散斑干涉实验

数字散斑干涉法测量横梁的面内位移

摘要：运用数字散斑干涉法研究横梁的面内位移。数字散斑计量采用CCD记录数字散斑图，因此不需要进行显影和定影等冲洗处理。数字散斑计量除了可以采用相加模式外，还可以采用相减模式。采用相减模式不需要进行滤波处理即可显现干涉条纹。

关键词：数字散斑干涉法，面内位移，散斑图。

20世纪70年代采用光电子器件（摄像机）代替全息地底片记录散斑图并存储在磁带上，由摄像机输入的物体变形后的散斑图通过电子处理方法不断与磁带中存储的物体变形前的散斑图进行比较后显示器上显示散斑干涉条纹，这种方法称为电子散斑干涉法。

进入20世纪80年代，随着计算机技术、电荷耦和器件和数字图像处理技术的快速发展，散斑计量技术进入了数字化时代，出现了数字散斑干涉法。数字散斑干涉法把物体变形前后的散斑图通过采样和量化变成数字图像，通过数字图像处理再现干涉条纹或相位分布。目前，数字散斑干涉已经取代了电子散斑干涉法。

另外，随着计算机技术，光电子技术与图像处理技术的发展，出现了数字散斑相关技术。同时，基于散斑计量技术，还出现了粒子图像测速技术。数字散斑计量的基本原理与传统散斑计量（也称为光学散斑计量）相同，差别主要表现在传统散斑计量由于采用全息底片记录散斑图，因此需要进行显影和定影等冲洗过程。另外，传统散斑计量只能采用相加模式，因此必须进行滤波处理，以便消除直流分量从而显现干涉条纹。而数字散斑计量由于采用CCD 记录数字散斑图，因此不需要进行显影和定影等冲洗处理。另外通过CCD记录的物体变形前后的数字散斑图可以存储咋同一帧存中，也可以存储在不同的帧存中，因此数字散斑计量除了可以采用相加模式，还可以采用相减模式或相关模式。采用相减模式不需要进行滤波处理即可显现干涉条纹。

目前该技术可进行变形、振型、形状、温度分布和无损检测等方面的测量，建筑物现场监测、复合材料的无损检测、焊缝质量检测、表面粗糙度检测等方面的研究都有过详细的报道。总之，该技术在航空航天、轮机工程、土木电子及生物医学等领域的测试中有非常重要的地位。

1、实验目的

采用数字散斑干涉技术和相移干涉技术测量物体的残余变形分布，通过相位解展开技术获取残余变形场的连续相位分布。加深对散斑干涉的感性认识，学会使用数字散斑计量技术对散斑干涉进行分析以及位移的计算。

2、实验设备和器具

3、数字散斑干涉法的基本原理

当相干光照射到引起漫反射的物体表面时，物体个部位所发出的次波在物体表面的前方相干而形成大量的明暗的斑点，叫做散斑。散斑的空间结构只决定了照射的光源以及被照射物体的表面结构。由于散斑和所照射的表面存在着固定的关系，我们在物体位移前后分别将散斑记录在一张照相底板上，底板上的复合散斑图即反映了物体表面各点位移的变化，通过适当处理可以将这种位移信息显露出来而加以测量。

数字散斑干涉法把物体变形前后的散斑图通过采样和量化变成数字图像，通过数字图像处理再现干涉条纹或相位分布。数字散斑计量由于采用CCD 记录数字散斑图，不需要进行显影和定影等冲洗处理，并且记录的物体变形前后的散斑图可以存储在同一帧存中，也可以存在不同帧存中。因此数字散斑计量除了可以采用相加模式外，还可以采用相减模式或相关模式。

面内位移数字散斑照相系统如图1所示，激光照射待测物体，用CCD 相机记录数字散斑图，数字散斑图传输到计算机进行图像处理。

两平行的相干光束对称的照到被测物体表面，她仅对x 轴方向的面内位移敏感，能消除离面位移的影响。为说明情况，取对称光路的一半

设试点p 沿坐标轴产生的位移分别为U,V,W 对于图1所示光路系统有

]sin )cos 1([2θθλπ

φU W ++=∆ (6)

其中，λ是所用激光的波长，θ是照明光与物体表面法线的夹角，W 是物体变形的离面位移，U 是物体变形的面内方向位移。

在一般情况下，照明角较小，cos θ≈1，sin θ≈0，所以

λπφW

4=∆ (7)

由（5）式可知，当φ∆=2n π＋π/2时，n=0，±1，±2，…时，I T 为极大值,即为亮条纹。此时相邻的两条条纹之间所对应的离面位移W=λ/4。

对于双光束照明条件下（测量面内位移）的物体变形与光波位相之间的关系，可以将一束光看成物光，另一束光为参考光，如图2类似。因此，式（6）也可以用来表示变形与相位之间的关系，但是由于变形对二束光的相位都有影响，所以合成的相位差与位移的关系为

U U W )(sin 4)]sin (sin )cos (cos [2θλπ

θθθθλπ

φ=-+-=∆

4、实验步骤

a、打开激光器开关，调节仪器光路，使两束光使其均匀照射到测试样品上且相重合；

b、开机登陆，启动测试软件iDOS；

c、进入测试区界面后，点击“→”图样，开始实验。再单击“—”图标，实现物体变形前后两幅数字散斑图相减。

d、调节镜头焦距和光圈，使物体能够清晰成像；