非接触光测物体大位移研究

　　引　　言

　　物体的位移可用多种方法测量:微小位移可用全息干涉计量、散斑干涉计量[1,2]等非接触测量技术进行测量;稍大一点的位移可用云纹法测量等。这些测量技术都较成熟,并得到广泛的应用。但是,这些方法对于特别大的位移的测量是无效的。在航空和其他领域中,常会遇到一些构件的非常大的位移的测量问题,这对这些构件的设计和运行特性的研究具有重要意义。例如,直升机桨叶叶尖的位移可达1 m左右。对于这样大且不可直接测量的位移的测量方法,目前没有见到相关报道。本文提出的非接触光测大位移方法可解决这类测量问题,很有实用意义。

　　1　测量原理

　　用非接触光学法测量物体的位移应解决两个问题:(1)测点实际位移的定量分析;(2)被测物体图像上测点实际位置的确定。物体大位移的测量光学系统如图1所示。该系统由一个光栅[3～5]、两个记录光路和一个小功率He-Ne激光器组成。激光器输出的激光束垂直入射到光栅G后形成的0,±1,±2级衍射光线,经反射镜M1,M2,M3,M4,M5反射而变成处于同一平面内的五束激光,它们经准直后垂直入射到试件S的受检面中心线上,形成五个小光点O,A,B,C,D。射到试件固定端的光点O作为基准光点,其位置在整个实验过程中始终保持不变。设在X,Y方向的两个记录光路可记录试件在X,Y两个方向上诸光点的图像。

　　试件位移的测量方法如下:在试件加载前,先用照相机Lx和Ly分别拍摄试件受检面上O,A,B,C,D五个光点的(X向)照片和试件侧向(Y向)的照片。接着,对试件加载,使其产生大位移,除试件固定端的光斑O外,其余4个光斑分别移到了A′,B′,C′,D′,使用X,Y方向的两架照相机分别拍摄试件在这一状态下的5个光斑的图像。分析由此摄得的X,Y方向的照片,就可测出试件各个测点的位移及其在X轴的坐标位置。下面推导物体大位移和坐标的计算公式。

　　为简单而不失一般性,只分析试件上测点C′的位移和坐标值。假设图1中的照片Px,Py分别是在照相机Lx,Ly的光轴垂直于试件受检面并对基准光点O聚焦的条件下拍摄得到的。照片Px上的Cx″点是试件上测点C′的射影点,Cx″在X′O′Y′坐标系中的坐标为x′。测点C′在XOY坐标为(x,y)。该测点在照片Py上的射影点是Cy″点,Cy″在X″O″Y″坐标中的Y″轴坐标为y″。利用拍摄光路的几何条件极易确定测点C′的射影点Cx″,Cy″与该点在XOY坐标系中的坐标(x,y)的关系。

　　因△Cx″OxO′∽△C′OxN,△Cy″OyO″∽△COyC′,可得

　　用坐标值代换上式,并注意到测点C′的坐标y就等于该点的位移dP,则从式(1)可得到