一种表面形貌与应变测量方法和装置

1.本技术涉及全场光测量技术领域，尤其涉及一种形貌与应变测量方法和装置。


背景技术：

2.应变测量是评估材料和结构力学性能、预测服役寿命的重要途径，在工程力学领域十分重要。目前，数字剪切散斑干涉技术已成为一种有竞争力的全场应变测量工具，但是应用该技术测量曲面物体的应变分布时，需修正测量矢量方向与表面法线方向不一致所带来的测量误差，否则会存在明显的测量误差。
3.当前，通过结合光源移动、被测物旋转、变折射率、变波长等方法，数字剪切散斑干涉技术能够获得一维表面斜率，可以得到旋转对称的物体的表面形貌；但现有技术无法同时获得两个正交方向的表面斜率，因此不能得到具有任意形状的物体的表面形貌。此外，可以通过结合其它形貌测量技术，如结构光投影技术，来获得物体的表面形貌。但是这种集成技术的系统复杂、测量效率低下，且难以获得具有位置相关性的数据。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种形貌与应变测量方法和装置，用以解决在应变测量过程中同步测量表面形貌且基于形貌数据进行应变修正的问题。
5.本技术实施例提供了一种表面形貌测量方法，包括：
6.搭建基于光源移动的二维剪切散斑干涉光路；
7.根据所述二维剪切散斑干涉光路，同步确定被测物沿不同剪切方向的相位分布进而计算表面斜率；
8.根据所述两个方向上的斜率分布，确定所述被测物的表面形貌。
9.在一种可能的实现方式中，二维光源移动数字剪切散斑干涉装置包括：两个光束位置可移动的激光光源照明模块、一个二维剪切模块、一个成像模块。两个光束位置可移动的激光光源照明模块可使照明光束沿垂直光束传播方向平移，其移动量可控。
10.在一种可能的实现方式中，二维剪切模块的剪切量在x轴方向与y轴方向，用来同步引入被测物的两个方向上的剪切干涉图，根据剪切干涉图求取相位进而得到两个方向上的斜率分布。成像模块用来获取剪切干涉图。
11.在一种可能的实现方式中，两个光束位置可移动的激光光源照明模块中的激光器波长可以是相同的或不同的。激光器发出的准直光经过扩束后均匀地照射在被测区域。
12.在一种可能的实现方式中，两个光束位置可移动的激光光源可通过位移台、传动滑轨、光路切换等方式实现光束移动。
13.在一种可能的实现方式中，二维剪切模块可由分光棱镜与平面镜组成。在另一种可能的实现方式中，二维剪切模块可由一个特殊分光比的分光棱镜与一个普通分光棱镜和平面镜组成，分光棱镜将入射光分束并通过平面镜反射引入不同剪切方向的干涉图。在一些实现方式中，特殊分光比的分光棱镜可用于平衡不同光路中光束的光强。
14.在一种可能的实现方式中，二维剪切模块可由三个分光棱镜与平面镜组成，三个分光棱镜实现入射光的分束并平衡不同光路中光束的光强。通过平面镜与分光棱镜组合引入不同剪切方向的干涉图。
15.在一种可能的实现方式中，二维剪切模块可由二向色滤光片与平面镜组成。二向色滤光片可反射一定波长的光同时透射另一波长的光，二向色滤光片与平面镜分别通过两波长不同的激光束来引入不同剪切方向的干涉图。
16.在一种可能的实现方式中，成像模块可由成像镜头与黑白相机或彩色相机组成，成像模块用于采集剪切干涉图。
17.在一种可能的实现方式中，根据所述不同方向斜率分布与被测表面形貌的关系构建二维网络模型并求解方程组，确定被测物的形貌。
18.在另一方面，本技术实施例提供了一种应变测量方法，包括：
19.在二维光源移动数字剪切散斑干涉形貌测量光路的基础上搭建应变测量光路；
20.根据所述二维光源移动数字剪切散斑干涉应变测量光路确定被测物由于外部载荷所引起的相位差分布以计算位移梯度，包括所述被测物沿x轴方向与y轴方向的位移梯度：和
21.根据所述位移梯度和以及所述被测物的表面形貌，确定被测物由于外部载荷所引起的应变分布，包括：ε
xx
和ε
yy
。
22.在一种可能的实现方式中，二维光源移动数字剪切散斑干涉应变测量光路在二维光源移动数字剪切散斑干涉形貌测量光路的基础上增加了两个固定的激光照明光源，包括：
