專利名稱：一種提高相干梯度敏感測量精度的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及力學參量測量的技術領域，具體地說是一種提高相干梯度敏感測量精度的方法。

背景技術：
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，它利用兩個平行光柵重組由試件變形導致的扭曲光束從而產(chǎn)生干涉條紋，通過光學干涉控制方程建立面內(nèi)應力梯度或離面位移梯度與條紋級數(shù)之間的關系。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。由于該方法對應力或位移梯度敏感，所以尤其適合于研究具有高應力集中現(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。
上述現(xiàn)有技術的不足之處在于，與其它處理條紋圖的光測方法類似，要獲得力學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，甚至會帶來很大的誤差，尤其是對于低級數(shù)條紋。目前已提出了兩種改進的相干梯度敏感方法——載荷法和光柵間距法，以提高實驗精度。但是載荷法需要將加載后實驗圖像與未加載時的實驗圖像結合進行圖像處理，此過程會引入新的誤差影響實驗精度；光柵間距法需要兩套相干梯度敏感方法實驗光路，會引入額外的系統(tǒng)誤差，同時由于兩套光路的光強不同，必須先對兩套光路拍攝的干涉條紋圖進行數(shù)字圖像處理，消除光強的影響因素，這也會帶來新的處理誤差。因此現(xiàn)有的條紋提取方法仍不能完全滿足高精度實驗的要求，并且處理過程復雜。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡便并能精確提取相干梯度敏感干涉條紋級數(shù)的方法，以提高相干梯度敏感測量精度。
本發(fā)明的方法包括以下步驟 (1)利用已有相干梯度敏感方法光路分別拍攝同一試件在載荷P1、P2、P3下的三幅相干梯度敏感干涉條紋圖，拍攝得到的第一幅、第二幅和第三幅干涉條紋圖的光強分別為I1、I2、I3； (2)根據(jù)上述載荷和光強，可以得出方程組其中a為干涉條紋圖的背景光強，b代表條紋振幅；此方程組中包含三個未知量a、b和第一幅干涉條紋圖的條紋級數(shù)m1，通過求解這三個方程，就可以精確獲得第一幅干涉條紋圖上任意一點的條紋級數(shù)m1； (3)第二幅干涉條紋圖上位置相同點的條紋級數(shù)m2為第三幅干涉條紋圖上位置相同點的條紋級數(shù)m3為 (4)根據(jù)精確的條紋級數(shù)m1、m2和m3，可以計算獲得相應載荷下精度能夠滿足要求的力學參量。
本發(fā)明提出的提高相干梯度敏感測量精度的方法可以非常精確的提取相干梯度敏感干涉條紋圖任意位置點的條紋級數(shù)，實驗結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測量精度；并且該方法不需要額外的實驗裝置或實驗圖像。具體優(yōu)點是a)能夠非常明顯的提高相干梯度敏感方法的測量精度，尤其是對于低級數(shù)條紋點的計算結果；b)方法簡單，不需要已有技術以外的光學裝置；c)不需要拍攝試件加載前的圖像；d)不需要對實驗圖像進行圖像處理，避免了額外引入的誤差；e)可與同次實驗中其它兩個任意載荷的條紋圖進行相應處理精確提取條紋級數(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＝60N，(c)是載荷P＝80N。
圖5是本發(fā)明方法與已有技術計算得到的應力強度因子結果對比圖，縱軸是實驗計算值與理論值的相對誤差。其中(a)為在干涉條紋圖-40°～-30°之間的計算結果對比圖，(b)為在干涉條紋圖30°～40°之間的計算結果對比圖。
圖2和圖3中，1是激光器，2是擴束鏡，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，10是計算機。

具體實施例方式 本發(fā)明的提高相干梯度敏感測量精度的方法，是利用已有相干梯度敏感方法光路分別拍攝同一試件在三個不同載荷P1、P2、P3下的三幅相干梯度敏感干涉條紋圖，拍攝得到的第一幅、第二幅和第三幅干涉條紋圖的光強分別為I1、I2、I3；然后根據(jù)上述載荷和光強，通過求解方程組精確獲得第一幅干涉條紋圖上任意一點的條紋級數(shù)m1。其中a為干涉條紋圖的背景光強，b代表條紋振幅。接著可以求得第二幅干涉條紋圖上位置相同點的條紋級數(shù)m2為第三幅干涉條紋圖上位置相同點的條紋級數(shù)m3為最后根據(jù)精確的條紋級數(shù)m1、m2和m3，可以計算獲得相應載荷下精度能夠滿足要求的力學參量。
以下詳細介紹本發(fā)明的原理 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)過帶有濾波孔的擴束鏡后通過光學透鏡形成平行光，平行光束垂直通過帶裂紋的試件，受到試件變形和應力場的影響，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)過兩個互相平行、間距為Δ的高密度Ronchi光柵(節(jié)距相同為p)，產(chǎn)生衍射，如果在光闌后放置CCD將可以拍攝到由于試件變形導致光程差引起的干涉條紋，通過計算機對條紋進行處理可以提取相關的力學參數(shù)。
如果是透射相干梯度敏感方法，光程差δS(x，y)主要由應力改變導致的試件折射率變化和泊松效應導致的試件厚度變化兩個因素產(chǎn)生，所以透射相干梯度敏感方法的光力學控制方程為 其中m是條紋級數(shù)，p是光柵節(jié)距，Δ是兩個光柵之間的間距，c是材料的光學常數(shù)，d是試件厚度，

