專利名稱：一種提取相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提取相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)的方法，屬于斷裂力學(xué)參量測量的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相干梯度敏感方法(Coherent Gradient Sensing，以下簡稱CGS)是一種具有在線空間濾波效果的非接觸、全場橫向雙柵剪切干涉光測方法，它利用兩個(gè)平行光柵重組由試件變形導(dǎo)致的扭曲光束從而產(chǎn)生干涉條紋，通過光學(xué)干涉控制方程建立面內(nèi)應(yīng)力梯度或離面位移梯度與條紋級數(shù)之間的關(guān)系。該方法能夠在透射和反射情況下分別用于研究透明和非透明物體的變形信息，其條紋分布直接反映了透射情況下的面內(nèi)應(yīng)力梯度場和反射情況下的離面位移梯度場。由于該方法對應(yīng)力或位移梯度敏感，所以尤其適合于研究具有高應(yīng)力集中現(xiàn)象的斷裂問題。相干梯度敏感方法分為透射式和反射式兩種，圖1所示為典型相干梯度敏感干涉條紋圖，實(shí)際拍攝圖像中黑條紋代表半級數(shù)條紋，最外圈為0.5級條紋。
上述已有技術(shù)的不足之處在于，與其它處理?xiàng)l紋圖的光測方法類似，要獲得斷裂力學(xué)參量必須先提取相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)，而要確定相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)就必須精確提取條紋中心線。從圖1可以看出干涉條紋較粗，并且形狀不規(guī)則，如果僅僅依靠圖像處理的方法提取條紋中心線難以滿足精度要求，甚至?xí)砗艽蟮恼`差，尤其是對于低級數(shù)條紋。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種提取相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)的方法，提高相干梯度敏感方法的計(jì)算精度。
本發(fā)明提出的提取相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)的方法，包括以下各步驟(1)在未加載前，對試件進(jìn)行拍攝，得到干涉條紋圖的背景光強(qiáng)a；(2)利用已有相干梯度敏感方法光路分別拍攝上述試件在載荷P1、P2下的兩幅相干梯度敏感干涉條紋圖，拍攝得到的第一幅和第二幅干涉條紋圖的光強(qiáng)分別為I1、I2；(3)根據(jù)上述載荷和光強(qiáng)，計(jì)算第一幅干涉條紋圖的條紋級數(shù)m1為I1-aI2-a=cos(2πm1)cos(2πm1P2P1),]]>其中a為上述未加載前對試件拍攝的干涉條紋圖的背景光強(qiáng)。
本發(fā)明提出的提取相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)的方法，其優(yōu)點(diǎn)是可以精確提取相干梯度敏感干涉條紋圖任意位置點(diǎn)的條紋級數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠顯著減少由于條紋提取帶來的誤差，從而提高相干梯度敏感方法的精度。具體優(yōu)點(diǎn)是a)能夠明顯提高相干梯度敏感方法的計(jì)算精度，尤其是對于低級數(shù)條紋點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果；b)方法簡單，不需要已有技術(shù)以外的光學(xué)裝置；c)可與同次實(shí)驗(yàn)中其它任意載荷的條紋圖進(jìn)行相應(yīng)處理提取條紋級數(shù)。


圖1是已有的典型相干梯度敏感干涉條紋圖，其中(a)是理論模擬圖；(b)是實(shí)際拍攝條紋圖。
圖2是產(chǎn)生本發(fā)明方法的干涉條紋的光路圖。
圖3是產(chǎn)生本發(fā)明方法的干涉條紋的原理圖。