23.两个固定的激光器、两个可移动的激光器、一个二维剪切模块、一个成像模块，成像模块采用成像镜头与相机组合以实现图像采集。
24.在一种可能的实现方式中，激光的波长可以是相同的或不同的，二维剪切模块可以由分光棱镜组或者二相色滤光片构成，成像相机可以使用黑白相机或者彩色相机，根据使用激光波长的相同或不同来选用不同的二维剪切模块与成像模块搭建光路。
25.本技术施例提供了一种表面形貌测量装置，包括：
26.搭建模块，用于搭建二维光源移动数字剪切散斑干涉光路；
27.第一确定模块，用于根据所述二维光源移动数字剪切散斑干涉光路，同步确定被测物表面对应于两个不同剪切方向的相位，根据相位分布计算沿两个剪切方向的表面斜率；
28.第二确定模块，用于根据所述两个表面斜率，确定所述被测物的表面形貌。
29.在另一方面，本技术施例提供了一种表面应变测量装置，包括：
30.搭建模块，用于搭建二维光源移动数字剪切散斑干涉光路；
31.第一确定模块，用于根据所述二维光源移动数字剪切散斑干涉光路，同步确定被测物的两个表面斜率；
32.第二确定模块，用于根据所述两个表面斜率，确定所述被测物的表面形貌；
33.第三确定模块，用于根据所述二维光源移动数字剪切散斑干涉光路，确定所述被
测物由于外部载荷所引起的位移梯度；
34.第四确定模块，用于根据所述位移梯度和所述表面形貌，确定所述被测物的应变分布。
35.通过搭建二维光源移动数字剪切散斑干涉光路，根据所搭建光路同步确定被测物表面对应于两个不同剪切方向的相位，根据相位分布计算沿两个剪切方向的表面斜率，根据所述两个表面斜率，确定所述被测物的表面形貌，从而利用数字剪切散斑干涉技术实现对具有任意形状物体的表面形貌的测量。
36.通过搭建二维光源移动数字剪切散斑干涉光路，根据所搭建光路同步确定被测物的两个表面斜率，根据所述两个表面斜率，确定所述被测物的表面形貌，根据所述二维光源移动数字剪切散斑干涉光路，确定被测物由于外部载荷所引起的位移梯度，根据所述位移梯度和所述表面形貌，确定被测物的应变分布。根据所述光路同步测量被测物的表面形貌与应变分布使得应变分布与表面形貌产生对应关系，从而修正测量矢量方向与表面法线方向不一致所带来的测量误差，以获得精确的应变分布结果，提高了测量效率与测量准确度。
37.根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
38.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
39.图1为本技术实施例提供的一种表面形貌与应变测量方法的流程图；
40.图2a、2b描述了光源移动装置的多种实现方式；
41.图3为本技术实施例提供的一种二维光源移动数字剪切散斑干涉光路的示意图；
42.图4为本为本技术实施例提供的一种二维光源移动数字剪切散斑干涉光路的示意图；
43.图5为本技术实施例提供的一种二维光源移动数字剪切散斑干涉光路的示意图；
44.图6为本技术实施例提供的一种二维积分模型；
45.图7为本技术实施例提供的一种四激光器分布示意图；
46.图8为本技术实施例提供的一种基于光源移动的二维数字剪切散斑干涉形貌与应变测量光路示意图；
47.图9为本技术实施例提供的一种表面形貌测量装置结构示意图。
48.图10为本技术实施例提供的一种应变测量装置结构示意图。
具体实施方式
49.下面结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
50.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
51.图1为本技术实施例提供的一种形貌测量与应变测量方法的流程示意图。所述方
法可以如下所示。
52.步骤101，搭建基于光源移动的二维数字剪切散斑干涉光路。
53.步骤102，根据光源移动二维剪切散斑干涉光路，同步确定被测物的两个方向的相位分布并计算斜率，根据斜率确定被测物表面形貌。
