激光散斑位移测量方法研究
激光散斑的测量1
激光散斑测量实验目的:本实验介绍单光束散斑技术的基本概念,并应用此技术测量激光散斑的大小和毛玻璃的面内位移.实验原理1.激光散斑的基本概念照射产生的，因此是一种随机过程。
要研究它必须使用概率统计的方法。
通过统计方法的研究，可以得到对散斑的强度分布、对比度和散斑运动规律等特点的认识。
图2说明激光散斑具体的产生过程。
当激光照射在粗糙表面上时，表面上的每一点都要散射光。
因此在空间各点都要接受到来自物体上各个点散射的光，这些光虽然是相干的，但它们的振幅和位相都不相同，而且是无规分布的。
来自粗糙表面上各个小面积元射来的基元光波的复振幅互相迭加，形成一定的统计分布。
由于毛玻璃足够粗糙，所以激光散斑的亮暗对比强烈，而散斑的大小要根据光路情况来决定。
散斑场按光路分为两种，一种散斑场是在自由空间中传播而形成的（也称客观散斑），另一种是由透镜成象形成的（也称主观散斑）。
2. 激光散斑光强分布的相关函数的概念如图3所示激光高斯光束（参见附录1）投射在毛玻璃上(ξ,η),在一定距离处放置的观察屏(x,y)上的形成的散斑的光强分布为Ｉ(x,y)。
（1）自相关函数假设观察面任意两点上的散斑光强分布为Ｉ(x 1,y 1)，Ｉ(x 2,y 2)，我们定义光强分布的自相关函数为：G （x 1,y 1；x 2,y 2）=〈Ｉ(x 1,y 1) Ｉ(x 2,y 2) 〉 (1) 其中Ｉ(x 1,y 1)表示观察面上任一点Q 1的光强，Ｉ(x2,y2)表示观察面上另一点Q 2上的光强，〈〉表示求统计平均值。
根据光学知识我们知道：I （x ，y ）=U （x ，y ）U *（x ，y ） (2) 式中U(x,y)表示光场的复振幅。
当玻璃板表面足够粗糙（毛玻璃）时,根据散斑统计学的理论我们可以得到如下的公式：G （x 1,y 1；x 2,y 2）=〈Ｉ(x 1,y 1)〉〈Ｉ(x 2,y 2)〉+|〈U(x 1,y 1)U *(x 2,y 2)〉|2 (3) =〈Ｉ〉2[ 1+μ( x 1,y 1；x 2,y 2）]式中μ(x 1,y 1；x 2, y 2）=|〈U(x 1, y 1) U *(x 2, y 2) 〉|2/〈Ｉ〉2称做复相干系数。
毕业设计论文——激光散斑测物体位移
武汉轻工大学毕业设计（论文）论文题目：基于激光散斑进行位移测量院系: 电气与电子工程学院学号: 101204222姓名: 王斌专业: 电子信息科学与技术指导老师: 李丹二零一四年五月摘要用散斑法测量无题的位移、应变、振动、等是散斑法在实验力学中的主要应用之一。
这种测量方法不但有非接触的优点，而且可以测量面内及离面的位移。
物体表面以及内部的应变、比较圆满地解决振动与瞬变的问题。
本文主要介绍了散斑测量技术的发展情况，对激光散斑的特性进行了系统的分析。
激光散斑测量法是在全息方法基础上发展起来的一种测量方法,这种方法具有很强的实用价值。
散斑位移测量不仅可以实现离面微位移的测量,也可以进行面内微位移测量。
主要是对面内微位移进行了测量研究,利用设计的测量系统将物体发生位移前后的散斑图由CCD记录下来,分别用数字散斑相关法和散斑照相法对散斑图像进行了分析处理,并得出了相应的结论。
最后,对以上两种测量法的特点和测量误差产生的原因都作了简单的分析和比较。
关键词：激光散斑；位移测量；数字图像处理；位移散斑图AbstractOne main application of the speckle measurement method in experimental mechanics is to measure the displacement, strain, vibration and so on. This method can not only processed non-contact measurement, but also can measure the in-plane or out-plane displacement and transient. In this paper, we introduced the development of speckle measurement technique, and systemically analyzed the characters of speckle.The laser speckle based on holography is of great practical value and can measure micro-displacement. In surface micro-displacement is focused on in this paper. The two laser speckle patterns are respectively shot before and after the object is moved. Digital speckle correlation method and speckle photography are used to measure a small