散斑干涉法

实验应力分析方法的一种。漫反射表面被激光照明时,在空间出现随机分布的亮斑和暗斑,称为散斑。散斑随物体的变形或运动而变化。采用适当的方法,对比变形前后的散斑图的变化,就可以高度精确地检测出物体表面各点的位移。这就是散斑干涉法

激光器用于全息照相后,就发现激光形成的散斑。但它最初被认为是一种带着无用信息的特殊噪声。1969~1970年,散斑所携带的信息得到了应用,发展成为一些测试方法。例如J.A.伦德尔茨的双光束散斑干涉法,E.阿奇博尔德、J.M.伯奇和A.E.恩诺斯的单光束散斑干涉法,K.A.斯特森等人的散斑测振法。前两种属于测量变形的散斑干涉法。

双光束散斑干涉法

在相干光照明下,把待测表面漫反射所形成的散斑场,和固定且不变形的另一表面的漫反射所形成的散斑场叠加,构成一个新的散斑场。在待测表面发生变形的过程中,这个叠加而成的散斑场将发生如下变化:变形体表面沿法线方向每移动1/2波长的距离,斑的明暗变化就形成一个循环。当物体表面有不均匀的离面位移时,凡是位移为1/2波长及其整数倍的地方,散斑仍是原来的状态。变形前后斑的亮度分布的细节完全相同的区域,称为相关部分;反之,则称为不相关部分。故可以采用适当的方法,把相关部分的干涉条纹显示出来,从而了解物体表面的全场变形状况。

双光束散斑干涉法用于测量板的变形和振动,用于轮胎的无损检验以及用于测量人的耳膜在各种声响下的振动等。

单光束散斑干涉法

在被激光照明的物体表面以外的空间,形成随机分布的散斑场。分布在空间的散斑,称为客观散斑;通过透镜成象而记录在平面上的散斑,称为主观散斑。物体发生微小变形,散斑也随之发生变化,它们之间有着确定的关系。把物体表面变形前后所形成的两个散斑图,记录在同一张底片上。底片上的每个小区域,和物体表面的小区域一一对应;当此区域足够小时,在底片上对应的小区域内的两个散斑图几乎完全相同,只是错动了一个与物体表面位移有关的小的距离。这时各个斑点都成对出现。其错动的距离和方位,代表所对应的物体表面小区域的移动。用光学信息处理的方法,对所记录的底片进行分析,就可以得到物体表面的位移或位移的微分的分布。

记录的方法,既可以直接记录客观散斑,也可以通过透镜记录主观散斑。通常采用的信息处理的方法,有逐点分析法和全场分析法两种。

单光束散斑照相已广泛用来测量物体表面的平动、倾斜和应变,如孔周的应变集中,蜂窝夹层板的变形,平面问题的应变和断裂力学实验中的位移场等。利用侧向散射光所形成的散斑,可以测量透明试件内部任一截面的位移和变形。

全息干涉法比较,散斑干涉法对防振要求低。双光束散斑干涉法的测量灵敏度和全息干涉法相当,单光束散斑干涉法的测量灵敏度则较低一些。用散斑干涉法比较容易获得分离的位移分量及其微分。此法的缺点是只能测量物体表面的平面部分。

将全息干涉和散斑干涉两种方法联合起来,互相补充,可以通过一张双曝光照片获得分离的三维位移分量的全场分布。

在激光散斑干涉法的发展过程中,形成了一种非相干光散斑法,或称白光散斑法。同激光散斑干涉法相比,非相干光散斑法有很多优点。激光散斑干涉法只能测量物体的平面部分,而非相干光散斑法却可以通过控制照相的景深,对三维物体表面进行有层次的照相,可以逐次测量三维物体各截面的位移和变形;激光散斑干涉法不能测量热变形,而且受激光器的能量限制,不便测量大面积的物体,而非相干光散斑法则没有这些限制;单光束散斑干涉法的测量灵敏度和散斑的大小有关,非相干光散斑法可以人为地控制所制作斑点的大小,使得测量灵敏度可以在较大的范围内变化。非相干光散斑法已用于测量雷达天线的热变形、大的混凝土构件的变形和裂纹尖端位移场等。

参考书目
  1. J.C. Dainty, ed., Laser Speckle and Related Phenomena,Springer-Verlag,Berlin,1975.
  2. R.K.Erf, ed.,Speckle Metrology, Academic Press,New York,1978.