54.步骤103，根据二维剪切散斑干涉光路，确定被测物的面内位移梯度，根据位移梯度确定被测物的应变ε
xx
、ε
yy
。
55.图2a、2b描述了光源移动的多种实现方式，图2a中激光器201发出的准直光照射到平面镜202上，经过平面镜202与平面镜203反射，最终通过扩束器207照射被测区域。平面镜203与扩束器207被放置在移动平台204上，通过移动平台可实现照明光束的定量移动。移动平台204可以是位移台或滑轨。
56.图2b是通过光路切换的方式来实现照明光束的定量位移的。图2b中激光器201发出的准直光照射到分光器208上，经过分光器208的分束，激光束本分为两束，其中一束光经过快门205通过扩束器207扩束照明，另一束光经过反射镜203经过快门206到达扩束器207后照明被测区域。通过切换快门205与206即可实现照明光束在不同位置进行照明。
57.图3为本技术实施例提供的一种二维光源移动数字剪切散斑干涉光路示意图。在图3所示的光路图中两波长相同的激光器401与402分别在xoz与yoz平面内且照明角度相同。这里激光器照明角度相同便于计算，根据实际情况照明角度也可不同。激光器401与402可通过移动装置在对应平面内沿垂直照明方向移动。激光器发出的光经扩束后照射到被测物体403的表面。被测物表面反射的光进入特殊分光比的分光棱镜441，在分光后反射光被装有压电相移装置的平面镜409反射，透射光被分光器406分成两束，然后分别被平面镜407、408反射。最终经过分光棱镜的汇聚，在黑白相机410感光面上形成剪切干涉。平面镜407、408在xoz和yoz平面中分别倾斜小角度放置以产生不同方向的剪切图像，剪切量可以通过调整407和408的倾角来控制。特殊分光比的分光棱镜用来保证量剪切图光强相等，位于平面镜407和408之前装有快门可控制光路的切换，依次生成不同方向的剪切图像。根据二维光源移动数字剪切散斑干涉光路同步确定被测物表面对应于两个剪切方向的相位，根据相位图得到沿两个剪切方向的表面斜率分布；包括所述被测物沿x轴方向与y轴方向的表面斜率：和通过下述公式确定所述斜率：
[0058][0059]
其中，δ
x
、δy是相位变化量，λ是激光波长，δ
x
是沿x轴方向剪切量，δy是y方向的剪切量，e
x
、ey是光源的移动距离，θ与θ’是照明方向与测量方向的夹角，r是光源与被测物之间的距离，是沿x轴方向的表面斜率，是沿y方向的表面斜率。
[0060]
在一种可能的实现方式中，被测斜率公式还可用另一种形式表达即：
[0061][0062][0063]
其中，k为灵敏度常数，根据系统搭建时照明方向与测量方向夹角决定，c(x)，c(y)为零斜率常数用来修正斜率测量结果。
[0064]
在一种可能的实现方式中，图3中特殊分光比的分光棱镜441还可以被两个普通分光棱镜404、405代替，如图4所示。被测物表面反射的光经过分光棱镜404、405、406后，两光路中光束的分束次数相同，剪切干涉图的光强相同。
[0065]
图5所示为本技术实施例提供的一种二维光源移动数字剪切散斑干涉光路示意图。两波长不同的激光器501与502分别在xoz与yoz平面内且照明角度相同。这里激光器照明角度相同便于计算，根据实际情况照明角度也可不同。激光器501与502可通过移动装置在对应平面内沿垂直照明方向移动。激光器发出的光经扩束后照射到被测物体403的表面。被测物表面反射的光被分光棱镜504分束，反射光被装有压电相移装置的平面镜507反射，透射光照射到二向色滤光片505上。二向色滤光片将绿光反射，将红光透射，透射光被平面镜506反射。二向色滤光片与505与平面镜506分别在xoz与yoz平面内存在一定倾角以引入剪切量。最终，在彩色相机508感光面上形成了剪切干涉图像，在彩色相机的不同颜色通道中可得到不同剪切方向的干涉图。
[0066]