與

代表試件厚度方向上的平均應力分量。
光力學控制方程(1)表明當光柵主方向平行于x軸時，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)僅由泊松效應導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控制方程為 其中m是條紋級數(shù)，p是光柵節(jié)距，Δ是兩個光柵之間的間距，w代表試件的離面位移。
光力學控制方程(2)表明當光柵主方向平行于x軸時，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)明的提高相干梯度敏感測量精度的方法如下 在線彈性情況下，試件應力場

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控制方程(1)與(2)，試件應力場

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 相干梯度敏感方法干涉條紋圖的光強分布為 I＝a+bcos2π·m(4) 其中a代表背景光強，條紋圖按照余弦規(guī)律bcos2π·m變化。當用CCD拍攝干涉條紋圖并轉換為數(shù)字信號后，光強I與數(shù)字圖像的灰度值成正比，在后續(xù)的分析中光強都是使用數(shù)字圖像的灰度值代表。
如果拍攝同一試件在三個不同載荷下的三幅相干梯度敏感干涉條紋圖，結合式(3)和(4)可以得到 I1＝a+bcos2π·m1 如果拍攝三幅條紋圖時的載荷Pi和三幅干涉條紋圖的光強分布Ii已知，那么(5)式的方程組中就只有三個未知數(shù)a、b和m1，通過求解三個方程就可以得到第一幅條紋圖上任一點的精確條紋級數(shù)m1，并通過(3)式得到其他兩幅條紋圖上位置相同點的精確條紋級數(shù)m2和m3。
以透射相干梯度敏感方法實驗為例，對本發(fā)明方法精確提取條紋級數(shù)，提高相干梯度敏感測量精度的效果進行檢驗。圖4所示為同一試件載荷分別是P1＝40N、P2＝60N和P3＝80N時拍攝的相干梯度敏感干涉條紋圖，此時根據(jù)(5)式可得 I1＝a+bcos2π·m1 I2＝a+bcos3π·m1(6) I3＝a+bcos4π·m1 根據(jù)圖4中三幅干涉條紋圖像的光強分布，求解(6)式可以精確獲得P1＝40N時條紋圖中任意一點的條紋級數(shù)。為了與直接通過圖像處理提取條紋中心線的結果進行對比，圖5顯示了采用本發(fā)明方法前后的誤差情況。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，本發(fā)明方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測量精度。本發(fā)明方法對于低級數(shù)條紋效果尤其明顯，這在載荷較小，必須采用低級數(shù)條紋計算力學參量時具有重要的意義。
權利要求
1、一種提高相干梯度敏感測量精度的方法，其特征在于該方法包括以下各步驟
(1)利用已有相干梯度敏感方法光路分別拍攝同一試件在載荷P1、P2、P3下的三幅相干梯度敏感干涉條紋圖，拍攝得到的第一幅、第二幅和第三幅干涉條紋圖的光強分別為I1、I2、I3；
(2)根據(jù)上述載荷和光強，可以得出方程組其中a為干涉條紋圖的背景光強，b代表條紋振幅，通過求解這三個方程，就可以精確獲得第一幅干涉條紋圖上任意一點的條紋級數(shù)m1；
(3)第二幅干涉條紋圖上位置相同點的條紋級數(shù)m2為第三幅干涉條紋圖上位置相同點的條紋級數(shù)m3為
(4)根據(jù)精確的條紋級數(shù)m1、m2和m3，可以計算獲得相應載荷下精度能夠滿足要求的力學參量。
全文摘要
本發(fā)明是一種提高相干梯度敏感測量精度的方法。本方法是利用已有相干梯度敏感方法光路分別拍攝同一試件在三個不同載荷P1、P2、P3下的三幅相干梯度敏感干涉條紋圖，拍攝得到的第一幅、第二幅和第三幅干涉條紋圖的光強分別為I1、I2、I3；根據(jù)上述載荷和光強，通過求解方程組精確獲得三幅干涉條紋圖上任意相同位置點的條紋級數(shù)m1、m2和m3；根據(jù)精確的條紋級數(shù)，可以計算得到相應載荷下精度滿足要求的力學參量。本發(fā)明方法的優(yōu)點是能夠非常明顯的提高相干梯度敏感方法的測量精度，尤其是對于低級數(shù)條紋點的計算結果；方法簡單，不需要已有技術以外的光學裝置；不需要拍攝試件加載前的圖像；不需要對實驗圖像進行圖像處理，避免了額外誤差的引入；可與同次實驗中其它兩個任意載荷的條紋圖進行相應處理精確提取條紋級數(shù)。
文檔編號G01B11/16GK101320003SQ20081005871
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權日2008年7月22日
發(fā)明者蔚 許, 張亞萍 申請人:昆明理工大學