激光散斑法测钢制简支梁微小位移
飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置和方法[发明专利]
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专利名称：飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置和方法专利类型：发明专利
发明人：周常河,刘文军
申请号：CN200610026621.2
申请日：20060517
公开号：CN1844844A
公开日：
20061011
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种利用飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置和方法。
装置构成主要包括飞秒激光源和CCD摄象机及计算机控制和处理系统，所述的方法利用该装置将物体移动前后的散斑场分别用CCD 探测器记录下来并储存于计算机中，对移动前的散斑场和移动后的散斑场进行相关性运算，就可以确定出场的移动量；本发明可以对散斑场移动作实时测量；精确到亚像素大小。
飞秒激光与分子、生物体的相互作用导致散斑的产生是常见的现象，本发明利用飞秒散斑的信息，可以得知散射体的空间运动信息有重要意义。
申请人：中国科学院上海光学精密机械研究所
地址：201800 上海市800-211邮政信箱
国籍：CN
代理机构：上海新天专利代理有限公司
代理人：张泽纯
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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。
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。
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法在物理实验中，测量微小位移量是非常重要的。
微小位移量的测量可以用来研究物体的运动规律和性质，同时也可以应用到各种不同的领域，例如工程、医学、空间科学等。
光学测量方法是一种常用的方法，它采用光学原理来测量微小位移量，具有非接触性、高精度和高灵敏度等优点。
本文将介绍几种常用的光学测量方法，包括差动测量法、干涉测量法、激光测量法和数字全息测量法，并对它们的原理、应用和优缺点进行详细介绍。
差动测量法是一种基于两束光的相位差来测量微小位移量的方法。
它的基本原理是将两束光沿不同的光路传播，然后再将它们进行合并，通过比较两束光的相位差来测量位移量。
差动测量法在实际应用中有多种实现方式，例如双臂激光干涉仪、激光多普勒测速仪等。
双臂激光干涉仪是最常见的一种实现方式，它采用激光作为光源，通过将激光分为两束，分别沿不同的光路传播，并最终在相位板上进行叠加来进行测量。
在测量时，当被测物体发生微小位移时，两束光的相位差会发生变化，通过测量这种相位差的变化就可以得到位移量。
差动测量法在很多领域都有广泛的应用，例如机械工程、光学工程、材料科学等。
它具有非接触性、高精度和稳定性的优点，在微小位移量的测量中有着很高的应用价值。
但是，差动测量法也有一些缺点，例如对环境条件要求较高，需要较长的测量时间，同时对系统的稳定性和复杂性也有一定要求。
干涉测量法是一种基于光的干涉现象来测量微小位移量的方法。
干涉测量法的基本原理是利用干涉仪的干涉图样来测量光的相位差，从而得到被测物体的位移量。
干涉测量法在实际应用中有多种实现方式，例如薄膜干涉法、多束干涉法和全息干涉法等。
薄膜干涉法是一种常见的实现方式，它采用薄膜反射镜或衍射光栅等器件来产生干涉图样，通过测量干涉图样的变化来测量位移量。
在测量时，通常需要通过对干涉图样进行处理，例如通过解调或者数字图像处理等方式，来得到被测物体的位移量。
干涉测量法在很多领域都有广泛的应用，例如半导体制造、光学显微镜、生物医学等。
激光散斑照相法—一种测量微小位移的方法共40页
的方法
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
激光散斑位移测量方法研究
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。
激光散斑照相法—一种测量微小位移的方法
ik
x y 2F
2
2
A1 e
ik
( x
F F x )2 ( y y )2 uF u F 2v
A1e
( x x )2 ( y y )2 ik 2v
x y F v M y uF u x
Experiment
一、内容和步骤
测量模拟极限变形 实际应用——压电陶瓷的变形测量 单板记录多样复杂信息的花样
Experiment
极值测量