图6为本技术实施例提供的一种二维积分模型，二维光源移动剪切系统测量结果为不同剪切方向的表面斜率，为了还原表面形貌，需对沿不同剪切方向的表面斜率进行二维积分。二维积分法根据每个表面形貌数据点与周围斜率数据点之间的关系构造网格模型，并求解方程组来得到被测表面形貌。构建的网络模型如图6所示，在m
×
n网络中，黑点代表表面形貌，水平箭头表示在x方向上测量的斜率，垂直箭头表示在y方向上测量的斜率，相邻测量点之间的水平间距与垂直间距分别表示为δx＝x(m，n+1)-x(m，n)，δy＝y(m+1，n)-y(m，n)。根据积分模型可以得到表面形貌与表面斜率的关系为：
[0067][0068]
其中，z为表面形貌矩阵，δx和δy分别为表面形貌中两相邻测量点的水平间距与垂直间距；m和n分别为表面形貌矩阵的行数与列数，求解方程组即可得到所求表面形貌。
[0069]
图7为本技术实施例提供的四个激光器垂直分布示意图。激光器401与801在yoz平面内，激光器402与802在xoz平面内，激光器401的照明方向与测量方向之间的夹角为θ’，激光器801的照明方向与测量方向之间的夹角为-θ’，激光器402的照明方向与测量方向之间的夹角为θ，激光器802的照明方向与测量方向之间的夹角为-θ。
[0070]
图8为本技术实施例提供的一种基于光源移动的二维数字剪切散斑干涉应变测量光路。
[0071]
在图8所示的基于光源移动的二维数字剪切散斑干涉应变测量光路中，四个激光器之间的摆放可以根据实际情况来确定，既可以采用直角分布的方式，也可以采用任意夹
角分布的方式，这里不做具体限定。
[0072]
其中激光器401与402为光源可移动激光照明部分，激光器801与802为固定的激光照明部分。在进行表面形貌测量时，激光器801与802关闭，此时光路变为二维光源移动数字剪切散斑干涉表面形貌测量光路。在进行表面形貌测量后，开始进行应变测量。此时激光器发出的光经扩束后分别照射到被测物体403的表面。被测物表面反射的光进入二维剪切模块，在分光后反射光被装有压电相移装置的平面镜409反射，透射光被分光器406分成两束，然后分别被平面镜407、408反射。最终经过分光棱镜的汇聚，在相机410感光面上形成剪切干涉。平面镜407、408在xoz和yoz平面中分别倾斜小角度放置以产生不同方向的剪切图像，剪切量可以通过调整407和408的倾角来控制。位于平面镜407和408之前装有快门可控制光路的切换，依次生成不同方向的剪切图像。
[0073]
在一种可能的实现方式中，图8中的基于光源移动的二维数字剪切散斑干涉形貌与应变测量光路也可用不同波长激光器与图5中的二向色滤光片二维剪切结构与彩色相机来实现。
[0074]
以四个激光器之间采用直角分布的方式布局为例，首先根据二维光源移动数字剪切散斑干涉光路同步确定被测物表面对应于两个剪切方向的相位，根据相位图得到沿两个剪切方向的表面斜率分布，根据所述沿两个方向的斜率，通过二维积分法确定所述被测物的表面形貌；接着通过二维光源移动数字剪切散斑干涉光路采集被测物沿两个剪切方向，即x，y方向的剪切干涉图并提取相位；然后对被测物施加外部载荷使其产生应变，同样的通过二维光源移动数字剪切散斑干涉应变测量光路采集被测物沿x，y方向的剪切干涉图并提取相位；将施加外部载荷后得到的相位图减去施加载荷前的相位图即可得到在此外部载荷条件下被测物的相位差，相位变化量与位移梯度有如下关系：
[0075][0076]
求解方程组可以得到位移梯度：
[0077][0078]
[0079][0080][0081]
其中δ
x1
、δ
x2
、δ
x3
、δ
y1
、δ
y2
、δ
y3
为使用不同激光器进行照明沿不同剪切方向的相位差，为两个面内位移梯度，为两个面内位移梯度，为不同剪切方向的面外位移梯度，α、β为被测物表面上各点处面内形变方向与测量方向的夹角。
[0082]
进而根据位移梯度：同步确定得到被测物的主应变与
[0083]
图9为本技术实施例提供的一种表面形貌测量装置结构示意图。
[0084]
搭建模块901用于布置二维光源移动数字剪切散斑干涉形貌测量系统；
[0085]
第一确定模块902用于确定被测物的两个表面斜率。
