一种提取相干梯度敏感干涉条纹级数的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种提取相干梯度敏感干涉条纹级数的方法及其装置，属于断裂力学参量测量的技术领域。首先将加载试件出射的平行光束分为两路光线，分别产生相干梯度敏感干涉条纹；在两幅相干梯度敏感干涉条纹图中减去相应背景光强，并对其进行直方图变换，使两幅图像的条纹光强的幅度相同，根据光栅间距和光强，计算第一幅干涉条纹图的条纹级数ｍ↓［１］。本发明专利技术的装置包括激光器、扩束镜、凸透镜、半反半透镜、四个光栅、两组凸透镜和光阑、两个摄像机和计算机。本发明专利技术的优点是能够明显提高相干梯度敏感方法的计算精度，不要求预先知道每幅干涉条纹图像对应的载荷，因此便于在动态断裂实验中应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种提取相干梯度敏感干涉条纹级数的方法及其装置，属于断裂力学参量测量的

技术介绍
相干梯度敏感方法(Coherent Gradient Sensing，以下简称CGS)是一种具有在线空间滤波效果的非接触、全场横向双栅剪切干涉光测方法，它利用两个平行光栅重组由试件变形导致的扭曲光束从而产生干涉条纹，通过光学干涉控制方程建立面内应力梯度或离面位移梯度与条纹级数之间的关系。该方法能够在透射和反射情况下分别用于研究透明和非透明物体的变形信息，其条纹分布直接反映了透射情况下的面内应力梯度场和反射情况下的离面位移梯度场。由于该方法对应力或位移梯度敏感，所以尤其适合于研究具有高应力集中现象的断裂问题。相干梯度敏感方法分为透射式和反射式两种，图1所示为典型相干梯度敏感干涉条纹图，实际拍摄图像中黑条纹代表半级数条纹，最外圈为0.5级条纹。上述已有技术的不足之处与其它处理条纹图的光测方法类似，要获得断裂力学参量必须先提取相干梯度敏感干涉条纹级数，而要确定相干梯度敏感干涉条纹级数就必须精确提取条纹中心线。从图1可以看出干涉条纹较粗，并且形状不规则，如果仅仅依靠图像处理的方法提取条纹中心线难以满足精度要求，甚至会带来很大的误差，尤其是对于低级数条纹。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种提取相干梯度敏感干涉条纹级数的方法及其装置，以提高相干梯度敏感方法的计算精度。本专利技术提出的提取相干梯度敏感干涉条纹级数的方法，包括以下步骤(1)对一束激光进行扩束，得到发散光，再经凸透镜成为平行光，入射到试件表面；(2)将上述试件出射的平行光束分为两路光线，第一路光线经过间距为Δ1的第一光栅和第二光栅，产生相干梯度敏感干涉条纹，第二路光线经过间距为Δ2的第三光栅和第四光栅，产生相干梯度敏感干涉条纹；(3)对上述两个干涉条纹场成像，并拍摄干涉条纹场；(4)在试件未加载前，分别从上述两个光路拍摄试件的数字图像，获得干涉条纹图的背景光强分别为a1、a2；(5)对试件施加载荷，分别从上述两个光路拍摄加载试件的相干梯度敏感干涉条纹图，两个干涉条纹场的光强分布分别为I1、I2； (6)从上述步骤(5)的加载试件的两幅相干梯度敏感干涉条纹图中减去上述步骤(4)的相应背景光强，并对其进行直方图变换，使两幅图像条纹光强的幅度相同，变换获得的两个光路的干涉条纹图光强分布为I1*和I2*；(7)根据上述光栅间距和光强，计算第一幅干涉条纹图的条纹级数m1为I1*I2*=cos(2πm1)cos(2πm1Δ2/Δ1).]]