displacement moved along x or y axle. The above two methods are compared at the end of the paper.Keywords:laser speckle; displacement measurement; digital image process; displacement of speckle pattern目录第1章绪论............................................1.1课题研究的背景和意义..............................1.2激光散斑测量方法的应用............................ 第2章激光散斑测量的基本理论...........................2.1激光散斑的基本概念................................2.2散斑的成因及类型..................................2.2.1散斑的成因2.2.2散斑的类型2.3激光散斑光强分布的相关函数的概念..................2.3.1自相关函数.....................................2.3.2两个散斑场光强分布的互相关函数第3章激光散斑测量方法3.1激光散斑位移测量..................................3.1.1 散斑照相法3.1.2 激光散斑数字相关3.2 测量微小位移实验系统3.2.1 实验内容3.2.2 设计方法3.2.3 数据处理及心得结论................................................. 致谢................................................. 参考文献.................................................武汉轻工大学本科毕业设计（论文）第1章绪论1.1 本论文的背景和意义传感技术、计算机技术和通信技术共同构成信息技术的三大支柱。
激光散斑的测量
W ( Z ) W0 (1 Z 2 / a 2 )1/2 0.01726 1
S P2 / W
632.8 106 555.0 0.07545mm 1.4816
2. x 和y 的计算
P2 555 x d 1 0.1611mm 1 P 0.03 126.96 1 P2 y d 1 P 0 1
答：由于激光光强起伏周期远大于 CCD 采样的周期，激光器光强时整体下降或 者提升的，最终图像上整体光强大小可能会有变化 6、在本实验中若有一均匀的背景光迭加在散斑信号上，对 S 值的测量有影响 吗？试分析原因。 答：观察面上的光强整体上升了，统计平均值显然会上升，但是不会影响统计分 布。即对拟合没有影响，因此对 S 无影响。
W012
f ' d1
2 01 2 '
50mm
(50 650) 53.55mm 650 2 0.22442 2 (1 ) ( ) 50 632.8nm 50mm
W02 (1
d1 2 W012 2 ) ( ) f' f'
0.22442 0.01726mm 650 2 0.22442 2 (1 ) ( ) 50 632.8nm 50
五．思考题
1、激光散斑测量的光路参数（P1,P2）选择是根据什麽？ 答： 为了得到较好的图像， 一方面需要考虑图像中散斑个数要多已得到的统计数 据比较可信， 另一方面要使散斑图像尽可能地大以获得精确测量。所以实验中需 要调节（P1,P2）兼顾这两个方面，以获得最佳图像 2、为什麽在本实验中散斑的大小用 CCD 象元，而毛玻璃与 CCD 表面的距离可 以用卷尺（最小刻度为 1 毫米）？ 答：CCD 象元由计算机处理，精确度高。有公式 d x
激光散斑测量
激光散斑测量实验报告实验题目：激光散斑测量实验目的：了解激光散斑的原理及应用，掌握散斑的测量方法以及相关的一些函数关系，性质。
实验原理：激光自散射体的表面漫反射或通过一个透明散射体（例如毛玻璃）时，在散射表面或附近的光场中可以观察到一种无规分布的亮暗斑点，称为激光散斑（laser Speckles ）或斑纹。
当激光照射在粗糙表面上时，表面上的每一点都要散射光。
因此在空间各点都要接受到来自物体上各个点散射的光，这些光虽然是相干的，但它们的振幅和位相都不相同，而且是无规分布的。
来自粗糙表面上各个小面积元射来的基元光波的复振幅互相迭加，形成一定的统计分布。
由于毛玻璃足够粗糙，所以激光散斑的亮暗对比强烈。
当单色激光穿过具有粗糙表面的玻璃板，在某一距离处的观察平面上可以看到大大小小的亮斑分布在几乎全暗的背景上，当沿光路方向移动观察面时这些亮斑会发生大小的变化，如果设法改变激光照在玻璃面上的面积，散斑的大小也会发生变化。
由于这些散斑的大小是不一致的，因此这里所谓的大小是指其统计平均值。
它的变化规律可以用相关函数来描述。
可以知道S 与激光高斯光斑半径W （在毛玻璃上的光斑）的关系式为2/S P W l p =。
S 的意义即代表散斑的平均半径。