圖4是采用本發(fā)明方法，在同一試件上不同載荷時(shí)產(chǎn)生的裂紋尖端透射相干梯度敏感干涉條紋圖，其中(a)是載荷P＝40N，(b)是載荷P＝80N。
圖5是本發(fā)明方法與已有技術(shù)計(jì)算得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子結(jié)果對比圖，縱軸是實(shí)驗(yàn)計(jì)算值與理論值的相對誤差，實(shí)線代表已有技術(shù)的計(jì)算結(jié)果，虛線代表本發(fā)明方法的計(jì)算結(jié)果。其中(a)為在干涉條紋圖-40°～-30°之間的計(jì)算結(jié)果對比圖，(b)為在干涉條紋圖30°～40°之間的計(jì)算結(jié)果對比圖。
圖2和圖3中，1是激光器，2是擴(kuò)束鏡，3是凸透鏡，4是試件，5是第一光柵，6是第二光柵，7是濾波透鏡，8是光闌，9是攝像機(jī)，10是計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的提取相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)的方法，首先在未加載前，可以利用如圖2所示的已有相干梯度敏感方法光路，對試件進(jìn)行拍攝，得到干涉條紋圖的背景光強(qiáng)a；利用已有相干梯度敏感方法光路分別拍攝該試件在載荷P1、P2下的兩幅相干梯度敏感干涉條紋圖，拍攝得到的第一幅和第二幅干涉條紋圖的光強(qiáng)分別為I1、I2；然后根據(jù)上述載荷和光強(qiáng)，計(jì)算第一幅干涉條紋圖的條紋級數(shù)m1為I1-aI2-a=cos(2πm1)cos(2πm1P2P1),]]>其中a為上述未加載前對試件拍攝的干涉條紋圖的背景光強(qiáng)。
以下詳細(xì)介紹本發(fā)明方法的原理本發(fā)明方法所依據(jù)的相干梯度敏感法的光路如圖2所示一束相干激光束經(jīng)過帶有濾波孔的擴(kuò)束鏡2后通過光學(xué)透鏡3形成平行光，平行光束垂直通過帶裂紋的試件4，受到試件變形和應(yīng)力場的影響，平行光束的方向和相位將產(chǎn)生變化。由試件出射的光束雖然不再是平行光束，但是由于方向偏離很小，為簡化起見，仍然將帶有試件變形信息的光束視為平行光束。由試件上(x，y)點(diǎn)出射的光線由于試件變形具有光程差δS(x，y)，類似的由試件上(x，y+ε)點(diǎn)出射的光線由于試件變形具有光程差δS(x，y+ε)。如圖3所示，這些平行光束從試件出射后經(jīng)過兩個(gè)互相平行、間距為Δ的高密度Ronchi光柵5和6(節(jié)距相同為p)，產(chǎn)生衍射，如果在光闌后放置攝像機(jī)9，將可以拍攝到由于試件變形導(dǎo)致光程差引起的干涉條紋，通過計(jì)算機(jī)10對條紋進(jìn)行處理可以提取相關(guān)的力學(xué)參數(shù)。
如果是透射相干梯度敏感方法，光程差δS(x，y)主要由應(yīng)力改變導(dǎo)致的試件折射率變化和泊松效應(yīng)導(dǎo)致的試件厚度變化兩個(gè)因素產(chǎn)生，所以透射相干梯度敏感方法的光力學(xué)控制方程為cd∂(σ~x+σ~y)∂x=mpΔ---(1)]]>其中m是條紋級數(shù)，p是光柵節(jié)距，Δ是兩個(gè)光柵之間的間距，c是材料的光學(xué)常數(shù)，d是試件厚度， 與 代表試件厚度方向上的平均應(yīng)力分量。
光力學(xué)控制方程(1)表明當(dāng)光柵主方向平行于x軸時(shí)，在透射情況下相干梯度敏感條紋代表的物理意義為試件主應(yīng)力和對x方向梯度的等值線。
對于反射相干梯度敏感方法，光程差δS(x，y)僅由泊松效應(yīng)導(dǎo)致的試件厚度變化產(chǎn)生，所以反射相干梯度敏感方法的光力學(xué)控制方程為∂w∂x=mp2Δ---(2)]]>其中m是條紋級數(shù)，p是光柵節(jié)距，Δ是兩個(gè)光柵之間的間距，w代表試件的離面位移。
光力學(xué)控制方程(2)表明當(dāng)光柵主方向平行于x軸時(shí)，在反射情況下相干梯度敏感干涉條紋代表的物理意義為試件離面位移對x方向梯度的等值線。