>本专利技术提出的提取相干梯度敏感干涉条纹级数的装置，包括(1)用于产生激光的激光器，用于对激光进行扩束的扩束镜，使发散光成为平行光的凸透镜；(2)用于将试件出射的平行光束分为两路光线的半反半透镜，用于产生第一路相干梯度敏感干涉条纹的第一光栅和第二光栅，第一光栅和第二光栅的间距为Δ1，用于产生第二路相干梯度敏感干涉条纹的第三光栅和第四光栅，第三光栅和第四光栅的间距为Δ2；(3)用于对上述两个干涉条纹场成像的第一组凸透镜和光阑以及第二组凸透镜和光阑，以及用于拍摄干涉条纹场的第一摄像机、第二摄像机和用于图像处理和干涉条纹级数提取的计算机；上述激光器、扩束镜、凸透镜、试件、半反半透镜、第一光栅、第二光栅、第一组凸透镜和光阑和第一摄像机依次处于第一光轴上；上述第三光栅、第四光栅、第二组凸透镜和光阑和第二摄像机依次处于第二光轴上，第一光轴与第二光轴于半反半透镜处垂直相交，计算机分别与第一摄像机和第二摄像机相连接。本专利技术提出的提取相干梯度敏感干涉条纹级数的方法及其装置，其优点是可以精确提取相干梯度敏感干涉条纹图任意位置点的条纹级数，实验结果表明该方法能够显著减少由于条纹提取带来的误差，从而提高相干梯度敏感方法的精度。具体优点是a)能够明显提高相干梯度敏感方法的计算精度；b)不要求预先知道每幅干涉条纹图像对应的载荷，因此便于在动态断裂实验中应用。附图说明图1是已有的典型相干梯度敏感干涉条纹图，其中(a)是理论模拟图；(b)是实际拍摄条纹图。图2是已有技术中产生干涉条纹的光路图。图3是已有技术中产生干涉条纹的原理图。图4是本专利技术提出的提取相干梯度敏感干涉条纹级数的光路示意图。图5是采用本专利技术方法，在同一试件上不同光栅间距时产生的裂纹尖端反射相干梯度敏感干涉条纹图，其中(a)是光栅间距为Δ1＝50mm，(b)是光栅间距为Δ2＝100mm。图6是本专利技术方法与已有技术计算得到的应力强度因子结果对比图，纵轴是实验计算值与理论值的相对误差，实线代表已有技术的计算结果，虚线代表本专利技术方法的计算结果。其中(a)为在干涉条纹图-40°～-30°之间的计算结果对比图，(b)为在干涉条纹图30°～40°之间的计算结果对比图。图2、图3和图4中，1是激光器，2是扩束镜，3是凸透镜，4是试件，5是第一光栅，6是第二光栅，7是第一滤波透镜，8是第一光阑，9是第一摄像机，10是计算机，11是半反半透镜，12是第三光栅，13是第四光栅，14是第二滤波透镜，15是第二光阑，16是第二摄像机。具体实施例方式本专利技术提出的提取相干梯度敏感干涉条纹级数的方法，首先对一束激光进行扩束，得到发散光，再经凸透镜成为平行光，入射到试件表面；将试件出射的平行光束分为两路光线，第一路光线经过间距为Δ1的第一光栅和第二光栅，产生相干梯度敏感干涉条纹，第二路光线经过间距为Δ2的第三光栅和第四光栅，产生相干梯度敏感干涉条纹；对两个干涉条纹场成像，并拍摄干涉条纹场；在试件未加载前，分别从两个光路拍摄试件的数字图像，获得干涉条纹图的背景光强分别为a1、a2；对该试件施加载荷，分别从两个光路拍摄加载试件的相干梯度敏感干涉条纹图，两个干涉条纹场的光强分布分别为I1、I2；从加载试件的两幅相干梯度敏感干涉条纹图中减去相应背景光强，并对其进行直方图变换，使两幅图像的条纹光强的幅度相同，变换获得的两个光路的干涉条纹图光强分布为I1*和I2*；根据光栅间距和光强，计算第一幅干涉条纹图的条纹级数m1为I1*I2*=cos(2πm1)cos(2πm1Δ2/Δ1).]]