散斑干涉条纹测量系统设计

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传统的散斑照相法通过摄取双曝光散斑图，然后再现散斑图像即杨氏条纹，并测量条纹间距，再利用测量光路的相关参数，可得出物体的面内微位移。该技术具有非接触、高精度的特点，在无损检测[1]、应变 引、振动 和位移 等测量中获得了广泛应用。目前电子散斑的研究主要建立在数字图像处理基础上 ，对CCD采样后的数字图像进行分析和计算，该技术省去了传统方法中干版显影、定影的化学湿处理过程，但测量精度依赖CCD技术指标和图像处理算法。运用单片微型计算机技术(简称MCU技术)和光敏传感器进行直接测量，测量方法简单，计算精度可达0.001 mm。

l 系统设计1.1 光学记录与再现系统散斑照相的光路如图1所示。激光经过扩束镜Lk扩束，均匀照射在试件毛玻璃 S上，再经过成像透收稿日期 ：2012-10-22基金项目：南京航空航天大学青年基金资助项目(Ns2010191)作者简介：盛 伟(1986-)，男，江苏丹阳人 ，硕士研究生，主要从事光电检测技术方面的研究。

第 3期 盛 伟，等：散斑干涉条纹测量系统设计 · 59 ·镜 L ，最终成像在全息底片 H上。

l ～ //- fI - - i -- 激光器 . - H试件图1 散斑照相光路系统Fig.1 Optical system of speckle photography当试件 s被加载位移后，散斑图像将随着物体作相应运动。如果用同-干版对物体位移前后的两种状态作两次曝光记录，则在底片上就得到了两幅散斑图的迭加干涉形成的双曝光散斑图。

将记录底片H放在如图2所示的光路中，激光光束通过底片H后在观察屏上形成干涉条纹，这种条纹称为杨氏条纹。

设激光波长为 ，散斑照片到观察屏的距离为 L，双孔间距为d，相邻条纹的间距为z，由杨氏双孔实验可知，如照相时物的放大率是 M，物体的位移量为 X，则：片图 2 逐点分析法Fig.2 Point-by-point analysis methodx - d- (1)其中位移方向与所观察到的条纹相互垂直。

条纹间距z是散斑测量的关键物理量。传统方法是通过人眼直接观察并测量，由于条纹明暗连续变化，直接观察法存在很大的误差。目前电子散斑主要是依据数字图像处理技术，利用CCD采样替代传统的胶片记录，然后用PC对采集图像进行数据处理和计算，最终得出条纹间距z，该方法使测量计算较为方便。但是作为关键测量部件的 CCD，其技术指标不同，测量精度有很大的差别，-般来说，指标越高的CCD成本也越高。另外运用PC也不便于产品的集成小型化。本文介绍-种新的方法，运用 MCU技术配合光敏传感器自动判定条纹中心，得到较高精度的条纹间距 。该设计方案不仅利于仪器的集成化和便携化，而且成本较低。

1.2 杨氏条纹测量系统系统由硬件和软件两部分组成。硬件控制光敏传感器扫描光强分布，并将模拟的光强信号数字化，最终接入单片机。软件对采样数据进行分析，消除噪声，判断极值点，找出相邻的两个暗条纹中心，计算出条纹间距 z。

1.2.1 系统硬件部分系统硬件构成如图 3所示，主要由电机驱动电路(A区域)、光敏传感电路(B区域)、单片机(AT89S52)和显示器(图中未标出)组成。

光敏传感电路由光敏电阻R。与分压电阻R 串联而成，R。的阻值随着光照强度的减弱而增大。其中光敏电阻的受光面是面区域，因此0点的电压值反映了光敏电阻受光面所在区域的光照情况。所说的条纹中心，实际是条纹中心区域，而非中心点。因为受光面是固定不变的，所以由条纹中心区域判断得到的条纹间距与由条纹中心点得到的间距效果相同。

传感电路将光强信号转化为电压信号，以供单片机进行数据处理。因此传感电路的灵敏度(尤其是条纹中心附近的灵敏度)关系到条纹间距 z的测量精度。因为条纹中心附近光强变化相对不明显，且光敏·60 · 光 学 仪 器 第 35卷电阻在暗光区域对光强变化更为敏感，所以选择识别暗条纹中心并由此计算条纹间距。为保证暗条纹中心判断的准确性，除了需要高灵敏度的光敏电阻R 外，风 的阻值对条纹中心的判断也有-定的影响。当R。的阻值与R 相差较大时，0点电压随R。的变化并不明显；当两者相近时，o点电压对R。的变化则比较敏感，因此R6的阻值应与光敏电阻处于条纹中心时的阻值相近。其它-些因素也会影响到对条纹中心的准确判断，设计时并未--考虑，而是依据系统的测量效果来评价系统的合理性。其评判标准是：对- 确定的散斑图样进行多次测量，观察测量结果是否唯-，或者结果的波动是否足够校试验结果证实，所设计的系统可达到以上要求，即测量结果较为稳定。