这是一个以1为底的高斯分布函数。
以下为两个散斑场的互相关函数：实验器材：1.氦氖激光器 2.双偏振片 3.全反射镜 4.透镜 5.毛玻璃 D 7.计算机已知数据： 光路参数：d1=650mm d2=59mm r 1()P =92mm P2=537mm P1=92mm激光波长 = 0.0006328mm =632.8nm21212222(1/())(1/())(,)1exp{[]}exp{[]}C y d P P x d P P g x y SSh x r r D ++D ++D D =+--常数π = 3.14159265CCD 像素大小=0.014mm激光器内氦氖激光管的长度d=250mm 会聚透镜的焦距f ’=50mm毛玻璃垂直光路位移量d ξ 和d η， d ξ=5小格=0.05mm ，d η=0理论值:(a) 照在毛玻璃上激光光斑的平均半径01W 0.224403mm =''12222011''d (1)()f d f W d f f p l -=--+02W =由于20/a W p l =221/20()(1/)W Z W Z a =+ 这里Z=P 1,W 0=W 02 所以W(P 1)= 0.990179mm2/S P W l p == 0.109239mmb) 毛玻璃的平均实际位移量0.05d mm x =∆x = d ξ (1 + p2 / ρ(P 1))=0.342mm0d h =∆y= d η (1 + p2 / ρ(P 1))=0实验数据及数据处理实验值：S=112121in s=å=7.30477像素= 0.102267 mm2P W Sl p == 1.05768 mm 误差分析：W 误差为1.05768-0.9901796.8%0.990179=S 误差为0.102267-0.1092396.4%0.109239= b) 毛玻璃的平均实际位移量实验值：x D =1661in x =åD =25.83333像素= 0.362mmy D =1661in y =D å=0误差分析：∆x 误差为0.3620.3425.8%0.342-=∆y 误差为 0。
实验十五 数字散斑测量微小位移的实验
实验十五 数字散斑测量微小位移的实验实验目的：1. 掌握数字散斑干涉的原理。
2. 学会根据CCD ，激光器等器件，利用计算机进行快速傅立叶变换，测量物体的微小位移。
3. 学会分析思考并处理实验中出现的问题。
实验原理：当一束激光照射到具有漫射特性的粗糙表面上时，在反射光的空间中用一个白色的屏去接收光总可以看到一些斑点，这就是激光散斑现象。
散斑现象是高度相干性光源照明的结果，虽然会降低全息照相时的成像质量，但由于散斑的大小、位移及运动是有规律的，它可以用来进行微小位移的检测、形变测量以及振动研究等。
传统的散斑干涉测量技术采用在同一张底片上记录物体位移前后的双曝光散斑图，并通过会聚透镜进行光学傅立叶变换得到杨氏条纹图。
随着CCD 的日益普及出现了数字散斑干涉技术，散斑图可以方便的记录在计算机中，并使用数字傅立叶变换进行处理和分析，避免了底片冲印测量的繁琐过程，可以实现方便快速的实时测量。
通过CCD 捕获被测物体位移前后的双曝光散斑图，对双曝光散斑图的任一点附近取一小块区域进行两次快速傅立叶变换，可以得到物体位移的方向和距离。
设位移前后的散斑图分别为()21,x x g i 和()2211,u x u x g itd ++，叠加得双曝光散斑图()()()22112121,,,u x u x g x x g x x g itd i +++= (15-1)用快速傅立叶变换对其中一小块区域进行计算，结果为一小幅杨氏条纹图。
()()()[]()[]⎰⎰∆+-∙+++=212211*********exp ,,,dx dx x x j u x u x g x x g G itd i ωωπωω(15-2)上式中，()21,ωωG 为频谱图上的谱面函数，21,ωω为谱面坐标，∆是积分域。
根据傅立叶平移原理，并假设21,u u 很小，可得双曝光散斑图相应的光强为：()()()()()()[]ωπωωωπωωωωωωd V I d I G I g g 2cos 1,2cos ,4,221221'22121+=∙=+= (15-3)式中()21,u u d = ，()21,ωωω=，()1≤V 是杨氏条纹的对比度。
激光散斑测量(中国科大实验讲义)
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19
一维自相关函数图
实验曲线
拟合曲线
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一维互相关函数图
实验曲线
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激光散斑实验
什麽是激光散斑现象? 激光散斑现象的特点
激光散斑的应用 散斑测量实验的内容 数据处理的方法和结论
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1
什麽是激光散斑现象?
