云纹测量技术
数字云纹
具体实验过程如下 ,先由液晶显示投影仪将计算机生成的第一幅条纹图(6 pixel/ 先由液晶显示投影仪将计算机生成的第一幅条纹图(6 fringe)投影到加载后的试件表面, fringe)投影到加载后的试件表面,采集变形条纹图并存于计算机的缓存中 ,再由 液晶显示投影仪将四幅等步相移条纹图依次投影到卸载后的试件表面 ,采集投 影的四幅等步相移条纹图并与存放在缓存中的变形条纹图在计算机中依次进行 直接实时相减 ,得到四幅数字相移云纹条纹图。
本文介绍一种基于液晶显示投影技术实现数字影栅云纹测量的准确数字相移, 本文介绍一种基于液晶显示投影技术实现数字影栅云纹测量的准确数字相移,由 计算机产生相移条纹图经液晶显示投影仪投影, 计算机产生相移条纹图经液晶显示投影仪投影,再通过计算机采集系统直接进行算术 运算实现数字相移和数字云纹,与通过逻辑运算得到的云纹相比, 运算实现数字相移和数字云纹,与通过逻辑运算得到的云纹相比,该方法获得的数字云 纹的信息量更丰富,因此解调出的相位更准确。该方法的优点是投影栅线实时可调, 纹的信息量更丰富,因此解调出的相位更准确。该方法的优点是投影栅线实时可调,不 需要相移器件和任何实物光栅,结合高速图像采集系统,能够在动态测量时引入相移, 需要相移器件和任何实物光栅,结合高速图像采集系统,能够在动态测量时引入相移,提 高测量精度。
基于液晶显示投影技术的数 字影栅云纹相移实现方法
SQ1001804A004 李扬
影栅云纹是一种有效的三维形貌测量方法 ,它除了可以用来测量物体曲面的几何 形状外 ,还可以测量平面结构的离面位移 ,其缺点是 其缺点是测量精度较低 ,用单纯的影栅云 纹法即便在最好的光学系统配置情况下测量精度也只有 1～100µm左右 ,在影栅云 100µm左右 是提高测量精度的主要手段。另外由于存在判别条纹级 纹测试方法中引进相移技术是提高测量精度的主要手段。另外由于存在判别条纹级 纹测试方法中引进 次和凹凸问题 ,自动化处理程度低。 。
云纹干涉测试技术
云纹干涉法的定义及发展
云纹干涉法在实验技术和应用方面迅速发展使得： -由对面内位移的测量推广到测量离面位移,进而实现三维位移场 同时测量;
若入射光满足sinθ=λf ,则:
u ( x , y) =1/4πf(2 N xπ - m)
式中 f —试件栅频率;
因m 可等效于刚体平移所产生的均匀位相,或理想地设m = 0 ,则:
u ( x , y) =N x/2 f
u ( x , y) －任意点x 方向位移; N x －该点条纹级数,即干涉条纹是位移沿x 方向分量u ( x , y) 的等值线。
云纹干涉测试技术
一、云纹干涉法的定义及发展：
－八十年代初（自1979 Post D 最早提出）兴起的一种具有非接触测量、 可进行全场、实时进行位移分析的高灵敏度大量程的光学测量方 法。
－创始人Post D 开始以传统的几何云纹为基础去解释云纹法，并没 能真正揭示其物理本质，并阻碍了其进一步发展；
－由于该方法是以被测试件表面高灵敏度云纹光栅作为变形传感器， 因此，高质量的云纹光栅的制作和复制成为影响该技术应用的关 键；
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，
f 2 sin
旋转点光源全息光栅制作系统
chap4云纹法
p sin (φ − θ ) p ' sin φ S= = sin θ sin θ
云纹间距
P p'
2
S=
pp' p2 sin2 θ +( pcosθ − p')
A Φ O D θ
§ 4-2 面内位移法基本原理
测量物体表面位移u、 （面内位移） 测量物体表面位移 、v（面内位移） 表面应变场 一、实验方法 贴在试件上的光栅――试件光栅――随试件变形 贴在试件上的光栅 随试件变形 不接触试件的光栅――参考光栅――不随试件变形 不接触试件的光栅 不随试件变形
采用插值函数的三点式求偏导数的近似值 始点： 始点： ∂N = 1 ( N i +1 − N i −1 )
∂x i 2 ∆x
N Nn Nn-1 N1 N2 Δx Ni X
中间点： 中间点： ∂N = 1 ( N − 4 N + 3 N ) n−2 n −1 n ∂x n 2 ∆ x 终点： 终点：
力学试验技术
云纹法实例
右图为试件在 F=1300N时u场云纹 时 场云纹 图 我们可以从图中可 以看到裂纹在压力 下的扩展情况， 下的扩展情况，是 一条倾斜的线， 一条倾斜的线，从 此时的云纹图还可 以看出试件面内变 形已经属于不规则 变形。 变形。
力学试验技术
力学试验技术
Thanks！ ！
Institute of Engineering Mechanics
优点及不足
测量范围大、全场测量 测量范围大、
力学试验技术