本發(fā)明提出的提取相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)的方法如下在線彈性情況下，試件應(yīng)力場 或離面位移場w與外載荷P成正比。根據(jù)相干梯度敏感方法的光力學(xué)控制方程(1)與(2)，試件應(yīng)力場 或離面位移場w的梯度與干涉條紋級數(shù)m成正比，因此外載荷P也與相干梯度敏感方法干涉條紋級數(shù)m成正比P1P2=m1m2---(3)]]>相干梯度敏感方法干涉條紋圖的光強(qiáng)分布為I＝a+bcos2πm (4)其中a代表背景光強(qiáng)，條紋圖按照余弦規(guī)律bcos2πm變化。當(dāng)用CCD拍攝干涉條紋圖并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，光強(qiáng)I與數(shù)字圖像的灰度值成正比，在后續(xù)的分析中光強(qiáng)都是使用數(shù)字圖像的灰度值代表。
如果拍攝同一試件不同載荷下的兩幅相干梯度敏感干涉條紋圖，結(jié)合式(3)與(4)可以得到兩次的載荷P與兩幅干涉條紋圖的光強(qiáng)I和第一幅干涉條紋圖條紋級數(shù)m1之間的關(guān)系
I1-aI2-a=cos(2πm1)cos(2πm1P2P1)---(5)]]>如果拍攝兩幅條紋圖時(shí)的載荷P和兩幅干涉條紋圖光強(qiáng)分布I已知，根據(jù)(5)式就可以獲得第一幅條紋圖上任一點(diǎn)的精確條紋級數(shù)m1，其中背景光強(qiáng)a通過試件未加載時(shí)拍攝的數(shù)字圖像獲得。
以透射相干梯度敏感方法實(shí)驗(yàn)為例對載荷法提取條紋級數(shù)的效果進(jìn)行檢驗(yàn)。圖4所示為同一試件載荷分別是P1＝40N和P2＝80N時(shí)拍攝的相干梯度敏感干涉條紋圖，此時(shí)根據(jù)(5)式可得I1-aI2-a=cos(2πm1)cos(4πm1)---(6)]]>根據(jù)圖4中兩幅干涉條紋圖像的光強(qiáng)分布，利用(6)式可以獲得P1＝40N時(shí)條紋圖中任意一點(diǎn)的條紋級數(shù)。為了與直接通過圖像處理提取條紋中心線的結(jié)果進(jìn)行對比，圖5顯示了采用載荷法前后的誤差情況。由圖5可以看到，與直接采用圖像處理提取條紋中心線的方法相比載荷法明顯的減小了條紋提取帶來的誤差，改善了相干梯度敏感方法的計(jì)算精度。載荷法對于低級數(shù)條紋效果尤其明顯，這在載荷較小，必須采用低級數(shù)條紋計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)具有重要的意義。
權(quán)利要求
1.一種提取相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)的方法，其特征在于該方法包括以下各步驟(1)在未加載前，對試件進(jìn)行拍攝，得到干涉條紋圖的背景光強(qiáng)a；(2)利用已有相干梯度敏感方法光路分別拍攝上述試件在載荷P1、P2下的兩幅相干梯度敏感干涉條紋圖，拍攝得到的第一幅和第二幅干涉條紋圖的光強(qiáng)分別為I1、I2；(3)根據(jù)上述載荷和光強(qiáng)，計(jì)算第一幅干涉條紋圖的條紋級數(shù)m1為I1-aI2-a=cos(2πm1)cos(2πm1P2P1),]]>其中a為上述未加載前對試件拍攝的干涉條紋圖的背景光強(qiáng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提取相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)的方法，屬于斷裂力學(xué)參量測量的技術(shù)領(lǐng)域。首先在未加載前，對試件進(jìn)行拍攝，得到干涉條紋圖的背景光強(qiáng)a；分別拍攝該試件在載荷P
文檔編號G01B11/16GK1800834SQ20061000136
公開日2006年7月12日 申請日期2006年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月20日
發(fā)明者許蔚, 姚學(xué)鋒, 劉棟梁 申請人:清華大學(xué)