镜的作用，两个图中的小方框分别沿剪切方向变成了两个，如图2（c ）和（d ）所示。
如上所述，利用多功能加载装置加载方式的多样性，利用不同的试样以及不同类型的缺陷的组合，结合离面位移和不同剪切方向的离面位移梯度的测试手段，不难得到数十种各不相同的条纹图像，为散斑干涉法的实验教学创造了良好的条件。
多功能散斑实验面向我校力学专业本科生和研究生开设，在教师的指导下，可以让学生自行选择加载方式，自行设计缺陷类型，自己动手加工试样的缺陷，给学生提供充分的动脑和动手的机会，使得每个学生都有可能获得与众不同的实验结果。
由于结果各不相同，每个学生对自己的实验结果进行整理和分析时必须独立思考，通过实验结果的比较和交流，自然会增加收获，从而对实验的整体（原理、装置、光路、功能、用途、试样的变形与加载和缺陷的关系等）获得好的认识与理解，留下较深印象，实现启发思考、激发兴趣、培养创新意识、提高学生素质的实验教学目的。
参考文献
1．戴福隆等编著．现代光测力学．北京：科学出版社．1990年
2．赵清澄主编．光测力学教程．北京：高等教育出版社．1996年
（a）（b）
（c）（d）
（a）离面位移条纹，简单支撑，中部加载
（b）离面位移条纹，悬臂支撑，左端加载
（c）位移梯度条纹，简单支撑，中部加载，剪切方向与缺陷走向垂直（d）位移梯度条纹，悬臂支撑，左端加载，沿垂直方向剪切
图2 散斑干涉的条纹图象。