• 当一束激光照射到具有漫射特性的粗糙表面 上时，在反射光的空间中用一个白色的屏去 接收光总可以看到一些斑点。这就是激光散 斑现象。
• 经透镜成象形成的散斑是主观散斑 。在自由 空间传播形成的 散斑叫做客观散斑。
xdx(1P 2/(P 1))
gc
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x
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实验相关函数的计算
• 利用CCD和采集卡（10moons）得到的是BMP格式的图 象文件，调用程序可以将BMP图象文件转化为两维的 数据文件，也就是得到了CCD面阵所在的这一面积上 的光强的值I（i, j）(i,j=1,2…,N0) 。利用这些值就可以 计算散斑场的归一化样本自相关函数和互相关函数。 这些由计算机完成。
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6
由激光器出射的高斯光束
d
2W0
d=250mm ，=0.0006328mm ，w0=0.2244mm
d 1 w0 ( ) 2
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7
高斯光束的复振幅表达式：
I I0
W0 0.135I0
u ( x , y , z ) A exp[ ik ( x y ) ] q(z)
S P W
激光散斑数字相关法测量微小位移
两种方法的比较ຫໍສະໝຸດ 通过对测量数据分析,发现这两种方法均可以实现对面 内微位移进行测量,但是这两种方法各有特点。干涉法中散 斑图的质量是决定测量结果的重要因素。在实验中发现物 体表面粗糙度对条纹间距会产生直接影响。在实验中也发 现,位移量大小对实验结果有很大的影响,位移太小和太大都 直接降低了条纹质量。相关法根据物体发生位移前后的相 关性进行测量的。实验条件容易实现,而且实验精度也较高。 但是在相关法测量中发现散射基元大小会对测量结果产生 一定的影响,位移量较大时,散斑会产生一定的变形,这对测量 是有很大影响的。
激光散斑数字相关法测量微小 位移
指导教师——张毅 答辩人——刘桐
选题背景
散斑现象普遍存在于光学成像的过程中，很早以前牛 顿就解释过恒星闪烁而行星不闪烁的现象。由于激光的高 度相干性，激光散斑的现象就更加明显。最初人们主要研 究如何减弱散斑的影响。在研究的过程中发现散斑携带了 光束和光束所通过的物体的许多信息，于是产生了许多的 应用。例如用散斑的对比度测量反射表面的粗糙度，利用 散斑的动态情况测量物体运动的速度，利用散斑进行光学 信息处理、甚至利用散斑验光等等。激光散斑可以用曝光 的办法进行测量，但最新的测量方法是利用CCD和计算机技 术，因为用此技术避免了显影和定影的过程，可以实现实 时测量的目的，在科研和生产过程中得到日益广泛的应用。
实验原理
实物光路图
实验仪器
实验图样
Matalab编程
程序源代码
相关度运算
定标结果
毛玻璃每移动0.05mm对应散斑位移30个像素点
实验中遇到的问题及解决办法
问题：测量中发现散射基元大小会对测量结果产生一 定的影响,位移量较大时,散斑会产生一定的变形,这对 测量是有很大影响的。 解决办法：在定标时分别测定几个不同位移，当出现 相关位移为0时，将该数据除去，反复测量，求平均值。
激光散斑照相法测量不同金属材料焊接部位的热位移
激光散斑照相法测量不同金属材料焊接部位的热位移张景超丁喜峰（燕山大学数理系，秦皇岛066004）提要：本文用激光散斑照相法对不同金属材料焊接件在不同温度区间产生的热位移进行了实测，得到焊接部位的热位移随温度的升高而增大，其热应变及热应力亦随温度的升高而增大，且与理论中的分析相符。
关键词：激光散斑，焊接，热位移，热应变1引言金属材料的焊接过程是一种局部加热和冷却的过程。
加热时金属膨胀，而冷却和凝固时金属收缩。
