09-云纹测量技术
3云纹法
（11-4） （11-5）
第十一章 云纹法
光测力学
一般情况下，云纹条纹指的就是等差条纹，条纹级数 由两栅的栅线序数之差决定。
第十一章 云纹法
光测力学
根据图中几何关系可得节距为p1和p2的栅线方程各为
x lp1
x mp2 y tan cos
（11-6） （11-7）
将式(11一6)和(11—7)代入式(11—5)，得到云纹条纹的数 学表达式为
C
p1 p2
A2 B2
p12 sin2 p2 p1 cos 2
（11-9）
第十一章 云纹法
光测力学
当 0即两栅主方向完全重合，这时的云纹条纹是由
于两栅的节距不等引起的，条纹与两栅线平存，称作平行 云纹，其条纹间距为
x
p1 p2 p2 p1
（11-10）
当 p1 p2 p 即两栅节距相等并相对转动一微小角度
第十一章 云纹法
光测力学
二、反射云纹法
在薄板弯曲计算中，斜率可以从挠度云纹图的微 分中获得，也可用反射云纹法直接获得斜率等值线云 纹图。
第十一章 云纹法
有
Np 2(1 tan2 )
L
得到斜率表达式
w Np w
Np
x 2L x
2L 1 tan2
光测力学 （11-26）
从式（11-26）得到
（11-22）
第十一章 云纹法
光测力学
系数 a0 , a1, a2...的选取使得位移函数在
与该点上的云纹位移值 zi 之差最小，即
xi
点上的值 u(xi )
a j
m i 1
u(xi )
zi
2
0,
j
云纹干涉法的实验原理和发展现状
云纹干涉法 摘要：本文介绍了云纹干涉法的实验原理和发展现状，并介绍了与可分离贴片技术结合的贴片云纹法，然后介绍了云纹干涉法的应用，并对关于云纹干涉法的展望，提出了一点个人意见。
关键词：云纹干涉法；贴片云纹干涉法；干涉云纹法的应用1.云纹干涉法的原理和发展现状最常见的云纹干涉法光路是由Post 等人倡导的双光束对称入射试件栅光路, 如图1所示.Post 最早对云纹干涉法进行了解释【1】 ：对称于试件栅法向入射的两束相干准直光在试件表面的交汇区域内形成频率为试件栅两倍的空间虚栅, 当试件受载变形时, 刻制在试件表面的试件栅也随之变形, 变形后的试件栅与作为基准的空间虚栅相互作用形成云纹图, 该云纹图即为沿虚栅主方向的面内位移等值线, 并提出了类似于几何云纹的面内位移计算公式图1：最基本的云纹干涉法光路2x N U f = , 2y N V f= Post 的这种最初解释借助了几何云纹的基本思想, 给云纹干涉法以简单描述, 这对建立概念是有用的. 正像Post 所指出的一样, 云纹干涉法的本质在于从试件栅衍射出的翘曲波前相互干涉,产生代表位移等值线的干涉条纹【2】. 此后, 戴和Post 等人又从光的波前干涉理论出发对云纹干涉法进行了严格的理论推导和解释【3】当两束相干准直光A,B 以入射角θ= arcsin (λ f ) 对称入射试件栅时, 则将获得沿试件表面法向传播光波A 的正一级衍射光波A ’和B 的负一级衍射光波B ’. 当试件未受力时, A ’和B ’均为平面光波'exp[]'exp[]a b A a i B a i φφ=⎫⎬=⎭式中φ a ，φb 为常数。
当试件受力变形后, 平面光波A ’和B ’变为和试件表面位移有关的翘曲波前，其位相也将发生相应的变化，翘曲波前可表示为 11'exp[((,))]'exp[((,))]a a b b A a i x y B a i x y φϕφϕ=+⎫⎬=+⎭式中(,),(,)a b x y x y ϕϕ分别为变形引起的正负一级衍射光波的位相变化, 它们与试件表面x 方向的位移U 和z 方向的位移W 有如下关系[][]2(,)(1cos )sin 2(,)(1cos )sin a b x y W U x y W U πϕθθλπϕθθλ⎫=+-⎪⎪⎬⎪=++⎪⎭正负一级衍射光波在象平面上发生干涉, 其光强分布为 }{21111('')('')21cos[(,)]I A B A B a x y αδ=++=++式中a b a φφ=-为常数，4(,)(,)(,)sin a b x y x y x y U πδϕϕθλ=-=。
离面位移
θ= arcsin (λf )
f ：试件栅的频率 λ：波长 由光栅的衍射方程: sinφ = mλf – sinθ m :衍射波级次（m=1,2,..n） 可知,它们一级衍射光的衍射角为:φ1 = 0 ,即其±1 级衍射光波A′、B′ 均沿试件栅法线方向行进。 如果试件栅非常平整,试件亦未受力,则两个正、负一级衍射波A′、B′ 可视为平面波,并分别表示为： A′= Ae iφa B′= Ae iφb 式中: A －振幅,对于平面波位相φa 和φb 皆为常数
制栅技术
－云纹光栅的制作是云纹干涉法的重要内容，它是影响和制约云纹干 涉法的推广应用的关键技术。
制备方法：
机刻－昂贵、成本高，且光栅频率受限，已基本不用。