图 3 电路图Fig.3 Circuit diagram1.2.2 软件部分每个条纹中心都对应-个极值点，软件的功能就是排除噪声干扰并自动识别这些极值点，最终实现对条纹间距 z的测量和微位移X 的计算。由于测量条件的限制，如激光器的稳定性、实验室的光照环境等因素，硬件采集的数据不可避免地会随机出现噪声。噪声的出现，会导致采样的光强分布函数出现不确定的极值点，如图4中A、B、c、D各点。显然这种极值点并不对应条纹中心。因此需先对采样数据进行噪声分析，再寻找确定的极值点，即条纹中心。

分析噪声的特征可发现：噪声会使极值的附近出现单调性的两次变换，即由单调递减变化为单调递增再快速恢复到单调递减(如A点和B点)，或者由单调递增变化为单调递减再快速恢复到单调递增(如C点和D点)。而与条纹中心对应的极值点在极值附近只会出现单调性的-次变换，而不是两次。因此软件处理中可依据该特征对噪声进行判断并排除，以确保准确找到条纹中心。

工作流程如图5所示-启系统，单片机自检进人工作状态，然后单片机从 ADC0804模数转换器中读人采样信号，并对信号数据进行噪声分析和极值判断，即完成-个点的光强测试及分析。然后对下-个点进行相同操作，直到获得两个极小值，最后输出测量结果。为保证测量结果的可靠性，可以进行多次测量。

第3期 盛 伟，等：散斑干涉条纹测量系统设计 · 61 ·图4 噪声示意图F .4 Noise pattern2 测量精度与采样精度图 5 流程图Fig.5 Flowchart测量精度是任何测量的关键所在。系统中硬件由多种元器件组成，配置不同，测量精度有较大区别。

该系统的测量精度由采样精度 △z决定，所以必须选择合适的采样精度 △2。系统中选择的采样精度为0.150 0 mm，被测物体的测量精度可达0.001 mm甚至更高。

根据实验条件，当放大倍数M-1时，为获得便于观察的再现条纹图，-般被测物体的位移x变化在)r0.0050.025 mm范围内，L的取值在200-500 mm之间。根据公式 x- ，其中 -632.8 nm，若取LIV1n 1 R 9M-1，L250.0 mm，z、x的单位均为mm，则：x- 。

由该反比例函数可知，随着 z的增大，X的变化越来越慢。如表 1所示，当l从 6.150开始以 0.150 0递增时，引起 X的变化 △X从 0.000 61开始递减至 0.000 43。对此可以理解为当被测物体的位移量 X为0.025 72 mm时，测得条纹间距 l为6.150 mm；位移量为0.025 11 mm时，测得间距为6.300 mm；位移量在0.025 72和0.025 11之间时，测量结果为6.150和6.300其中之-。由此可得出以下结论：当位移量的变化不小于 0.000 61 mm时，在 0.150 0 mil的采样精度下就能识别并将两个不同大小的位移量区分出来。因此可认为当测量精度要求为0.001 mm(O.000 61)时，0.150 0 mm的采样精度可以满足测量要求。对比0.000 43和0.000 61可知，当位移量X较小时，z相同幅度的递增引起的AX较小，即识别精度较高，因此该技术比较适用于微位移的测量。

表 1 l与x 的对应关系Tab.1 The relationship ofl andX3 实验测量测量时需要调整系统的测量方向，保证光敏电阻的扫描路径与散斑图样平面平行，并且垂直干涉条纹。目前采用的方法是将测量系统放置在-个三维可调平台上，首先在水平方向旋转调节系统方向，找· 62 · 光 学 仪 器 第 35卷到使测量值z最小的方向，此时扫描路径与散斑图样平面平行；然后在垂直方向旋转调整系统方向，再次找到使测量值最小的方向，此时扫描路径与干涉条纹垂直。

方向调整完成时，最后获得的最小条纹间距即为目标条纹间距 。以下为实际测量系统的参数：-632.8 nm，M-1，L-250.0 mm，测量的结果如表2所示。表中x。为被测物体加载位移，z是由系n 1 Q9统测量所得的条纹19距 ，计算结果X - 。由t表 2可知，由测量值 z计算得到的结果 X 与加载值X。吻合较好。另外对同-个散斑图样进行多次测量，发现测得的z比较稳定，说明该设计是合理的。

4 结 论表 2 实验结果Tab.2 Results实验结果表明，系统适用于散斑干涉条纹的测量工作。该系统通过替换更高感光灵敏度的光敏器件，配合更高精度的步进电机系统，可应用于更宽范围、更高精度要求的散斑干涉条纹或者其它光电检测(如双缝干涉，光栅等)的测量系统中。后续将设计单片机系统可控的三维可调平台，进-步完善系统，使系统能够独立完成测量工作。