全場(chǎng)衍射法測(cè)微小形變量

1、全場(chǎng)衍射法測(cè)微小形變量摘要：激光全場(chǎng)衍射測(cè)量，它可以用于測(cè)量被測(cè)物體整個(gè)表面的變形量，通過(guò)CCD采集計(jì)算機(jī)成像，編寫數(shù)字圖像處理程序?qū)Ρ粶y(cè)物體表面變形信號(hào)進(jìn)行處理取得被測(cè)物表面的變形信息數(shù)據(jù)，觀察衍射條紋以及變化全過(guò)程。關(guān)鍵詞：測(cè)微小型變量；全場(chǎng)衍射；CCD；Deformation of the Whole Diffraction MeasurementAbstract: Laser full-court diffraction measurement, it can be used to measure the deformation on the surface of the object

2、 to be tested, by CCD acquisition computer imaging, digital image processing program is the deformation of the surface to be measured signal processing deformation information data on the surface of the object to be tested, observation of diffraction stripe and change process.Keywords: micrometer sm

3、all variables; Full-court diffraction; The CCD;在日常生活中，只要我們細(xì)心觀察，就能看到不少的衍射現(xiàn)象。把兩個(gè)手指頭并攏，靠近眼睛，通過(guò)指縫觀看電燈燈絲，使縫與燈絲平行，可以看到燈絲兩旁有明暗相間并帶有彩色的平行條紋，這就是光通過(guò)指縫產(chǎn)生的衍射。由于光的波長(zhǎng)較短，只有當(dāng)光通過(guò)很小的孔或狹縫時(shí)才能明顯的覺(jué)察到衍射現(xiàn)象。由于激光具有很好的單色性、和相干性，常采用激光做光源，使得激光衍射現(xiàn)象得到了實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用。本文基于激光衍射測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全場(chǎng)的變形衍射測(cè)量。1 夫朗禾費(fèi)衍射現(xiàn)象及原理夫朗禾費(fèi)衍射是遠(yuǎn)場(chǎng)衍射，又稱平行光衍射。單色點(diǎn)光源S置于凸透鏡L1的

4、物方焦平面上，從點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡以后變成平行光，垂直射到寬度約為十分之幾毫米的狹縫上?？p后置一凸透鏡L2，在L2像方焦平面上放置觀察屏E，則屏上顯現(xiàn)一系列不連續(xù)的明暗亮短線組成的衍射圖樣，如圖（a）所示。 圖（a）根據(jù)夫朗禾費(fèi)單縫衍射理論，衍射圖樣的光強(qiáng)分布為：形成暗紋的條件為：,其中。當(dāng)很?。醋銐虼螅r(shí)，得到：上式為衍射計(jì)量的基本公式。式子中縫寬；衍射圖樣的暗紋級(jí)數(shù)；單色光波長(zhǎng)；成像物焦距；衍射角，第級(jí)暗紋到光軸的距離；暗紋間距，而且各級(jí)暗紋間距是相等的。已知,測(cè)定兩個(gè)暗紋的間隔就可以計(jì)算出的精確尺寸。當(dāng)被測(cè)物尺寸改變相當(dāng)于狹縫尺寸改變，衍射條紋中心位置隨之改變，則：=式子中：、分別

5、為起始縫寬和最后縫寬；、分別為起始時(shí)衍射條紋中心位置和變動(dòng)后衍射條紋中心位置。由一個(gè)狹縫邊的位置用上公式就可以推算另一邊的位置，則被測(cè)無(wú)尺寸或輪廓完全可以由被測(cè)物和參考物間的縫隙所形成的衍射條紋的位置來(lái)確定。利用激光下形成的衍射條紋就可以進(jìn)行微米量級(jí)的非接觸尺寸測(cè)量。當(dāng)激光衍射不僅發(fā)生在一點(diǎn)上，而且發(fā)生在被激光照明的狹縫全長(zhǎng)上時(shí)，就可以測(cè)量全長(zhǎng)上的變形量，所以說(shuō)激光衍射是一種有效的全場(chǎng)測(cè)量方法。變形的衍射全場(chǎng)測(cè)量是一種設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠的方法，其原理如下圖（b）所示。當(dāng)柱體試樣沒(méi)有承載受力時(shí)，衍射條紋是近于平行的直線，當(dāng)加載后，得到反映柱體變形的二維衍射條紋。屏試樣玻璃棒參考邊激光器圖（b）通

6、過(guò)測(cè)量條紋的形變就獲得精密的一個(gè)截面上的形變量，轉(zhuǎn)動(dòng)試樣并作連續(xù)記錄就可測(cè)定試件的三維變量。因此，就可以快速精密測(cè)量直線性、平行度、表面平整度等各種測(cè)量。其整個(gè)系統(tǒng)的原理如圖（c）所示。被測(cè)物體光學(xué)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器線陣CCD成像物鏡數(shù)據(jù)采集口激光束計(jì)算機(jī) 圖（c）2 實(shí)驗(yàn)光路圖與測(cè)量方法2.1實(shí)驗(yàn)光路圖激光器CCD計(jì)算機(jī)擴(kuò)光束玻璃棒小孔光闌反光鏡1反光鏡2反光鏡3聚光鏡全場(chǎng)衍射試件分光鏡導(dǎo)軌圖（d）如上圖（d）所示，按實(shí)驗(yàn)光路圖布置好光路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2.2 CCD圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)CCD的英文Charge Coupled Device的縮寫，中文名為電荷耦合器，是一種特殊的半導(dǎo)體材料。本系統(tǒng)主要用CC

7、D相機(jī)代替人眼作為接收器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全場(chǎng)衍射圖像的采集和處理。2.2.1 CCD視頻相機(jī)在圖像傳感器中，應(yīng)用最為廣泛是CCD圖像傳感器。CCD圖像傳感器分為線陣和面陣兩大類。CCD攝像機(jī)將可視圖像的模擬信號(hào)進(jìn)行采集并輸入到圖像采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號(hào)，連接好計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)處理3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程（1）3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 利用上面的測(cè)試系統(tǒng)，現(xiàn)對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)件做了一些測(cè)量，圖1和圖2是被測(cè)物體承載前后被檢測(cè)物的衍射條紋。 3.3 數(shù)據(jù)處理 用一個(gè)長(zhǎng)、寬、高為，的橡皮進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，、運(yùn)行界面如圖6所示4 結(jié)論（1）實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)物體不同部位的形變的同步無(wú)損測(cè)量，可以用來(lái)研究被測(cè)物體整體以及局部特征。該方法的測(cè)量精確度為？級(jí)，初步確定測(cè)量變形范圍在？以內(nèi)。（2）CCD5 結(jié)束語(yǔ)基于CCD成像系統(tǒng)的全場(chǎng)衍射法測(cè)物體的微小形變量的方法，它可以用于在線測(cè)量被測(cè)物體整個(gè)表面的變形量。在工業(yè)制造當(dāng)中，工件表表面的變形測(cè)量；材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，材料受壓變形后形變的測(cè)量都是典型的樣例。參考文獻(xiàn)(References):【1】 許勇，齊龍 變形的全場(chǎng)衍射測(cè)量 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，2009【2】 李凡生 微小形變量的幾種測(cè)量方法討論 廣西民族師范學(xué)院物理與信息技術(shù)系，2009【3】