光刻－采用激光全息干涉系统和光致抗蚀剂（光刻胶）。
旋转电光源全息光栅制作系统：
－根据全息干涉原理，全息光栅的频率与双光束的夹角2 和光源的波 长 有关，
V场、100C0、2kN
U场、350C0、1.4kN
V场、350C0、1.4kN
－根据记录下的加载载荷，并利用云纹法测得的纵、 横向变形即可求得铝基碳化硅的弹性模量和泊松比。
云纹法应用与铁电陶瓷在机电耦合条件下
破坏行为的研究
力电加载装臵
力载荷恒定不同电载荷下裂纹尖端位移场
最后求得在裂纹尖端处的正应变场
为了Y和Z方向的等值线（位移场）可用四光束云纹干涉 法
u 1 N x 1 N x x x 2 f x 2 f x
1 N y 1 N y y y 2 f y 2 f y
1 u 1 N x N y xy 2 y x 4 f y x
当δ( x , y) = 2 N xπ- m 时,干涉光强最大即是亮条纹,代入上式中 得 u ( x , y) sinθ =λ/4π(2 N xπ - m) 若入射光满足sinθ=λf ,则:
云纹
当 0 . 6 3 3 m p 1 / 6 0 0 m m 2 2 . 3
干涉云纹技术(Moire Interferometry)
试件变形前 反射光波复振幅：
O 1 A e ix 1 ;O p 2 A e ix 2 p
试件变形后 反射光波复振幅：
云纹技术 (Moiré Method )
两族条纹相重叠所产生的新的花样， 叫做云纹。中文曾翻译为莫尔条纹、莫阿条 纹等，后定名为云纹。为和另一种干涉云纹 相区别，这种云纹称为几何云纹。
出于测量的目的，一般地用两个规则的 等间隔平行线栅去构成云纹。一个栅随试件 的变形而变形，称试件栅(或变形栅)，另一 个栅保持不变，称参考栅(或基准栅)。它们 重叠在—起所产生的云纹，将给出试件变形 或形状的信息。
云纹技术(Moire Method)
条纹移动法:
阶数增减方向的确定 当参考栅向位移正
向移动时, 条纹由低阶 向高阶移动, 即条纹移 动方向是条纹(代数)级 数增加的方向.
小数阶条纹的读取 当参考栅移动1／k节距时，云纹条纹由N级 移动到Nห้องสมุดไป่ตู้(1/k)级。
云纹技术(Moire Method)
bdad-aNbp
h taα n taβ n Np
h ac＋ceh DNp Lh Lh Lh
h LNpN L p D-Np D
云纹技术(Moire Method)
影栅云纹应用实例：
栅线板沿主方向运动前
栅线板沿主方向运动后
云纹技术(Moire Method)
接收光强：I 4 A 2 c o s 2 2u x ,y ,ts in 4 A 2 c o s 2 2 p u x ,y ,t
数字云纹
3.1相移技术
要想获得准确的相位分布，就要通过去包裹 算法处理。下面给出了以四步相移法为例，通过 加窗滤波 WFT （ windowed Fourier transform ）的 方法 : 先将相位图中的噪声滤除，再用传统的解包 裹方法进行相位展开。这种方法可以保证一幅图 里无效的数据不会被传播，对坏点有较好滤除效 果。
数字云纹法在玻璃带 实时质量检测上的应用
技术背景
目前，浮法玻璃缺陷妨碍了它在重大技术领域中的应 用，它不但影响了产品的外观，同时由于它的不平整度 及屈光度的影响，使得人透过玻璃观察实物时受到障碍。 面外云纹法三维检测技术是一种具有代表性的光学全场 无接触式检测方法，将之与相移技术结合，将相位测量 引入其中，开发出一套实时相移数值云纹检测方法，将 其应用到玻璃带实时质量检测中，能够计算出缺陷的大 小、位置和屈光度。
图 1 玻璃带实时质量检测装置简图
图 2 为无缺陷的条纹图
2. 缺陷的大小、位置的计算及其缺陷种类的判 断 缺陷的种类判断依据很多，可以由其（ 1 ） 缺陷形状，（ 2 ）缺陷所占面积，（ 3 ）长， 宽，以及长与宽比的阈值，（ 4 ）缺陷内部透 光性或最大的折射强度，（ 5 ）畸变区域与周 围光强的区别等来判断。常见的几种缺陷为： 玻璃气泡、结石、锡点及复合型等。
基本原理
1 实时相移数字云纹检测 对于玻璃原板试件，其透射性较强，反光性较弱， 因此采用透射式云纹光路，通过两次曝光得到的是等 斜率云纹图，其检测装置简图如图 1 所示。在玻璃生 产线中，当玻璃从退火窑出口处流出时，用线阵 CCD 采一幅没有玻璃缺陷的条纹图（即为变形前 , 如 图 2(a) ）存在计算机里，称为基准栅，随后不断用采 得的条纹图（即为试件栅）与存入的基准栅作相减运 算。
散斑干涉条纹测量系统设计
散斑干涉条纹测量系统设计散斑干涉条纹测量系统是一种非接触式三维测量技术，它通过利用光的干涉现象，对物体表面进行高精度测量。
该系统广泛应用于工业、制造、医疗等领域，具有高精度、快速、非接触等优点。
本文将着重介绍散斑干涉条纹测量系统的设计过程，包括系统的基本原理、硬件设备、软件编程等方面。