由于这种膨胀和收缩都是在极复杂的局部应变状态下进行的，因而使金属焊接部位产生复杂的应力和变形。
本文用激光散斑照相法分别对不同材料焊接件在不同温度区间产生的热位移进行了实测，又从理论上找到焊接件的热应变随温度变化的关系，实验结果与理论分析的结论是相符的。
2检测原理用激光照射被测物体漫反射表面，形成空间散斑场。
在被测物体变形前和变形后进行两次曝光，即将两个散斑场记录在同一张底片上，得到双曝光散斑图。
将记录了物体位移信息的双曝光散斑图经显影，定影之后，放在如图1所示的光路中，用激光束照射在双曝光散斑图上，照射点与物体表面的一个微小区域相对应。
假设物体移动，把这个小区域叫准平移区，若物体变形前后某个准平移区的位移为d，则在双曝光底片上，对应的那个小区域内，两组散斑之间就相应地移动了ζ＝Md （1）其中M为透镜的放大倍数。
这样，第一次曝光的散斑图的每个散斑与第二次曝光的散斑图相对应的散斑，一一组成对偶，这些成对的散斑的方向一致，孔距基本相等，在激光束照射下，产生同样的双孔衍射干涉，在屏幕上形成有规律的等间距平行条纹－杨氏条纹。
杨氏条纹方向与双孔方向垂直,杨氏条纹之间距离与双孔之间距离成反比，即δ＝λL／ζ（2）将（1）式代入（2）式得到物体对应点表面位移与杨氏条纹间距的关系：d＝λL／δM （3）式中，λ为激光光波波长，L为散斑图到屏幕之间距离。
由上式可将物体表面被测点的位移大小计算出来。
位移方向与杨氏条纹垂直。
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第23卷 第1期2008年3月 北京机械工业学院学报Journal of Beijing I nstitute ofM achineryVol.23No.1Dec.2008文章编号:1008-1658(2008)01-0039-03激光散斑位移测量方法研究李晓英,郎晓萍(北京信息科技大学 光电信息与通信工程学院,北京100192)摘 要:激光散斑测量法是在全息方法基础上发展起来的一种测量方法,这种方法具有很强的实用价值。
散斑位移测量不仅可以实现离面微位移的测量,也可以进行面内微位移测量。
主要是对面内微位移进行了测量研究,利用设计的测量系统将物体发生位移前后的散斑图由CCD 记录下来,分别用数字散斑相关法和散斑照相法对散斑图像进行了分析处理,并得出了相应的结论。
最后,对以上两种测量法的特点和测量误差产生的原因都作了简单的分析和比较。
关 键 词:激光散斑;位移测量;数字图像处理中图分类号:O436.1 文献标识码:AResearch of d ispl acem en t m ea surem en tba sed on l a ser speckleL I Xiao2ying,LANG Xiao2p ing(School of Phot oelectric I nfor mati on and Telecommunicati on Engineering,Beijing I nfor mati on Science and Technol ogy University,Beijing100192,China)Abstract:The laser s peckle based on hol ography is of great p ractical value and can measure m icr o2 dis p lace ment.I n surface m icr o2dis p lace ment is focused on in this paper.The t w o laser s peckle patterns are res pectively shot bef ore and after the object is moved.D igital s peckle correlati on method and s peckle phot ography are used t