测量方法： 在压电陶瓷表面贴上一层毛玻璃，放在带 有螺旋测微器的光具座上，调节光路使成 像清晰，拍摄记录一次，然后手动调节螺 旋钮，使沿垂直于成像光路方向产生一定 量的位移（微小），再拍摄记录一次，通 过显影、定影后，再现观察所得胶片，即 可定出运用该方法测量微小位移的极限长 度（包括极大值与极小值）
条纹间距 /cm
× ×
理论位移/um （由条纹间距计算出）
× ×
备注
1 2 3 4 5 6
无条纹 1条纹 （一个椭圆斑） 3条纹 亮纹5条，暗纹2条
15.80/3=5.27 16.80/5=3.36
10.9 17.1
80
90
30、40
30、40
12.00/16=0.75
8.90/14=0.64
u2 ( x, y) u1 ( x, y) e A1 e 物面小位移 ( x x )2 ( y y )2 ik 2u ( x, y) A1e u1 在像面上反映为
x2 y 2 ik 2F
x2 y 2 ik 2v
( x, y) u1 ( x, y) e u2
2 2
M
测量微小位移量的几种新方法
测量微小位移量的几种新方法
张炳恒;宫铁波
【期刊名称】《河北理科教学研究》
【年(卷),期】2002(000)004
【摘要】微小位移量的精确测量,在工程、材料、精密机械、自控等很多领域有着重要的应用,普物实验教学中,主要是通过测量金属的杨氏模量、固体的线膨胀系数等实验来让学生掌握其测量方法的.传统的测量方法,主要是使用光杠杆和尺度望远镜,其概念清楚,结构简单.但随着科学技术的发展,其测量精度,测量误差。
【总页数】3页(P66-67,72)
【作者】张炳恒;宫铁波
【作者单位】河北省廓坊师范学院物理系065000;河北省廓坊师范学院物理系065000
【正文语种】中文
【中图分类】O4－33
【相关文献】
1.几种电子剪切散斑相位求解法在简支梁微小位移测量中的应用比较分析
2.基于混合积分算法的微小位移量测量方法研究
3.磁场在微小位移量测量中的应用
4.杨氏模量测量新方法--用电学量测量
5.利用微小位移与线膨胀量的关系测量物体线膨胀系数
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激光散斑法测钢制简支梁微小位移
土木建筑学院
土木工程0409班
郑楠、牙韩胜、张勇
激光散斑干涉方法是近20年来发展起来的一种新的实验应力分析方法。
该方法所依据的理论就是相干光相遇时会发生干涉而形成条纹，我们最熟悉的例子是杨氏干涉条纹，而杨氏干涉条纹是由两个点光源发出的波所形成的。
例如用相干性很好的激光照射物体漫反射表面，这些表面漫反射光好像无数小的相干点光源所发出的光，它们之间也是相干光，彼此也要发生干涉，但在很多点光源的情况下，干涉不再具有规律性，而是在物体表面前边的空间形成了无数随机分布的亮点和暗点，这就是散斑。
因为是激光做光源，所以叫激光散斑。
采用成像透镜，将物体表面随机分布的散斑连同物体的象一起用全息底片记录下来，就可得到散斑图。
如采用双曝光法散斑照相进行力学量测，就是将物体变形前的散斑图与变形后的散斑图记录在同一张全息底片上，再将这张带有物体变形信息的底片，放在一定的光路系统中，即可将散斑图中贮存的信息提取出来，即是散斑测量。
实验目的
本实验利用激光散斑法和杨氏干涉的原理来达到测量钢制简支梁在不同集中载荷作用下的微小位移，将实验测量结果与理论计算值进行比较分析。
实验原理
用激光照射被测物体漫反射表面，形成空间散斑场。
使用成像透镜(可用付里叶镜头或制板镜头，也可用普通放大镜)将激光照射物体表面形成的散斑，记录在全息底片上，得到散斑图。
即在被测物体变形前和变形后进行两次曝光，将两个散斑场记录在同一张底片上，得到带有物体表面变形信息的双曝光散斑图。
将记录了物体位移信息的双曝光散斑图经显影，定影之后，放在一定的光路系统中，便可把散斑图内贮存的变形信息提取出来，即是散斑图分析。
本实验对散斑图分析采用逐点分析法(如图2所示光路)。
当用同一底片对物体变形前后的两种状态做二次曝光，在底片上就得到了物体表面在变形前后的二个散斑图像的迭加。
考虑物体表面的一个微小的区域，这个小区域里各点的位移大小和方向可以看成是相同的，也就是可以认为在物体变形过程中，这个小区域只发生整体移动，这样的小区域称为准平移区。
当物体表面这个准平移区在变形前后的位移为d时，在二次曝光底片散斑图像上对应的那个小区域内，两组散
斑就相应地都有一个位移Md ，就物体表面这个准平移区内的某一个暗斑在变形前后的两个位置而言，由于照相的感光化学作用，在二次曝光底片它们的对应位移处，就应当是在黑的背景上两个透光的小孔，此底片再受到激光照射时，两个透光小孔就和物理光学里典型的双孔衍射实验中“双孔”的作用相似，即在二次曝光的散斑底片上任一准平移区内，都随机分布了具有相同方向和相同距离的许多对“双孔”，只是在不同的准平移区内，随机分布的“双孔”具有不同的方向和距离。