一、系统原理散斑干涉条纹测量系统基于光的干涉原理，通过光的空间相干性实现物体表面的测量。
主要包括两部分，散斑光源和干涉仪。
散斑光源是通过激光器、铁氟龙透镜、透镜、光圈等器材组合而成，能够在物体表面产生一系列随机排列的散斑点。
光照射于物体表面后，散斑点会因物体表面的形态而产生多种不同的偏移角度和干涉强度，形成干涉图案。
而干涉仪则通过反射镜、分束器、光电二极管等器材，将干涉图案转换为电信号。
当光束经过反射镜反射后，被分成两束光。
这两束光返回的光路不同，因此产生不同的光程差。
当它们再次汇合时，就会产生干涉。
光电二极管可将干涉条纹转换为电信号，并经过放大电路放大信号，最后由计算机处理并得到物体表面的三维信息。
二、硬件设备散斑干涉条纹测量系统的硬件设备主要分为散斑光源和干涉仪两部分，下面将分别进行介绍。
1. 散斑光源散斑光源是产生散斑点的光源，其主要组成部分如下。
（1）激光器。
激光器是产生激光束的装置，可通过调整激光器的波长、功率等参数，实现最优的测量效果。
（2）铁氟龙透镜。
铁氟龙透镜具有高折射率、低色散的特点，可以有效地减小色散引起的误差，提高系统的测量精度。
（3）透镜。
透镜用于调节和聚焦激光束，使其能够产生一定大小的散斑点。
（4）光圈。
光圈用于控制散斑点的大小和密度。
2. 干涉仪干涉仪主要用于将干涉图案转换为电信号，并通过计算机处理成三维信息。
其主要组成部分如下。
（1）分束器。
分束器（如菲涅耳透镜等）将反射回来的光束分成两束，并使其产生一定的相位差。
（2）反射镜。
反射镜用于反射光束，将其分成两束，然后经过分束器产生干涉。
应用自动相移影像云纹法测量物体的三维形貌
Ｊ夕
１
．
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相机 照
文献 ［ ］中相移技 术 的引入 和 Ｆｕ ｅ 变换 分析 ２ ｏｒ ｒ ｉ 法 就是从算法的角度提 高精 度，但实 现又很复 杂 。本 文提 出并研 制 了新 的相移 影像 云纹 测量形 貌 的仪器 ，可以通过 自动相移机构实现 自动化和数字 化测量的要求 。为工程实 际应 用提供一种操作 简 单、精度高、非接触的测量和检测仪器 。
去 ，可 以看 到被测 量物 体 的三维 形貌 等高 线 。这是 典 型 的光学无 损检 测方 法 ，广泛 应用 在制 造业 、医
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，
学 、电子等行 业 。早期 的影像 云 纹仪 只能 通过 肉眼 对 整数级 的条 纹 进 行 判读 ，故 精度 受 到很 大 限 制 ，
Ａｐ ｌ ａｉｎ ｏ ｈ ｄ ｗ－ ｏｒ ｎ Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｐｉ ｔ ｆＳ ａ ｏ Ｍ ｉｅ ｉ ａ ｕ ｅ ｎ ｃ ｏ ａ ｄ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ Ｄ ｏ ｅ ｂ ｈ ｓ －ｈｆ ｎ ｓ ａ ｃ ｎ ３ Ｐｒ ｆ ｙ Ｐ ａ ｅ ｓ ｉ ｉ ｔ
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第２ ９卷 （ ０７） ２期 ２０ 第
Ｄ ｅｅ Ｅ ｇｎ ｉｓｌ ｎ ｉｅ
柴 油 机
Ｖ １２ （ ０ ７） Ｏ ２ ｏ． ９ ２ ０ Ｎ ．
应 用 自动 相 移 影 像 云 纹 法 测 量 物 体 的 三 维 形 貌
陆 鹏
（ 一一研 究 所 ，上海 ２ ０ ９ ） 七 ０００ 摘 要 ：影像 云纹法测量三 维形貌可直观判 别被 测物的外形 ，得到 实际的三维尺寸。但该方 法只能得
ｋ ｙ ｒ ｓ： ｈ ｄ ｗ・ ｉ ； ３ — ｒｆ ｅ ｃ ｎｏ ｒｌ ｅ ａ ｅ ｓ ｉ ｅ ｗｏ ｄ ｓ ａ ｏ ｍｏｒ ｅ Ｄ ｐ ｉ ； ｏ ｔ ｕ ｎ ；ｈ ｓ ・ｈ ｆ ｏ ｌ ｉ ｔ
主体结构检测在工程建设中的重要性
主体结构检测在工程建设中的重要性摘要：在我国进入21世纪迅猛发展的新时期，社会主义经济迅猛发展的新时期，对建筑工程主体结构质量检测的目的与意义进行了简要的论述，明确了其对于建筑安全的重要性，介绍了在建与已建建筑工程主体结构质量检测的主要内容。
针对已建工程主体结构混凝土构件、砌体构件等不同组成部分的质量检测方法进行了较为全面的总结，并概述了部分代表性检测技术的应用方法，同时，对在建项目施工过程中所使用的混凝土和钢筋等原材料提出检测方法。
关键词：主体结构检测；工程建设；重要性前言：目前，建筑产业结构发生大幅度调整，基础设施工程的建设虽然速度较为缓慢，但增加量依然较大。
建筑工程主体结构检测随着经验的增加，检测技术和检测设备等不断更新，有利于保证检测结果的准确性，对于提高人民群众的财产安全有着重要的现实意义。