o measure a s mall dis p lace ment moved al ong x or y axle.The above t w o methods are compared at the end of the paper.Key words:laser s peckle;dis p lace ment measure ment;digital i m age p r ocess 散斑测量与其他测量方法相比具有光路简单、成本低、调试及操作方便等优点,从而在位移测量中得到了广泛的应用。
其实,散斑不仅可测量物体的位移和形变,还可测量振动、无损探伤等等。
散斑在精细无损计量方面具有很大的发展潜力,是目前研究的一个热点[1]。
所以对散斑特性和规律研究具有非常重要的意义[2]。
1激光散斑测量基本原理1.1散斑照相法当一束激光射到粗糙物体表面时,光被物体表面反射后在成像空间形成散斑。
若将物体发生微小位移前后的散斑分别对记录介质曝光一次,就会得到一副双曝光散斑图,光强度分布为:I(x,y)=I0(x,y)+I0(x-Δx,y-Δy)(1)I0(x,y)表示第一次曝光光强,I0(x-Δx,y-Δy)表示第二次曝光光强,Δx,Δy分别指物体发生的面内微位移。
根据全息原理知,记录介质的振幅透过率与光强成线性关系,即:t(x,y)=a-bI(x,y)(2)式中,a与b为常数。
因为当物体发生一个较小的面内位移时,可以认为前后两张散斑图的微观结构相同,仅有一个相对位移。
当用一束细平行激光照射该散斑图时,在接收平面上可以接受到散斑图的夫琅和费衍射图样(杨氏条纹),其振幅分布由记录介质振幅透过率的傅里叶变换决定,经分析可得出微位移和条纹间距之间的关系[3,4]:Δx=λLM d xΔy=λLM d y(3)收稿日期:2008-01-16作者简介:李晓英(1975-),女,山西原平市人,北京信息科技大学光电信息与通信工程学院讲师,硕士,主要从事光学的教学与研究工作。
北京机械工业学院学报 第23卷 式中L为记录介质与接收屏之间的距离,dx,d y 分别为x方向和y方向上干涉条纹间距。
M是散斑照相时的放大倍数。
由于条纹的方向是垂直于散斑位移方向。
所以杨氏条纹方向决定散斑的位移方向,只要测量出条纹的间距和方向,就可得到照射点的位移大小和方向。
计算机散斑干涉法是利用CCD摄像机和图像采集卡将物体发生位移前后的两个散斑图分别进行采集,然后将其保存在计算机内,通过编写的程序对两个散斑图进行处理后叠加可获得强度相关条纹场,类似杨氏条纹。
测量出干涉条纹间距,按照公式(3)便可算出物体发生的微位移。
1.2数字散斑相关法散斑相关法是根据物体在变形前后的相关性来确定物体位移和变形的一种非接触性全场测量方法。
如果被测物体发生的是一个微小的面内位移,可以认为微位移只改变散射基元的空间位置而不影响散射特性,所以散斑图的微观结构基本上保持不变,图上每一点全部仅发生了相应面内位移[5]。
假设物体发生位移前的函数为f(x,y),发生位移后的函数变为f((x-x),(y-y0)),根据自相关函数: r ff(x,y)=∫∞-∞∫f(ξ,η)f3(ξ-x,η-y)dξdη(4)可知:自相关函数的模|rff(x,y)|在原点最大。
也就是当信号相对本身有平移时,就改变了位移为零时的逐点相似性,自相关的模减小[6]。
所以自相关模最大时所对应的位移量即是物体发生的位移。
数字散斑相关法首先将被测物体发生位移前后所形成的散斑图分别由CCD摄像机采集并保存在计算机里,利用编写的程序对散斑图作相应的数字图像处理,然后利用数字图像相关处理,分析物体表面位移场分布。
通常相关运算形式为[7]:C( Γ)=κsΨ( σ+ Γ)d2 σ(5)式中,C是相关系数,S是相关子区, Γ是位移矢量,Ψ( σ+ Γ)是相关积分核,具体形式如下:Ψ( σ+ Γ)=f( σ)・g( σ+ Γ)(6)f和g分别为变形前后散斑场强度函数。
