相移数字散斑干涉术测量振动模态

　　1　前言

　　电子散斑干涉技术(ESPI)自1971年用于振动测试以来,得到了很大发展[1]。随着摄影技术和计算机信息处理技术的提高,数字散斑干涉术(DSPI)在振动模态分析中的地位正在日益提高[2]。相对于其他技术,DSPI具有很多优点:(1)非接触式测量;(2)全场测试,可以一次对被测物体的一个区域进行测试,从而从整体上把握振动形态;(3)所测数据可通过计算机直接处理,为其后的分析带来方便;(4)可快速测量。由于采用了计算机控制摄像,然后存贮于计算机中,从而使得测量可以很快地重复进行。

　　本文在数字散斑振动测试中,采用时间平均法,它将物面在振动时的表面振幅以零阶Bessel函数形式表现出来,从而达到对物体振动模态的描述。但在一般的应用中,由此函数所表达的图像被淹没于背景之中,无法直接观察到。本文将从理论上阐述一种相移数字散斑干涉技术。此技术的引入,使得由零阶Bessel函数表达的振幅可以被显现出来。本文还将给出实验结构及实验结果。

　　2　原理

　　时间平均法测量物体表面形态时,要求物体表面必须是稳态振动。这时,物体表面振动将引起经此表面反射的光线相位的变化。在如图1所示的实验结构中,到达CCD之光强为参考光与物光之总和

式中,Ir为参考光光强,Io为物光光强,，A为该点表面振幅,λ为激光波长。摄像机工作周期为1/25 s,CCD表面所测得的光强为Ip在1/25 s内的平均值,当物体表面的振动频率远大于工作频率时,即物体表面震动周期远小于1/250 s,震动频率(f)远大于250 Hz时可表达为

　　由式(3)可看到,在时间平均法中,振动表面之振幅表现为零阶Bessel函数,但此Bessel函数所表达出的条纹却淹没在背景光强中。为了从背景光强中提取出Bessel函数的信息,在参考光中引入相移,相移量为π,则可得

　　这样便可从背景中将Bessel函数所表达的条纹提取出来,背景光强被完全消除。

　　3　相移方法及实验

　　要实现本文所述原理提供的方法,在参考光中引入相移是很重要的。我们使用的相移器由D/A板直接驱动,此D/A板插在计算机的扩展槽中。D/A板输出电压为(0～10)V,本文所用之相移器,电压控制数与相位变化之间的关系如图2所示。

　　D/A板输出电压(Vout)由控制数(N)决定,。Vout可直接驱动相移器在3π范围内相移。在实际使用时,只用到0和π两个相移量,其对应的电压也是固定的两个值,因此虽然Vout与相移量的关系不是完全线性的,但可以通过标定得到对应的两个控制数为0和75。

　　实验结构如图1所示。被测对象为一个四周固定了的圆形铝片。激振此铝片,然后按原理所述,分别相移0和π,取两幅图进行处理。得到的结果如图3,此时的激振频率为1 662 Hz。