优点：使用设备简单（一般的光源和照相器材）、 优点：使用设备简单（一般的光源和照相器材）、 缺点：测微小应变的灵敏度和精度不高、曲面变形 缺点：测微小应变的灵敏度和精度不高、
先进云纹测量技术及应用
1．引言
云纹法是在上世纪六十年代兴起的测量物体全场变形测量技术。 从上世纪八十年代中 期以来，高频率光栅制作技术的发展日趋成熟，D Post 提出了云纹干涉法的测量原理和相 关测量技术。云纹干涉法是一种具有非接触测量、可进行全场和实时分析的高灵敏度的光学 测量方法，通常使用频率为 600～2400 线/毫米的高密度光栅，其测量位移灵敏度比传统的 云纹法高几十倍甚至上百倍。由于云纹干涉法的上述优点，它已经受到了广大实验力学工作 者的日益重视，并被誉为自上实际八十年代以来实验力学领域中的最受关注的方法。近年来 云纹法的研究热点已转向在微/纳尺度的变形测量，与各种高分辨率电镜技术为工具的微/ 纳米云纹法发展迅速。
本文介绍了清华大学工程力学系光测实验室近年来在云纹干涉法和微/纳米云纹测试技 术及应用方面的研究进展。
2．云纹干涉法的典型应用实例
云纹干涉法已成功应用于复合材料、结构陶瓷、形状记忆合金等细观力学实验研究以及 激光焊接残余变形、微电子封装测量，获得了具有重要学术和应用价值的实验结果。
(1) CALL 材料弯曲特性实验研究[1]
(2) 复合材料固化残余应力的测定
由于复合材料叠层各方向的温度膨胀系数不同，由不同纤维方向的叠层组合起来的复合 材料从固化温度降至室温时将产生固化残余应力。用碳/环氧复合材料制作了一个 16 层[90°2,
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
云纹干涉法测量流体温度场的
摘要微细尺度对流换热温度场的光学测量技术是微细尺度传热学研究领域的重要研究内容，它可以为微细尺度传热学的实验研究提供有效的技术途径。
本文针对微细尺度对流换热温度场的特点，提出了一种可用于微细尺度对流换热温度场测量的傅立叶变换莫尔偏折法。
提高莫尔偏折法的测量灵敏度，是解决微细尺度对流换热温度场测量的关键。
本文研究并探索了提高测量灵敏度的三个技术途径。
研究了利用莫尔偏折法测量微细尺度对流换热流体温度场的基本原理，建立了该方法的几何光学和物理光学模型，分析并掌握了莫尔条纹的形成规律，讨论了实验装置中光学参数对莫尔偏折法测量温度的影响，提出了探测微细尺度热流场对光学参数的要求。
最后，本文进行了实验验证，利用傅立叶变换莫尔偏折法测量了竖直加热细丝自然对流温度场。
实验中不仅顺利地探测到了细丝加热前后莫尔条纹的变化，还得到了细丝周围流场的温度分布。
实验验证表明，本文所提出的测量微细尺度对流换热温度场的傅立叶变换莫尔偏折法是可行的，所提出的提高微细尺度流场测量灵敏度的三种技术途径也是有效的，它将对微细尺度传热学的研究提供一种有效的实验方法。
关键词：微细尺度传热学，莫尔偏折法，傅立叶变换，温度场测量。
AbstractOptical flow visualization and measurement is one of the interesting fields in the experimental researches of heat transfer, especially in the field of mini/micro scale heat transfer. An optical method, Fourier Transform Moiré Deflectometry, applicable to mini/micro scale heat transfer, is proposed in this paper.In this paper, the researches are focused on the improvement of measurement sensitivity, so as to meet the needs of measurement for mini/micro scale fluid temperature distribution. Three approaches are presented. physical and mathematical models of Moiré Deflectometry are investigated to make clear the rule of Moiré fringes’ generation. Based on the investigation, it is pointed out how to select appropriate optical parameters to measure the teperature of mini/micro