故而，建筑结构主体检测机构和工作人员，应积极采用先进的技术手段和方法，提高检测质量和效率。
1主体结构检测在工程建设中的重要性1.1有利于建筑工程质量的全面管控建筑工程中出现的质量问题主要包括以下几个方面。
第一，裂缝问题，其一直是影响建筑结构的重要问题。
裂缝的严重程度不同，对建筑结构的质量与寿命的影响也不同。
一般情况下，裂缝往往是因建筑材料的质量不符合要求而造成的。
第二，结构缺陷，包括力度不足、稳定性不足，这对建筑结构的影响非常大，其会导致建筑主体结构的强度不足，并且还会由于裂缝等其它质量问题导致缺陷加剧，严重影响建筑主体结构安全及其功能。
所以，要想保障建筑质量，除了要在做好设计管理工作以及在施工过程中做好管理工作之外，还要高度重视检测工作的开展，并应用有效的检测技术对建筑结构主体进行科学的评估。
同时，结合评估结果对其中存在的质量问题采取相应的解决措施，确保建筑的功能与质量。
1.2有利于提升企业经济效益在进行建筑工程结构检测的过程中，其检测人员往往会选择性价比较高的材料，这不仅有利于促使建筑工程的施工质量符合相应的标准和要求，同时也能在一定程度上提升建筑施工单位的经济效益，降低建筑施工成本的投入。
应变分析的云纹法
§ 1 概述云纹法（moire method）是利用栅线干涉所形成的条纹，称为云纹，以测定受力物体的位移场或应变场的新型实验应力分析方法。
此法的取名和中国古代输往欧洲的云纹绸等丝绸的编织技艺有关。
国外就是利用了中国丝绸中因纤维交叉编织而形成的条纹，即云纹（moire）一词，来命名此法的。
云纹方法适用的测试范围是比较广泛的，可以在不同的工作条件下对各种对象进行测试。
例如，不同的温度（常温、高温、低温），不同的受载（静载、动载），不同的测试时限（冲击、爆炸等瞬时测试和蠕变、松弛等长期测试），不同性质的变形（弹性、塑性、粘弹性等），不同量程的变形（小变形、大变形），任意性能的固体材料（透明的或不透明的、金属的或非金属的、各向同性的或各向异性的、应力应变关系为线性的或非线性的、弹性模量高的或低的、以及聚合或复合材料等）。
尤其在应用于高温、塑性、大变形、复合材料、弹性模量特别低的材料以及需要进行长时限测试等方面，更显出云纹法的特点——对温度的上限﹡、变形的量程、测试的时限以及固体材料的不同性能等都没有什么限制。
还可以对像航天、核能工程等温度极高的严酷工作条件下进行测试。
云纹法的一种——影子云纹法，可以简便有效的用于测试人体背部的等高线（图1），使体格检查中关于脊椎骨是否扭歪的检查，只对少数等高线左右不对称的病例（图1）（a），才需要配合X光作进一步检验（图1）（b）。
还可用于检验齿轮环的侧平面的不平度（图2）。
虽然早在19世纪70年代，就因衍射光栅的制造和理论方面的进展，有关云纹干涉的物理现象已被观察和描述出来。
但其应力受到当时栅板制造技术水平的限制，还只能用于检查透镜质量、测定两块栅板间相对位移等狭小的范围。
作为云纹法发展成为实验应力分析方法的早期标志，是在1948年首次运用云纹干涉测定等间隔穿孔的简支梁的挠度、圆环受载后的面内位移、试件内表面（球面）的等深线。
以及1952年用于测定二维应变场的各个应变分量。
云纹法
或者由 同理可得：
y
v P y y y v P x x x
三．条纹级数的确定和应变分析 1． 条纹级数的确定 云纹条纹级数的确定是云纹应变定量分析的基础。
（ 13）
简单情况下，根据具体问题的位移，载荷和边界条件即可确定； 复杂情况时，结合零偏导数线和奇异点的特性，确定条纹级数的分布规律； 更复杂情况下，需要借助转动参考栅等实时云纹技术。 具体方法可参考有关书籍。
d
Ax 0 By 0 C A B
2 2
（5）
所以：得原点 N=0 级（ x0=0， y0=0）至 N=1 级的条纹的距离 δ：
C A2 B2 P1 P2
（6
(P1 - P2 cos ) ( P1sin )
2
2
• 2．平行云纹和转角云纹： • 1)平行云纹： • 当θ=0，P2≠P1时，由（6）式可得： • （7） • 即当两栅线间加角为零，而栅距不相等时形成平行云纹，云纹条纹与 栅线平行，条纹间距由（7）式求出。均匀拉伸时生成的云纹属于此 情况。平行云纹生成的示意图如图3(a)所示。
三、云纹条纹的性质 • 1．条纹间距： • 如图所示：
•
图7-2 等和条纹和等差条纹
第一组栅线平行于 y 轴， x lP1 第二组栅线平行于 x’轴， y mP2
‘
yox' 为两组栅线间夹角
由坐标系变换公式， （ x， y）旧系， （x’， y’）为新系，所以有：
y' x cos y sin
1． 作图法求应变 一点的应变状态（四个偏导数）可以通过两个方向的云纹图用作图法来求得，如图 5 所 示。次云纹图为 u 位移场，主方向沿 x 方向。
09-云纹测量技术
S
试件栅
p ' p p p (1 ) s p (1 )
