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基于影栅云纹的大变形测量及应用
影栅云纹的大变形测量及应用
摘要：本文介绍了影栅云纹技术的基本原理和测量方法，然后针对大变形测量的应用需求，探讨了几种基于影栅云纹的大变形测量方法，并分析了它们各自的优缺点。最后，结合实际案例，阐述了影栅云纹在大变形测量中的应用效果。
关键词：影栅云纹，大变形测量，方法比较，应用案例
1.引言
影栅云纹技术是一种非接触、无损、可视化的实时测量方法，基于相干光学原理，利用光波的干涉和衍射效应，通过形成云纹图案来记录物体表面的形变信息。它具有测量范围广、测量精度高、不受测试对象材料和形状限制等优点，已被广泛应用于工程结构的形变测量、材料力学的力学性能研究、流体力学的流场可视化等领域。
然而，由于云纹图案只能显示物体表面的相对变形，无法直接获取形变量的绝对值，因此影栅云纹常被用于小变形测量，如结构的应力分析、刚度测量等。当需要测量的物体受到较大的变形时，就需要寻找一些特殊的影栅云纹技术，以实现大变形测量。
2.影栅云纹的基本原理和测量方法
影栅云纹技术是一种基于空间光调制技术的干涉分析方法，它的基本原理是：利用影栅产生相干光源，并利用光学投影原理将光斑投影到被测物体表面，当光斑被物体表面反射或折射后，将与未被反射或折射的光线相干，形成干涉条纹。通过对干涉条纹的分析，可以得到物体表面形变的信息，从而实现变形测量。
在影栅云纹的测量系统中，通常包括两个主要部分：发光系统和接收系统。发光系统主要包括激光或白光源、防止光照强度变化的稳定器、光学分束器、物镜等光路设备；接收系统主要包括打样屏幕、光电探测器、影像处理设备等光路设备。
影栅云纹技术的测量方法可以分为两种：静态测量和动态测量。静态测量是指一次性拍摄得到的物体形变信息，主要适用于小变形测量；动态测量是指动态过程中物体形变信息的实时观测，主要适用于大变形测量。
3.基于影栅云纹的大变形测量方法
为了实现大变形测量，研究人员不断探索影栅云纹的新应用方法，包括多步位移相移法、分段相移法、基于色散的方法等。下面将对这些方法进行综述，并分析它们各自的适用范围和优缺点。
3.1多步位移相移法
多步位移相移法是一种常用的影栅云纹大变形测量方法，它主要是通过改变光路的相对位置来获得物体表面不同状态下的云纹图像，并进行相位差分计算，从而得到物体在多个时间点的形变数据。该方法相对简单，可以在大范围内实现非接触、全视场、高精度的大变形测量，适用于材料拉伸、压缩、弯曲等力学试验的形变测量等领域。
然而，多步位移相移法也存在一些问题。首先，它需要物体保持静止不动，难以应用于动态过程中的大变形测量。其次，由于相位差分的过程中存在相位模糊问题，所以该方法的适用范围不宽，只适合于相位差小于2π的测量。
3.2分段相移法
分段相移法是一种将云纹图像分段处理的影栅云纹测量方法，该方法在每个分段内进行相位平均，以消除相位模糊和随机噪声的影响，并在每个分段的端点处进行相位匹配，以保证各段之间的平滑过渡。由于该方法采用了更为精细的相位计算过程，所以其测量精度更高，适用于大变形测量和复杂形状物体的测量。
与多步位移相移法相比，分段相移法的优点在于能够消除相位模糊问题和随机噪声的影响，从而获得更加准确的形变数据。但是，分段相移法需要较多的传感器，测量时间较长，且对设备环境要求较高。
3.3基于色散的方法
基于色散的方法是近年来发展起来的一种影栅云纹测量方法，它通过光谱色散现象来获得物体表面的高精度形变数据。该方法适用于大变形测量，且对物体运动的要求较低，可以应用于动态形变测量领域。
在这种方法中，利用光栅将不同频率的光束分离到光通道中，不同颜色的光波经过物体表面后的相移量不同，通过测量不同颜色光波的相位差异，就能够计算出物体表面的形变量。由于该方法可以同时测量多个方向上的形变，因此可以应用于测量物材料的剪切性能及其它复杂力学问题。
然而，与前面两种方法相比，基于色散的方法需要更复杂的仪器装置，且需要考虑软件算法和光谱分析方面的问题。
4.影栅云纹在大变形测量中的应用效果
对于大变形测量领域，影栅云纹可应用于固体力学、流体力学、地震工程及仿生学等领域。下面以固体力学中钢结构的实际案例为例，阐述影栅云纹在大变形测量中的应用效果。
案例：钢结构受风载荷影响的变形测量
钢结构是现代建筑中常用的一种材料，其具有重量轻、施工方便等优点，在大型建筑结构中应用广泛。然而，钢结构受到风载荷的影响，往往会引起较大的形变，严重的还会导致结构的倒塌。因此，针对钢结构的变形测量特别重要。
在本案例中，通过采用多步位移相移法，安装影栅云纹测量系统于一栋20层的钢框架建筑上，在正常工作状态下对钢结构进行了形变测量。测试结果显示，钢结构主要在水平方向产生了较大的变形，据此进行了相应的结构改进，使其更加安全稳定。
该案例表明了影栅