具体方法是:从变化前散斑图上选取一个散射基元,根据式(6)确定相关积分核,利用matlab软件编写的程序自动在变化后散斑图上搜索最大相关系数所对应的位置,以此确定物体的位移量。
本方法需要逐点进行比较,因此必须进行大量的数据计算,但是此测量精度较高。
2实验结果和分析2.1散斑照相法图1为测量系统原理图。
系统由激光器、偏振片、扩束镜、准直镜、毛玻璃、CCD摄像机和计算机组成。
测量所用激光器为氦氖激光器。
测量时首先记录一幅物体位移前的散斑图,然后再记录一幅物体位移后的散斑图。
利用Matlab编写的程序分别对散斑图经过了滤波处理和二值化处理,然后将两张散斑图重叠,产生双曝光图,如图2所示。
1—偏振片;2—扩束镜;3—准直镜;4—毛玻璃图1 双曝光法测量面内位移系统原理图图2 散斑干涉图 对散斑图进行处理分析,得出相邻干涉条纹之间的距离,利用公式(3)算出相应的位移量。
测量数据见表1。
表1 利用相关法得到的实验数据序号实际位移/mm测量位移/mm10.010.010920.020.021630.030.032040.040.0439 实验中测量相对误差接近10%。
误差大的原因关键在于条纹质量比较差。
影响条纹质量的因素大致有几个方面:①物体表面的粗糙度影响;②背景光的干扰;③测量时光路调节不够理想;④散斑的大小直接影响到可测量的位移,所以可能还与测量的位移量大小有关。
2.2数字散斑相关法图3为相关法测量面内位移系统原理图。
系统04 第1期 李晓英等:激光散斑位移测量方法研究中所用激光器为氦氖激光器。
激光器发出的光依次经过反射镜、准直镜、毛玻璃、透镜,最后由CCD 记录散斑图。
图3 相关法测量面内位移系统原理图 首先记录一张初始位置的散斑图保存在计算机内,然后再记录物体发生位移后的散斑图。
通过计算机编写程序对这两幅散斑图作相应的滤波和二值化处理后。
图4所示,是用CCD 记录的物体发生位移前后的散斑图。
图4 物体发生位移前后的散斑图 图5是从位移前散斑图上选取的一个小的散射基元,根据式(5)编写的程序,实现散射基元在位移后散斑图上自动搜寻与之匹配的基元,根据相关系数大小来确定物体发生的位移。
表2是处理数据结果。
图5 散射基元表2 利用相关法得到的实验数据序号实际位移/mm测量位移/mm最大相关系数散射基元大小/像素10.010.00990.7057100×10020.010.00990.8417200×20030.010.00980.8728300×30040.020.02010.4340100×10050.020.02030.6932200×20060.020.02080.7714300×30070.030.03010.8284100×10080.030.03050.7563200×20090.030.03110.7691300×300100.040.04010.4231100×100110.040.04090.5264200×200120.040.04180.6087300×300 测量最大相对误差在5%左右。
通过实验发现:①相关系数随位移的增加而减小;②散射基元大小会直接影响到相关系数的大小;③散斑会有一定的变形。
3结束语本文设计了一套利用散板测量面内微位移的系统,该系统结构简单,操作方便。
实验中利用CCD 记录散板图像,便于实现测量数字化,而且通过提高CCD 的分辨率来提高测量的精度。
实验中分别用散斑照相法和散斑相关法对物体面内发生的微位移进行了测量和分析。
通过对测量数据分析,发现这两种方法均可以实现对面内微位移进行测量,但是这两种方法各有特点。
双曝光法是通过对物体发生位移前后所形成的散斑图进行叠加,获得干涉条纹来计算物体的位移,所以散斑图的质量是决定测量结果的重要因素。
在实验中发现物体表面粗糙度对条纹间距会产生直接影响。
在实验中也发现,位移量大小对实验结果有很大的影响,位移太小和太大都直接降低了条纹质量。
(下转第61页)14 第1期 王信东等:我国现代服务业统计范围演变研究计),得到的数据供本地区参考。