p s p
P
p s
p s
33
由云纹计算应变的方法:
转角云纹
B1 B A A1
pm
O
C
D
ps
ps
1
y
BB OB
1
OB
1
OB
pS pS pS
1
OB
y
pm pS
49
当试件表面具有三维位移时，位相变化与位移的 关系：
2 O ( x, y ) [ w ( x , y )( 1 cos ) u ( x , y ) sin ] ( x , y ) 2 [ w ( x , y )( 1 cos ) u ( x , y ) sin ] r
40
全息光栅的形成
准直激光
激光感光胶
2β
空间虚栅
f
2 S in
600-2400线/毫米
云纹干涉法采用的光栅频率f通常为1200线/mm，也有采用 600和2400线/mm的.通过使全息干板转动90度进行二次曝 光可获得正交型光栅,则可用于二维面内位移场和应变场 测量. 41
如同普通云纹法，也可以将全息试件 栅放入制栅光路里进行实验：
2
( x, y )
51
四、位移与条纹级数的关系
U
N x
2f
V
N y 2f
52
五、位移与栅线节距的关系
U
应用于微细尺度流体温度测量的激光云纹技术
（ 清华 大学 ｌ 力学 系 ， ｌ 程 北Ｉ １０ ８ ） Ｉ ； ００４ ！ ＝
摘 要 卑 义提 『 了一 种可 用于微 细心度 流 体温度 测量 的激 光 ｉ纹 技术 它利用 光 线穿过 两１ 等节距 的光栅 产 生莫 尔条 ｆ ＿ 、 纹 的原理 ，山婪尔 条纹 的位 移量 束计算 光线 穿过 热流体 时产 生的偏 转角，从 『获得流体 的温度 场 分布 激 光云纹技 术 具有 ｌ ｉ ｆ 灵敏度高 ，稳 定性好 夺问分 辨率高 等 一系列优 点，为微 度传 热的宴 验研 究提 供了测 试方法 。本 史详细 阐述 了激 光 云纹 技术 的光学 原理 、蜜验装 置厦 其所 获得 的实验 结果 关键词 云纹偏 折法；微 尺度 ；汛 场 显ｊ 温度 测 星 文 献标识 码：Ａ 文 章编 号：０ ５—３ Ｘ ２ ０）３０３ －３ ２ ３２ １ （０２０ —３ ９０
Ａ ｂｓ ｒ ｃｔ ｔａ
Ａ ａ ｅ ｏ ｒ ｅ ｌ ｉ ｕｅ ｐ ｉａ ｌ ｏ ｅ ｐｅ ａ ｕｒ ｎ ａ ｕ ｅｎｅ ｔ ｌｎ ｒ ｍ ｉｒ ｃ ｋ ｌｓ ｒ ｍ ｉ６ ｔ ｃｍ ｑ ａ ｐｌｃ ｂ ｅ ｆ ｒ ｔ ｍ ｒ ｔ ｅ ｉ ｅ ｓ ｒ ｌ ｎ ｎｉ ｉｏ ｃ ｏ ｓ ａ
中图分 类号：ＴＫ ２ １４
ＬＡ ＳＥＲ ０ Ｉ Ｅ ＥＦＬＥＣ Ｔ０ Ｍ ＥＴＲＹ ＰＰＬＩＣＡＢ ＬＥ Ｍ Ｒ Ｄ Ａ Ｆ０Ｒ ＴＥＭ Ｐ ＥＲ ＡＴＵ Ｒ Ｅ ＥＡ ＳＵ ＲＥ Ｍ Ｅ Ｎ Ｔ Ｎ Ｉ １ Ｍ Ｉ Ｍ Ｎ ０Ｒ Ｉ Ｍ ＣＲ０ ＳＣ Ａ ＬＥ ＦＬ０Ｗ
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蓖 ２ ３卷 第 ３娟
２ ０ 年 ５月 ０２
工 程热物 理学 Nhomakorabea报
Ｖｏ ＿３ ｌ ．Ｎｏ ３ ２ ． Ｍ． ． ０ ２ ａ ２０ ｖ
测绘技术中的历史性测量方法
测绘技术中的历史性测量方法测绘技术是一门古老而又不断发展的学科，其起源可以追溯到人类对地球形状和空间位置的认识。
而在这个过程中，测量方法在很大程度上促进了测绘技术的发展。
本文将探讨测绘技术中的一些历史性测量方法，并从技术发展的角度分析其优缺点及应用。
一、经典测绘方法经典测绘方法是测绘技术中的一个重要分支，它主要以三角测量为基础。
三角测量方法最早出现在古希腊时期，那时人们利用太阳或星辰的角度来测量距离和方位，从而确定地球上不同地点的位置关系。
在此基础上，人们发展出了许多经典的测量方法，如尺规作图、三角形法等。
经典测绘方法优点在于简单易行且精度较高，但也存在一些问题。
首先，这些方法需要大量地面工作，对测量人员的技术水平要求较高。
其次，由于依赖地面视线与光线照明，受到地形和天气等因素的限制较大。
最后，测量结果受到误差积累的影响，精度有一定限制。
二、全球定位系统20世纪末，随着卫星技术的发展，全球定位系统（GPS）逐渐成为测绘技术中的一项重要工具。
GPS利用卫星发射信号和地面接收器，通过计算信号传输时间和卫星位置来确定地球上不同位置的坐标。
这一技术不仅提高了测绘的精度和效率，还可以在全球范围内实现高精度定位。
与经典测绘方法相比，GPS具有许多优点。
首先，GPS测量速度快、精度高，适用于各种复杂的地理环境。
其次，GPS可以同时测量多个目标点，提高了工作效率。
此外，GPS还可以实现连续测量，监测地表变形和运动等。
然而，GPS也存在一些局限性。
首先，GPS在城市峡谷、森林和建筑物高密度地区等信号遮挡较多的地方精度较低。
其次，GPS接收器的价格和维护成本较高，对于一些资源有限的地区来说，难以普及和应用。