这些“双孔”显然带有被测物体表面各处位移的信息。
当用一细激光束垂直照射二次曝光散斑底片上某处时，与杨氏双孔衍射一样，在底片后边的屏幕上看到的是在一个衍射晕内的等间距平行线，称杨氏条纹图，如图4在示。
杨氏条纹的方向与被照处的位移方向垂直，条纹的间距△与物体表面上对应处的位移有如下关系：
M △l
d λ=
d －物体表面位移（mm ）；
△ －杨氏条纹干涉(mm)；
S
△=
n
S－衍射晕直径，(mm)；
n－衍射晕内散斑条纹数；
－激光波长
l－散斑图到屏幕间距离
Ｍ－像的放大倍数；
这种逐点分析的方法，可以把被测物体表而上所测量的任意一点的位移大小和方向测出来。
本实验对钢制简支梁进行位移测量，试件为一小钢条，试验时将钢条两端简支模拟钢制简支梁，对梁中心线上某点未受载荷时先曝一次光，然后在梁中点处（距固定端55mm处）加3kg向下的集中载荷，梁受载荷作用产生向下挠曲变形，这时对梁上述某点再曝光一次，即得到梁某点散斑图，将此散斑图放在逐点分析的光路系统中，便可测出梁该点的位移值。
实验设备和仪器
氦氖激光器，计时器，标距仪，分光镜，40倍扩束镜，全息干板，观察屏，米尺，直尺，磁铁载物台，自制小铁钩，1kg砝码3块，铁丝，手电筒，暗室设施。
实验试件
小钢条：材料为牌号Q235A级的低碳钢，E=212GPa，G=82.3GPa，μ=0.288。
实验操作与步骤
1、试件准备
测定试样原始横截面积。
本次实验采用圆形试样，应在标距的两端及中间三处取三个截面，每一个截面在相互垂直的方向上各测一次直径，每个截面取其算术平均值，得到试样的横截面的直径。
将试样在标距仪上打标记，每10mm一个标记。
2、理论值计算
根据试样的形状、尺寸和预计材料的力学性质计算在载荷作用点的位移。
3、安装试样
将试样安放在载物台上固定，调整载物台高度，使高度与激光器的高度相当。
4、按照光路图摆放仪器
摆放顺序为：氦氖激光器→扩束镜→钢制简支梁→凸透镜→全息干板。
钢制简支梁上被测点（试样中点）、凸透镜光心、全息干板形心三点尽可能在一条直线上，记为直线AB，激光器管轴线与AB间的夹角θ应在30°至45°之间。
凸透镜到梁上被测点的距离应与到全息干板的距离相等。
调节各仪器间距离，使被测点在全息干板上的像最清晰，实际操作中可先用废旧的全息干板来辅助调节，待正式暴光时再换上新的全息干板。
5、暴光
将仪器、试样摆放调节完毕后，关闭实验室内所有光源使实验室成为暗室（激光器除外）。
用厚板将激光器的光线挡住，然后换上新的全息干板。
打开记时器并同时移开厚板，将全息干板暴光30秒。
暴光完毕后，用厚板将激光器的光线挡住，同时对测点加载3kg的载荷，待试样加载稳定后移开厚板再对全息干板暴光35秒。
6、冲洗全息干板
显影→停显→定影（2分钟以上）。
7、分析
按照图2所示光路，调节氦氖激光器照射散斑底片，对所得的散斑底片进行照射，在观察屏得到各测点的杨氏条纹图，用直尺分别测出它们的衍射晕直径S，
并记下它们的衍射晕内散斑条纹数n ；
8、 将所得数据代入M △l
d λ=
（d －物体表面位移（mm ）；
△ －杨氏条纹干涉(mm)；
△ =n
S S －衍射晕直径，(mm)；
n －衍射晕内散斑条纹数；
λ－激光波长,0.6328μm
l －散斑图到屏幕间距离,7.054m
Ｍ－像的放大倍数,40倍；
9、 理论值计算 D=EI
FL 323
L=0.11m E=212GPa D=12
493
1054102123211.08.93-⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯π
=11.75⨯610m=11.75μm 10、数值整理与比较
将实验所得数据按照实验原理公式进行分析计算，得出结果与理论值进行比较，得出最终结论。
实验记录
低碳钢试件实验结果
误差分析
相对误差：M=75
.1175.1112-%100⨯=2.13% 简支梁是理想模型，实际安装试样时，两端无法达到完全铰支状态。
在对试样加载时，支座会发生微小变形，对实验结果造成影响。
结论
激光散斑法具有一般光学计量的精度及非接触式测量的特点，光路和测量装置简单，只需要较小功率的激光器;能精确测量表面上任意一点位移大小和方向。
因此该方法有广阔的应用前景。
本实验通过激光散斑法测定模拟简支梁的试样在集中载荷作用下的微小位移，测量精度可观，可操作性强。
我们小组在3次失败后才最终完成本实验任务。
实验中，我们克服了试样安装、仪器选择、实验操作等问题，在实验过程中还发现并修正了设计中的许多漏洞，比如原始方案中我们选择成像透镜来进行散斑照相而实际发现此方法会使光强过弱导致实验结果不明显，我们重新选择另外一种光路（即上述图1所示光路）成功完成了实验。
几次实验失败总结的经验：在光路安
装调试完毕以后，要保持光路至校检完毕；在对测点进行暴光时，要尽量保持安静，以避免声波对实验结果的影响；暴光时间要在适当范围内以保证全息干板的可读性。