>本专利技术提出的提取相干梯度敏感干涉条纹级数的装置，如图4所示，包括(1)用于产生激光的激光器1，用于对激光进行扩束的扩束镜2，使发散光成为平行光的凸透镜3；(2)用于将试件4出射的平行光束分为两路光线的半反半透镜11，用于产生第一路相干梯度敏感干涉条纹的第一光栅5和第二光栅6，第一光栅5和第二光栅6的间距为Δ1，用于产生第二路相干梯度敏感干涉条纹的第三光栅12和第四光栅13，第三光栅12和第四光栅13的间距为Δ2，两个干涉条纹场的光强分布分别为I1、I2；(3)用于对上述两个干涉条纹场成像的第一组凸透镜7和光阑8以及第二组凸透镜14和光阑15，以及用于拍摄干涉条纹场的第一摄像机9、第二摄像机16和用于图像处理和干涉条纹级数提取的计算机10；上述激光器1、扩束镜2、凸透镜3、试件4、半反半透镜11、第一光栅5、第二光栅6、第一组凸透镜7和光阑8、第一摄像机9依次处于第一光轴上；上述第三光栅12、第四光栅1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提取相干梯度敏感干涉条纹级数的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：（１）对一束激光进行扩束，得到发散光，再经凸透镜成为平行光，入射到试件表面；（２）将上述试件出射的平行光束分为两路光线，第一路光线经过间距为△↓［１］的第一光栅和第二光栅，产生相干梯度敏感干涉条纹，第二路光线经过间距为△↓［２］的第三光栅和第四光栅，产生相干梯度敏感干涉条纹；（３）对上述两个干涉条纹场成像，并拍摄干涉条纹场；（４）在试件未加载前，分别从上述两个光路拍摄试件的数字图像，获得干涉条纹图的背景光强分别为α↓［１］、α↓［２］；（５）对试件施加载荷，分别从上述两个光路拍摄加载试件的相干梯度敏感干涉条纹图，两个干涉条纹场的光强分布分别为：Ｉ↓［１］、Ｉ↓［２］；（６）从上述步骤（５）的加载试件的两幅相干梯度敏感干涉条纹图中减去上述步骤（４）的相应背景光强，并对其进行直方图变换，使两幅图像条纹光强的幅度相同，变换获得的两个光路的干涉条纹图光强分布为Ｉ↓［１］↑［＊］和Ｉ↓［２］↑［＊］；（７）根据上述光栅间距和光强，计算第一幅干涉条纹图的条纹级数ｍ↓［１］为：Ｉ↓［１］↑［＊］／Ｉ↓［２］↑［＊］＝ｃｏｓ（２πｍ↓［１］）／ｃｏｓ（２πｍ↓［１］△↓［２］／△↓［１］）。本专利技术提出的提取相干梯度敏感干涉条纹级数的装置，包括：（１）用于产生激光的激光器，用于对激光进行扩束的扩束镜，使发散光成为平行光的凸透镜；（２）用于将试件出射的平行光束分为两路光线的半反半透镜，用于产生第一路相干梯度敏感干涉条纹的第一光栅和第二光栅，第一光栅和第二光栅的间距为△↓［１］，用于产生第二路相干梯度敏感干涉条纹的第三光栅和第四光栅，第三光栅和第四光栅的间距为△↓［２］；（３）用于对上述两个干涉条纹场成像的第一组凸透镜和光阑以及第二组凸透镜和光阑，以及用于拍摄干涉条纹场的第一摄像机、第二摄像机和用于图像处理和干涉条纹级数提取的计算机；上述激光器、扩束镜、凸透镜、试件、半反半透镜、第一光栅、第二光栅、第一组凸透镜和光阑和第一摄像机依次处于第一光轴上；上述第三光栅、第四光栅、第二组凸透镜和光阑和第二摄像机依次处于第二光轴上，第一光轴与第二光轴于半反半透镜处垂直相交，计算机分别与第一摄像机和第二摄像机相连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚学锋，许蔚，刘栋梁，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]