三、无人机测绘技术近年来，无人机技术的快速发展给测绘技术带来了革命性的变革。
无人机测绘技术通过无人机搭载的航摄设备，获取大规模空中影像，再通过图像处理技术，提取地物信息和地形数据。
这种技术具有快速、灵活、高效等优点，已经广泛应用于土地测绘、灾害评估、环境监测等领域。
第八章云纹干涉法
云纹干涉法实验云纹干涉法是应用高密度衍射光栅和激光干涉技术进行位移和变形测量的一种现代光测力学实验方法.这种方法具有高灵敏度、全场分析、实时观测、高反差条纹和非接触测量等优点。
近年来，已经在材料科学、微电子封装、断裂力学、细观力学、残余应力测量等方面获得了成功的应用。
是一种具有发展和应用前景的新的实验力学方法。
§1衍射光栅一、衍射方程衍射光栅是由很多平行、等宽、等间距的狭缝组成的，如图1a 所示，为平行光栅。
两组互相垂直的平行光栅可组成正交光栅。
为了能测量二维位移场，云纹干涉法用的为正交光栅。
当波长为λ的平行光束，以ϕ角为入射角入射节距为p 的光栅时，根据两相邻狭缝的光束之间的光程差为λm 可计算出第m 级光谱与对应衍射角m θ之间的关系式，即光栅方程为()λθϕm Sin Sin p m =+（1）上式也可用光栅频率f(线/mm)来表示, 因pf 1=f m Sin Sin m λθϕ=+(2)当衍射光方向与入射光方向处于光栅平面法线方向同一侧时，式中的m θ取正号、反之取负号。
光栅方程是用来确定光波入射角与不同级次光谱衍射角之间的关系的, 如图2所示。
二、全息光栅两束准直的激光束A 和B 以一定的角度2α在空间相交时（图2a ），在其相交的重叠区入射光1 2-1XP =1/fϕmθ图1a 平行光栅域将产生一个稳定的具有一定空间频率f 栅距为p 的空间虚栅，虚栅的频率f 与激光波长λ和两束激光的夹角2α有关，并由下式决定αλSin f 2=（3）将涂有感光乳胶的全息干板置于图2所示的空间虚栅光场中，经曝光后，干板上将记录下频率为f 的平行等距干涉条纹。
经过显影以后的底板,将形成图2b 所示的波浪形表面，这个波浪形表面便构成了频率为f 的 位相型全息光栅，将这块光栅作为模板，便可用它在试件上复制相同频率的位相型试件栅。
云纹干涉法采用的光栅频率f 通常为1200线/mm ，也有采用600和2400线/mm 的.通过使全息干板转动90O 进行二次曝光可获得正交型光栅,则可用于二维面内位移场和应变场测量.§2面内位移场一、面内位移场实时观测将复制好云纹光栅的试件置于云纹干涉光路系统中可测量全场面内位移。
测绘技术中的传统测量方法详解
测绘技术中的传统测量方法详解测绘技术是现代社会中不可或缺的一部分，它应用广泛，包括土地测量、建筑设计、地理信息系统等诸多领域。
虽然如今测绘技术已经进步到了无人机激光扫描仪、卫星遥感等高科技手段，但传统测量方法仍然是基础和重要的一环。
本文将深入探讨测绘技术中的传统测量方法。
一. 上世纪的测绘方法随着科技的发展，测绘技术在过去几十年内取得了巨大的进步。
然而，在上世纪，测绘技术依赖的是传统的测量方法。
这些方法主要包括三角测量法、水准测量法和导线测量法等。
1. 三角测量法三角测量法是基于三角形的几何原理进行测量的方法。
该方法利用三角形的边长和角度测量目标的位置和距离。
在测绘中，经常使用的是三角形的内角和外角的测量，以确定目标点的坐标。
2. 水准测量法水准测量法是测定地面点高程差的一种方法。
它利用测量垂直线与水平线之间的夹角，以及参考点的高程来确定目标点的高程。
这种方法在测绘地形和地下水位等方面非常重要。
3. 导线测量法导线测量法是一种利用绳子或金属线测量距离和角度的方法。
该方法常用于建筑物、道路等线性结构的测量，能够准确地确定各个点之间的距离与方向。
二. 传统测量方法的优点与局限传统测量方法之所以被广泛采用，是因为它们具有一些独特的优点。
首先，传统测量方法相对简单，不需要高度复杂的设备和技术。
其次，它们更加准确，可以满足一般的测绘需求。
而如今的高科技测量设备则可能过于精确，不符合实际需要。
然而，传统测量方法也存在局限性，主要是测量效率低下和依赖人工操作。
三. 传统测量方法的应用尽管现代测绘技术已经取得长足进步，但传统测量方法仍然在许多领域得到广泛应用。
1. 建筑设计中的传统测量方法在建筑设计过程中，传统测量方法的应用非常重要。
工程师需要准确测量建筑物的空间尺寸、土地坡度等参数。
传统的导线测量法可以帮助工程师确定不同建筑物之间的距离与夹角，为建筑设计提供必要的数据。
2. 地质勘察中的传统测量方法地质勘察是对地下地质情况进行系统调查和研究的过程。
结构检测常用方法
结构检测常用方法重大土木工程结构的可靠性对社会、经济以及人民生命财产的安全都有重要的影响，正确评定结构的实际性态，是确定可靠性的前提，而这些就需要用到建筑结构检测技术。
结构检测方法总体上可以分为两类、即静态检测方法和动态检测方法。
本文试对其现状和发展趋势进行评析和展望。