[0086]
在一种可能的实现方式中，第一确定模块902具体用于：根据下述公式确定表面斜率：
[0087][0088][0089]
第二确定模块903，用于根据两个表面斜率，同步确定被测物的表面形貌。
[0090]
在一种可能的实现方式中，第二确定模块903具体用于：根据下述公式计算表面形貌：
[0091][0092]
根据表面形貌测量装置，搭建模块用于布置二维光源移动数字剪切散斑干涉形貌测量光路；第一确定模块用于根据二维光源移动数字剪切散斑干涉形貌测量光路，同步确定被测物的两个沿不同剪切方向的相位分布，通过相位分布计算表面斜率分布；第二确定模块用于根据两个表面斜率，同步确定被测物的表面形貌。
[0093]
图10为本技术实施例提供的一种应变测量装置结构示意图。
[0094]
搭建模块1001用于布置二维光源移动数字剪切散斑干涉应变测量系统；
[0095]
第一确定模块1002用于确定被测物的两个表面斜率。
[0096]
在一种可能的实现方式中，第一确定模块1002具体用于：根据下述公式确定表面斜率：
[0097][0098]
[0099]
第二确定模块1003，用于根据两个表面斜率，同步确定被测物的表面形貌。
[0100]
在一种可能的实现方式中，第二确定模块1003具体用于：根据下述公式计算表面形貌：
[0101][0102]
第三确定模块1004用于根据所述二维光源移动数字剪切散斑干涉光路，确定所述被测物由于外部载荷所引起的位移梯度；
[0103]
在一种可能的实现方式中，第三确定模块1004具体用于：根据下述公式计算位移梯度：
[0104][0105][0106][0107][0108]
第四确定模块1005用于根据所述位移梯度和所述表面形貌，确定所述被测物的应变分布。
[0109]
在一种可能的实现方式中，第四确定模块1005具体用于：根据下述公式确定所述被测物的应变分布：
[0110][0111][0112]
根据表面形貌测量装置，搭建模块用于布置二维光源移动数字剪切散斑干涉应变测量光路；第一确定模块用于根据二维光源移动数字剪切散斑干涉形貌测量光路，同步确定被测物的两个沿不同剪切方向的相位分布，通过相位分布计算表面斜率分布；第二确定模块用于根据两个表面斜率，同步确定被测物的表面形貌。第三确定模块用于根据所述二维光源移动数字剪切散斑干涉光路，确定所述被测物由于外部载荷所引起的位移梯度；第四确定模块，用于根据所述位移梯度和所述表面形貌，确定所述被测物的应变分布。
[0113]
在一些实施例中，本公开实施例提供的装置具有的功能或包含的模块可以用于执行上文方法实施例描述的方法，其具体实现可以参照上文方法实施例的描述，为了简洁，这里不再赘述。
[0114]
本公开实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述方法。计算机可读存储介质可以是非易失性计算机可读存储介质。
[0115]
本公开实施例还提出一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行上述方法。
[0116]
本公开实施例还提供了一种计算机程序产品，包括计算机可读代码，当计算机可读代码在设备上运行时，设备中的处理器执行用于实现如上实施例提供的表面形貌测量方法的指令。
[0117]
在本公开的方法、系统等实施例中，显然，各部件(系统、子系统、模块、子模块、单元、子单元等)或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。同时，在上面对本公开具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
[0118]
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
[0119]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。