超声在测量位移中的新方法

　　超声和激光一样在入射到粗糙表面上时，其散射波在空间相互干涉会形成散斑. 超声散斑也是一种信息载体，它的分布及变化包含了物体散射界面位移和结构变化的信息. 根据这个特点，一些学者建立一种新的测量技术，即超声散斑测量新技术.目前超声散斑测量技术作为超声无损检测中的新技术主要包括超声散斑相关法和干涉法，主要用于测量物面位移、形貌以及变形和物面粗糙度.本文基于作者的研究背景，对这两种方法的原理、实验及其数据处理以及研究新动向作一些综述，对它们的特点、适用范围和发展方向进行讨论.

　　1 超声数字散斑相关法

　　数字散斑相关测量方法是根据物体表面随机分布的散斑的振幅在变形前后的概率统计相关性来确定物体表面的位移和应变的. 相关系数是反映两幅图像相似程度的一个数学指标，用相关系数来计算样本图像和目标图像之间的相关性. 相关系数有多种离散表示形式，常用的是标准化协方差相关系数形式，它的表达式为:

　　其中，C为相关系数，f(xi，yj)为变形前子区各点的值，g(x*i，y*j) 为变形后子区各点的值.当f(xi，yj)和g(x*i，y*j)确定以后，两者在空间和数值上的重叠度或相似度越大，则C越大.因此通过确定相关系数的最大值位置就可以确定目标的位置.

　　超声数字散斑相关法的基本原理与激光数字散斑相关法的基本原理是类似的，考虑被测试件表面变形前后的两幅散斑图，在变形前的图像中，取以所求位移点为中心的矩形子区，在变形后的目标图像中进行位移及其导数的试凑，并按某一相关系数来进行相关计算，找到与变形前所取矩形子区相关系数最大的点，其位移和应变就是与实际位移和应变相一致的位移和应变.子区中心点及子区内任一点的移动和变形前后的位置关系如图1所示.设(x，y)是界平面XOY上变形前的一点的坐标，(x*，y*)是界面面内变形后的相应点的坐标，

　　两者位置关系为:

　　变形后任意点的位移表示为:

　　其中u，分别为矩形子区中心点的位移及其导数. 当刚体仅发生平动位移时，位移只有u，v两项; 当刚体有转动位移时，变形后任意点的位移如式(2)所示.

　　为了求得散斑场的平动位移，如图1所示，建立空间坐标系XOY和物面坐标系X'O'Y'，刚体发生平移前，两坐标系重合; 刚体发生平移后，物面坐标系随物面一起平动.

　　此时，计算出两坐标系之间的差值就得到刚体的位移.首先在变形前的散斑场中取出一块以点P(x，y)为中心的正方形小区域作为样本子区(一般为5×5～20×20个扫描点)，接着在变形后散斑场中取出以点P'(x'，y')为中心与样本子区同样大小的正方形小区域作为目标子区，其中点P'(x'，y')是变形后散斑场中的任意点，按式(1)对样本子区和目标子区进行相关运算，计算出它们的相关值. 比较不同的P'(x'，y')为中心的目标子区与样本子区的相关值，选出与样本子区相关值最大的目标子区，该目标子区对应位移前的样本子区，它们的坐标差就是P(x，y)处散斑的位移，从而利用公式(2)得到刚体的平动位移.