静态检测方法静态检测方法是传统的检测方法，这一方法的数据较准确，但对于大型结构，体量大，构件多，而且有的部位无法检测，从而受到限制。
回弹法是用回弹仪弹击混凝土表面，由仪器重锤回弹能量的变化，反映混凝土的弹性和塑性性质，测量混凝土的表面硬度来推算抗压强度。
回弹法的优点是仪器简单，检测效率高，费用低，但也有一定不足，回弹值受到碳化深度、测试角度的影响，要对回弹值进行不同的修正，而且耗费大量人力和时间。
雷达法是以宽频带短脉冲形式，将高频电磁波由地面通过发射天线定向送入地下，经过存在电性差异的混凝土反射返回地面，被接收天线接收。
当发射与接收天线以固定的间距沿测线同步移动时，就可得到反映测线处地下混凝土质量缺陷分布情况的雷达图像。
当混凝土均一性差时，如存在蜂窝、架空现象等，这部分区域与周围混凝土之间的电性差异增大，反射波增强；当其完整致密时，性质相对均一，反射波很弱。
这样就能检测出混凝土的质量了。
冲击回波法是基于瞬态应力波应用于无损检测的一种技术，当应力波在混凝土中传播遇到缺陷与底面时，将产生往复反射并引起混凝土两面微小的位移响应。
接收这种响应并进行频谱分析可获得频谱图。
频谱图上突出的峰就是应力波混凝土表面与底面及缺陷间来回反射所形成。
根据频率峰值可判断有无缺陷及其深度。
冲击—回波法是一种新的无损检测方法，可用来测量结构混凝土厚度。
特别适合于单面结构。
但由于混凝土结构的复杂性、多样性，使得厚度的检测错综复杂。
垂直反射法是利用大功率高频声波向混凝土中发射脉冲信号，然后用加速度（或速度）检波器接收信号，发射与接收之间偏移距几乎为零的一种检测方法。
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2
( x, y )
51
四、位移与条纹级数的关系
U
N x
2f
V
N y 2f
52
五、位移与栅线节距的关系
U
p 2
p 2
N x 0.417N x
μ
μ
m
V
N y 0.417N y
m
光栅频率通常为1200线 /mm, 或光栅节距为0.833μm, 当试件栅的频率f为1200 线/mm时,一级干涉条纹代表0.417μm 的位 移量。所以云纹干涉法的灵敏度通常为试件栅光栅节距的一半．
p Sin Sin m m Sin Sin m m f
0级 –1级
x
45 衍射光栅是由很多平行、等宽、等间距的狭缝组成的。
O x y z
衍射级次
32
1 0 -1
二、面内位移场实时 观测
S in f
fs
Δ
试件栅
1 0 -1 -2 -3
CCD
sin( ) sin
1
34
由云纹计算应变的方法:
•相邻云纹条纹的位移增量为一个栅距， y U场云纹
xy
xx
x x
N
N+1
yx
V场云纹
y
yy
35
云纹干涉法
36
云纹干涉法
应用高密度衍射光栅和激光干涉技术进行位移和变形 测量的一种现代光测力学实验方法。
37
云纹干涉法
16
光栅的特征
•光栅的栅距 p ：相邻栅线 中心线间的距离. x •光栅的频率:
f 1 p
•主方向: 垂直于栅线方向称为主方向
17
几何云纹？ 两组光栅叠合后产生的几何干涉条纹
18
成因： 光栅遮光 现象形成的
19
云纹条纹的含义
光栅主方向上的位移量大小； 试件栅与参考栅的相对转角。
20
变形前:试件栅和参考栅重合
θ θ
P Pθ θ θ
P
27
Optical MoiréMethod
MoiréFringe Master Grid
Model Grid Master Grid Mismatch Two kinds of Moiréfringe Misalignment
28
Model grid
Offset
29
面内几何云纹： 一般应用正交光栅， 可同时测量u,v位移场 实现方法： 旋转参考栅戒试件栅（90°）； 戒在4F滤波光路里。
几何云纹法（coarse moiré )：面内位移测量，光栅密度 为5线/毫米-100线/毫米 云纹干涉法（ interferometric moiré）：面内位移测量， 灵敏度波长量级，光栅密度通常是600线/毫米-2400线/ 毫米 影像云纹（shadow moiré )：离面位移（挠度、形状）测 量 反射云纹法：离面位移的偏导数
1 2
3 4 5 6 7 8 9
1 2
3 4 y
5 6 7 (光栅主方向y) 8 9
21
变形后: 云纹出现
A
1 2
B 3 4 5 6 7 8 9 x
C
A---0级，B点：+1，C点：-1
22
云纹的形成
23
平行云纹的产生
P
Δ
P
24
节距相同与不同平行云纹对比
25
等节距栅转角云纹变化
26
转角云纹产生
30
重要的结论：
同级云纹上各点沿光栅主方 向的位移相等。
v np ( n 为云纹级数 )
相邻云纹条纹的位移增量为 一个栅距，
v v n1 v n p
31
已知云纹图如何计算应变 如已知u,v 云纹?
