基于光纤的三维电子散斑干涉测量系统设计

　　1　引　言

　　电子散斑干涉技术(Electronic Speckle Pat-tern Interferometry,ESPI)和数字散斑(图像)相关技术(Digital Speckle CorrelationMethod,DSCM)[1-4]是非接触应力应变测量的重要技术方法。两者相比,DSCM只需要采集图像,易于实现,是目前得 到重点关注的方法,但数据处理要求较高;而ESPI装置相对复杂,但数据处理简单、易于实现、精度高[5-12],因此两种技术方法目前都有研究和应用 [13-14]。在ESPI方面,2D ESPI仪器开发和应用较多,3D ESPI仪器的开发以德国DANTEC ETTEMEYER公司为代表,已经研制出多种ESPI(2D或3D),可以进行物体的三维变形、应力/应变无损检测等,显示了此技术的实际应用价值。由 于此类产品化仪器不多,价格非常昂贵,在实际生产中还未得到充分应用,便携式的3D ESPI仍是需要重点开发的测量仪器。在3DESPI系统中,为了实现3D测量,需要三束光照射物体表面。为了获得这三束光,文献系统多采用分立元件或多 个激光器[11,15],系统中元件一般较多,对系统调整和稳定性要求很高。本文利用一分五型光纤进行分光、传光,并将相移技术与电子散斑干涉技术结合, 设计了一种3D ESPI系统,可以实现面内和离面测量,并将二者结合在一起,实现物体三维变形的测量。该系统器件少,易于携带。

　　2　基于一分五型光纤的3D ESPI系统设计

　　图1为设计的基于一分五型光纤的3D ES-PI系统。激光器提供激光光源,激光光束经过调整进入光纤耦合器,获得5束光束。光束10由扩束准直器扩束准直后通过遮挡开关进入能量分光镜;光束 11和13被放置在水平面内并关于物体表面法线对称照射被测物体,其中光束13的输出端口粘贴有PZT相移器16,以便将相移引入光束13内,构成面内水 平方向变形检测系统;光束12和14被放置在竖直面内并关于物体表面法线对称照射被测物体,其中光束14的输出端口粘贴有PZT相移器15,以便将相移引 入光束14内,构成面内竖直方向变形检测系统。在光束11、12、13、14的输出端位置分别放置遮挡开关19、20、18、17,控制变形检测的顺序执 行。本系统中,光束10作为离面测量时的参考光束,一般采用能充满CCD孔径的平行光束。为了加工方便,一分五型光纤可采用等分光比的,同时为了实现参考 光束(图1中光束10)和从物体散射回来的物光强度匹配,可以在参考光路中增加可调衰减片调节光强。

　　本设计的特点是:

　　(1)使用一个激光器提供光源;

　　(2)采用一分五型光纤进行分光、传光,减少系统误差环节,提高系统的稳定性;

　　(3)PZT相移器微动带动光纤沿光纤轴向移动,将相移引入光束中。散斑图像采用“4+1”相移算法进行处理,获得量化变形数据;