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為力學實驗室儀器而生

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語言

激光散斑測量的原理及測量方法

2022-10-27 0

  激光散斑測量使用的一種方法是散斑干涉法,能夠測量的位移分為面內(nèi)位移和離面位移,其中面內(nèi)位移即在平面內(nèi)發(fā)生的位移,離面位移即垂直于平面的位移。



  一、散斑的形成


  使用被擴束后的平行光照射物塊表面,在空間出現(xiàn)隨機分布的亮斑和暗斑,稱為散斑。散斑隨銅塊的變形或運動而變化。在距離物體為Z的位置散斑的縱向和橫向尺寸分別為a和b,其中尺寸大小與激光波長、照明面積D和距離Z有關。在距離物體為Z處散斑縱向和橫向尺寸。其中,D為照明區(qū)直徑,λ為激光的波長。


  二、測量面內(nèi)位移


  在物體形變前用ccd(類似于手機攝像頭的感光芯片,一種影像采集設備)或全息干板(類似膠卷相機的底片)對散斑圖像進行一次記錄,當物體受載后產(chǎn)生位移,在原位置進行第二次記錄,將兩次圖像相加,如果兩個散斑場面內(nèi)的相對位移量大于散斑的橫向尺寸,則在相加后圖像將形成“雙孔”結(jié)構(gòu)。它們和兩次記錄時物體表面上的兩組暗點散斑相對應,這兩組散斑上攜帶了物體的位移信息


  用平行光照射“雙孔”結(jié)構(gòu)的圖像,孔洞透光,其余部分不透光,小孔與小孔會形成類似楊氏干涉的條紋,條紋的間距能夠反映出兩幅圖像上小孔的間距,小孔的間距即圖像的位移。


  三、測量離面位移


  離面位移測量類似于邁克爾干涉儀,兩束準直光束對稱的照射參考平面和被測物表面,在成像平面上形成干涉條紋,設物塊發(fā)生離面位移,物體表面漫反射光和參考光分別為I和II,物體表面一點A產(chǎn)生u向位移達到B點時,則I方向從A點到B點減少了usinθ,II光程減少了usinθ,兩束光產(chǎn)生2usinθ,故物體上凡是u向位移滿足


  n=0,±1,±2,±3……的點,在物體變形后探測器2上散斑場對應物面B點位置的亮度,經(jīng)過一個循環(huán)變化又恢復到原來亮度,在這些區(qū)域上產(chǎn)生相關條紋.


  電子散斑干涉儀,用來解決漫反射表面的形變測量問題。PhaseCam ESPI動態(tài)電子散斑干涉儀,可以解決在現(xiàn)場環(huán)境下的表面沿軸向的一維形變測量問題,精度達到nm級,而不用考慮環(huán)境振動帶來的影響。應用于大口徑拼接鏡的背部支撐材料的微變形測量。經(jīng)典應用案例:美國JWST太空望遠鏡的主鏡的背部碳纖維支撐結(jié)構(gòu)的微變形測量。


  電子散斑干涉儀是表面的漫反射光進入干涉儀發(fā)生干涉,干涉圖樣為含有干涉信息的電子散斑噪聲。對兩次漫反射干涉的散斑進行波面相減操作,便可提取出樣品面形變化引起的相位信息。對該相位信息解析,就可以獲得形變量。由于采用了動態(tài)相移技術,即使在非隔振的環(huán)境下測量,也可以實現(xiàn)nm級測量精度。


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