散斑干涉条纹测量系统设计.docx

散斑干涉条纹测量系统设计摘要：为了测量散斑干涉条纹从而计算出被测物体的微位移提出了一种基于AT89S52芯片的解决方案。运用单片机驱动步进电机精准控制光敏传感器的移动利用传感器判定暗条纹中心结合软件进行实时处理获得再现干涉条纹间距。实验结果表明该设计方案对散斑位移的测量精度可达0.001mm。关键词：微位移测量；相干光学；单片微型计算机；步进电机；光敏传感器引言传统的散斑照相法通过摄取双曝光散斑图然后再现散斑图像即杨氏条纹并测量条纹间距再利用测量光路的相关参数可得出物体的面内微位移。该技术具有非接触、高精度的特点在无损检测[1]、应变[23]、振动[4]和位移[5]等测量中获得了广泛应用。目前电子散斑的研究主要建立在数字图像处理基础上[69]对CCD采样后的数字图像进行分析和计算该技术省去了传统方法中干版显影、定影的化学湿处理过程但测量精度依赖CCD技术指标和图像处理算法。运用单片微型计算机技术（简称MCU技术）和光敏传感器进行直接测量测量方法简单计算精度可达0.001mm。1系统设计1.1光学记录与再现系统散斑照相的光路如图1所示。激光经过扩束镜Lk扩束均匀照射在试件毛玻璃S上再经过成像透镜Lc最终成像在全息底片H上。当试件S被加载位移后散斑图像将随着物体作相应运动。如果用同一干版对物体位移前后的两种状态作两次曝光记录则在底片上就得到了两幅散斑图的迭加干涉形成的双曝光散斑图。将记录底片H放在如图2所示的光路中激光光束通过底片H后在观察屏上形成干涉条纹这种条纹称为杨氏条纹。设激光波长为λ散斑照片到观察屏的距离为L双孔间距为d相邻条纹的间距为l由杨氏双孔实验可知如照相时物的放大率是M物体的位移量为X则：X=dM=λLlM（1）其中位移方向与所观察到的条纹相互垂直。光学仪器第35卷第3期盛伟等：散斑干涉条纹测量系统设计条纹间距l是散斑测量的关键物理量。传统方法是通过人眼直接观察并测量由于条纹明暗连续变化直接观察法存在很大的误差。目前电子散斑主要是依据数字图像处理技术利用CCD采样替代传统的胶片记录然后用PC对采集图像进行数据处理和计算最终得出条纹间距l该方法使测量计算较为方便。但是作为关键测量部件的CCD其技术指标不同测量精度有很大的差别一般来说指标越高的CCD成本也越高。另外运用PC也不便于产品的集成小型化。本文介绍一种新的方法运用MCU技术配合光敏传感器自动判定条纹中心得到较高精度的条纹间距l。该设计方案不仅利于仪器的集成化和便携化而且成本较低。1.2杨氏条纹测量系统系统由硬件和软件两部分组成。硬件控制光敏传感器扫描光强分布并将模拟的光强信号数字化最终接入单片机。软件对采样数据进行分析消除噪声判断极值点找出相邻的两个暗条纹中心计算出条纹间距l。1.2.1系统硬件部分系统硬件构成如图3所示主要由电机驱动电路（A区域）、光敏传感电路（B区域）、单片机（AT89S52）和显示器（图中未标出）组成。光敏传感电路由光敏电阻Ra与分压电阻Rb串联而成Ra的阻值随着光照强度的减弱而增大。其中光敏电阻的受光面是面区域因此O点的电压值反映了光敏电阻受光面所在区域的光照情况。所说的条纹中心实际是条纹中心区域而非中心点。因为受光面是固定不变的所以由条纹中心区域判断得到的条纹间距与由条纹中心点得到的间距效果相同。传感电路将光强信号转化为电压信号以供单片机进行数据处理。因此传感电路的灵敏度（尤其是条纹中心附近的灵敏度）关系到条纹间距l的测量精度。因为条纹中心附近光强变化相对不明显且光敏电阻在暗光区域对光强变化更为敏感所以选择识别暗条纹中心并由此计算条纹间距。为保证暗条纹中心判断的准确性除了需要高灵敏度的光敏电阻Ra外Rb的阻值对条纹中心的判断也有一定的影响。当Ra的阻值与Rb相差较大时O点电压随Ra的变化并不明显；当两者相近时O点电压对Ra的变化则比较敏感因此Rb的阻值应与光敏电阻处于条纹中心时的阻值相近。其它一些因素也会影响到对条纹中心的准确判断设计时并未一一考虑而是依据系统的测量效果来评价系统的合理性。其评判标准是：对一确定的散斑图样进行多次测量观察测量结果是否唯一或者结果的波动是否足够小。试验结果证实所设计的系统可达到以上要求即测量结果较为稳定。1.2.2软件部分每个条纹中心都对应一个极值点软件的功能就是排除噪声干扰并自动识别这些极值点最终实现对条纹间距l的测量和微位移X的计算。由于测量条件的限制如激光器的稳定性、实验室的光照环境等因素硬件采集的数据不可避免地会随机出现噪声。噪声的出现会导致采样的光强分布函数出现不确定的极值点如图4中A、B、C、D各点。显然这种极值点并不对应条纹中心。因此需先对采样数据进行噪声分