scale fluid.To verify the optical method, temperature distribution for natural convection around a vertical heated thin wire was measured by Fourier Transform Moiré Deflectometry. The small phase variation in moiréfringes,when the thin wire was heated, was obtained successfully. Furthermore, the temperature distribution around the heated thin wire was finally determined.proposed in this paper is actually applicable to mini/micro scale fluidtemperature measurement. The researches also showed that the three approaches to improve the measurement sensitivity work well. The optical method will be a useful experiment technique for mini/micro scale heat transfer.Key words: Mini/micro scale heat transfer, Moiré Deflectometry, Fourier transform, Temperature measurement目录1 高温云纹干涉法基本理论与研究概况 (1)1.1引言 (1)1.2 云纹干涉法的基本原理 (1)1.2.1基于空间虚栅概念的解释 (2)1.2.2云纹干涉法的波前干涉理论 (3)1.3云纹干涉法实验方法与技术 (5)1.3.1双光束光路系统 (5)1.3.2三反镜光路系统 (5)1.3.3大准直镜光路系统 (6)1.3.4光栅分光光路系统 (7)1.4云纹干涉法在高温领域的研究概况 (9)1.5小结 (11)2 莫尔偏折法测量流体温度场的基本原理 (12)2.1格拉斯通－戴尔（Gladstone-Dale）公式 (12)2.2非均匀介质中光线的传播 (13)2.3莫尔偏折法测温的基本原理 (13)2.4傅立叶变换求取莫尔条纹相位的基本原理 (18)2.5小结 (21)3 基于MATLAB的图像仿真得到相位的移动 (22)3.1试验系统及其基本工作原理 (22)3.2基于MATLAB的图像处理以获得相位变化 (22)3.3 总结 (27)总结 (28)参考文献 (29)致谢 (32)1 高温云纹干涉法基本理论与研究概况1.1引言近二十年来，由于激光技术和近代光学和计算机技术的发展和推动及其在实验力学领域中的应用，产生了以全息干涉法、散斑干涉法、云纹干涉法和数字图象处理为主要研究和应用内容的“现代光测力学新领域”。
云纹法测量位移-力学基础实验课件-中国科技大学-07分解
云纹是法文Moire’的译音，原意是 波纹、水纹，指两块薄丝绸叠加时形成的花 纹。日常生活中经常可以观察到云纹。例如 透过两层尼龙蚊帐向明亮的背景看去就可以 观察到黑白相间的条纹，就是云纹。可以这 样描述：凡是由两组具有光栅结构的图象重 叠在一起，由栅线的互相遮掩所形成的条纹 就称为云纹。云纹法是一大类实验应力分析 方法。 云纹法又叫莫尔条纹法、叠栅干涉法， 由于这种云纹是由栅线的互相遮掩（几何干 涉、机械干涉）所形成的故又称几何云纹。 在位移、应变测量中十分有用。
moiré fringes seen through a cage (Wikipedia)
1、栅的密率和方位
云纹法所用的基本元件是 栅（栅片或栅板）。最常用 的是直线型栅，它是由平行 等距的黑线和透明线所组成。 黑线称栅线，相邻两栅线的 间距称为节距，节距的倒数 是栅线密度（密率、空间频 率），垂直于栅线的方向称 为主方向。节距相等的栅称 为等节栅；不相等的栅称为 异节栅。用于实验应力分析 的栅线密率在几---100线对 /毫米（al/mm）。
a-节距，f－密 率
1 f= a
2 、试件栅和参考栅
如果把两片等节栅重叠起来，让栅线完全重合， 其结果和一片栅并无不同。但当两栅线有夹角或异节栅 重叠时，则一个栅的栅线会遮挡另一栅的透明线，形成 比栅线宽很多的暗带，在两个栅的透明线相重合的部分 就形成亮带。这些亮带和暗带就是云纹。可见云纹和栅 线的方位角及节距有关。因此，如果把一个栅片固定 （粘贴或刻）在试件测试区（称为试件栅Specimen grating）；用另一相同的栅（称基准栅、参考栅 Reference grating）与其重叠，当试件变形时，试件 栅跟随变形，而基准栅不受力，不变形，两栅的方位或 节距不再相同，就会产生云纹。这些云纹的位臵、间距、 转角与试件的变形有关，可以通过测量云纹求出试件的 位移或应变。 云纹按所测试表面的位移是面内的还是离面的 分为面内云纹和离面云纹两种。