32
由云纹计算应变的方法:
平行云纹 参考栅
p' p p
P
s np s ( n 1) p ' s pp ' p ' p p p
7
单幅正交光栅
8
两幅正交光栅叠加形成正交云纹
9
单向平行光栅叠加形成的云纹
10
云纹形成的条件
云纹的形成需要有两组光栅：变形测量中一般为试件栅和 参考栅。 试件栅是与变形物体连接的光栅； 参考栅是固体不动的，不参与物体变形的光栅。
试件栅 + 参考栅 云纹
11
云纹法的定义及分类
云纹法分类(依据教科书)：
v np ( n 为云纹级数 )
42
云纹干涉法的基本原理
基于空间虚栅概念的解释。
D. Post最早对云纹干涉法的解释为： 对称于试件栅法向入射的两束相干准直光在试件 表面的交汇区域内形成频率为试件栅两倍的空间 虚栅，当试件受载变形时，刻制或复制在试件表 面的试件栅也随之变形，变形后的试件栅与作为 基准的空间虚栅相互作用形成云纹图，该云纹图 即为沿虚栅主方向的面内位移等值线
4
我们可以看出：
u ( x , y ) sin
（1）当 ( x , y ) n 时，出现亮条纹， 2 即 4
u ( x , y ) sin 2 n
可得： u ( x , y ) n x / 2 f （2）考虑到光程和位相之间的关系，即： ( x , y ) n
Po x z Lo BE
y SP
O1 L
O2 M camera 56
光栅分光光路系统
光栅
A
激光
反射镜r 反射镜
B
D
反射镜 反射镜
C
试件栅 f/2
y z x
57
2-D OPTIC INTERFEROMETER
58
59
三维云纹干涉仪光路系统
13
几何云纹法
14
几何云纹法
几何云纹法：用于面内的变形测量 离面变形测量：
影像云纹法 条纹投影法（投射平行光栅，并没有光栅叠加形成云纹 ）
15
光栅的类型
光栅:周期性的空间结构或光学性能的衍射屏,通称光栅。 云纹法光栅分类: 形状和性能角度；实验角度 （试件栅和参考栅）
Y
X
X
平行光栅
正交光栅
斑马身上为什么有条纹？ 自然进化的结果，有的解释为避免 蚊虫的叮咬，另一种解释为自我保 护色，迷惑猛兽；
5
什么是云纹？
定义：云纹法是利用两组栅线重叠时，由栅线的互相遮掩 所形成的条纹（称为云纹）来测量受力物体的位移场及应 变场的光测方法。 云纹（法文中为Moiré ）一字原意是丝绸云纹，两块半透 明的丝绸重叠在一起会出现云纹现象，因此得名。 Moiré正确拼读：
12
云纹法 应用范围及 目前所能达到水平
测量应变灵敏度一般能达到10－4，最高可达10－5 。 可测频率为每秒上万次的动应变或动位移（取决 于照相速度）。 可高温应变测量，可达12000C 可在弹性、弹塑性、塑性及裂纹附近应变场量测 可测梁、板及壳等构件的挠度和斜率（平面）。 可测各种形状曲面的高度、3D形貌、离面位移。
英语：[mwɑː] 法语：[mwɑːreɪ]
这种方法的命名与中国古代输往欧洲的云纹绸等丝绸的编 织技艺有关。国外就是借用了中国丝绸中因纤维交叉编织 而形成的条纹，即云纹一词（法文中为Moiré 。 ）
6
云纹的収展：
云纹发现有百余年历史，但直至1948年才应用于应变测量 ； 二十世纪六十年代，照相制版技术的发展，为云纹试件栅 的制备提供有效的手段，云纹法有了广泛的应用； 七十年代末，高密度全息制栅技术的迅速发展，每毫米几 千线商品光栅开始出现； 八十年代后期以来，云纹干涉法的迅速发展，为光测力学 的推广和应用注如了新的活力。
R
根据光栅的衍射方程,当入射角α 、 波长λ 和光栅频率f满足以下方程 关系时,两束光（O光、R光）的一 级衍射光波将沿试件栅的法线方 46 向衍射。
云纹干涉法的波前干涉理论
衍射级次 32 1 0
变形前转移试件栅,放入光路
x O
fs
根据光栅的衍射方程, 当入射角α、波长λ 和光栅频率f满足以下 方程关系时,两束光（ O光、R光）的一级衍 射光波将沿试件栅的 法线方向衍射。
43
云纹干涉法的波前干涉理论
在1984年，戴福隆教授和D. Post等人对云纹 干涉法进行了严格的理论推导和解释，建立 了云纹干涉法的波前干涉理论。
44
云纹干涉法的测量原理 一、光栅衍射方程(衍射基本知识）
p=1/f
2级
入射光
m
1级 法向
根据两相邻狭缝的光束之 间的光程差为 m 可计算出m级光谱与 衍射角的关系
当试件受力发生变形后，则平面波变为和表面位移有 关的翘曲波前，其位相也将发生相应的变化。翘曲波 前可表示为： O Ae i [ o o ( x , y ) p i [ ( x , y )] R P Ae r r
注：什么是波前：就是光波的连续性的同相表面（波 阵面）。波前与行进方向垂直。光波在空间传播，因 此，波前是一个面而不是一条线。
八十年代，D POST倡导的（激光应用后） 非接触、实时全场位移和应变分析 高灵敏度：600-2400线/毫米（波长量级） 大量程,高反差条纹，良好的条纹对比度；直 观。