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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 vn1 vn 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:
P
平行云纹
参考栅
S
试件栅
P
p' p p
s np
s (n 1) p'
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。
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。
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
云纹的发展：
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；
P
27
Optical MoiréMethod
Master MoiréFringe Grid
Model Grid
Master Grid
Mismatch
Misalignment
Two kinds of Moiréfringe
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： 旋转参考栅或试件栅（90°）；
观。
38
全息光栅 云纹干涉法测量基本原理 云纹干涉仪简介
39
云纹干涉法的传感元件
全息光栅的样式和种类
X
X Y
40
全息光栅的形成
准直激光
2β
激光感光胶
空间虚栅
f 2Sin
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
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：
11
22
33
44
y
55
66
7 7 (光栅主方向y)
88 99
21
变形后: 云纹出现
A C
A---0级，B点：+1，C点：-1
1 2 B3 4x 5 6 7 8 9
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
θθ
P θP θ θ
•相邻云纹条纹的位移增量为一个栅距， y
U场云纹
xy xx
N
N+1
x x
V场云纹
yx yy
y
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
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
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）
X Y
X 平行光栅
正交光栅
第九讲 云纹测量技术
内容提纲 云纹的基本介绍 几何云纹法 云纹干涉法 光栅的制备技术 影像云纹法
2
云纹的基本介绍
3
我们身边的云纹：
生活中经常能见到一些云纹现象，如两层蚊帐相叠 产生条纹，两把梳子相叠产生云纹。
几何云纹
带网眼的 钢丝碗
电视画面中的云纹
木梳
4
自然界中动物的斑纹
斑马身上为什么有条纹？ 自然进化的结果，有的解释为避免
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
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：
v np(n为云纹级数 )
42
云纹干涉法的基本原理
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)：
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
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。
s pp' p' p
p
p
p' p p p(1 )
s p(1 )
p
s p
p s
p
s
33
由云纹计算应变的方法:
转角云纹
B1
A1
BA
pm
D
O
C
ps
p
1 s
y
BB1 OB
OB1 OB OB
pS1 pS
pS
y
pm pS
sin( ) 1 s in
34
由云纹计算应变的方法: