摘要 摘要 力學(xué)是科學(xué)與工程技術(shù)之間的一座橋梁，也是人們認(rèn)識自然的一個極其重要的手段。 在其漫長的發(fā)展過程中，實驗研究一直扮演著十分重要的角色，而位移和變形的測量是在 實驗研究中最基本的任務(wù)之一，因為它們是力學(xué)行為最直接的反映。光學(xué)測試方法作為一 種非接觸、全場測量的方法，其各種優(yōu)點顯得尤為突出，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于物體的面內(nèi)變 形、離面變形、三維形貌以及材料力學(xué)性能等領(lǐng)域的測量，并日漸成為微結(jié)構(gòu)與材料靜動 態(tài)性能的一種最基本而有效的測試技術(shù)。離面變形是光測力學(xué)最基本的測量參數(shù)之一。通 常，離面變形的光學(xué)測量方法需要對被測物體表面做適當(dāng)處理，甚至需做成模型，然后通 過光學(xué)干涉形成條紋，再從條紋中提取所需的位移信息。由于這類測量方法大多基于光波 干涉原理，因此，測量過程對環(huán)境要求比較高。作為一種最活躍也最有生命力的光測力學(xué) 方法，數(shù)字散斑相關(guān)方法( d s c m ) 以其簡單、無損、全場、非接觸、高精度、自動化程度高 等優(yōu)點已被成功應(yīng)用于科學(xué)研究和工程實際的許多領(lǐng)域。本文的研究旨在利用數(shù)字散斑相 關(guān)方法，使用單相機實現(xiàn)物體離面位移的測量，使得離面位移的測量變得簡單、快速。在 此基礎(chǔ)上建立了簡單適用的鼓膜測試系統(tǒng)。本論文的主要工作和成果如下： 1 根據(jù)測量離面位移的光學(xué)方法和數(shù)字散斑相關(guān)法的基本原理，采用單相機實現(xiàn)了離 面位移的數(shù)字散斑相關(guān)測量，即將數(shù)字散斑相關(guān)與光學(xué)投影測量相結(jié)合的投影散斑法。該 方法是從側(cè)面傾斜一定角度將人工散斑投影到物體表面，一般情況下c c d 相機也傾斜放 置。當(dāng)物體發(fā)生離面位移時，散斑受高度的調(diào)制而發(fā)生移動。用數(shù)字圖像相關(guān)方法計算出 像面上散斑的位移，根據(jù)幾何關(guān)系就可以得到物體表面的高度變化。 2 研制了測量離面位移的高精度數(shù)字散斑相關(guān)測量設(shè)備，相對精度達(dá)到1 ：1 0 0 0 0 。 本文深入探討了遠(yuǎn)心鏡頭在提高離面位移測量精度方面的重要作用，同時分析了鏡頭參數(shù) 和相機參數(shù)與提高系統(tǒng)測量精度之間的關(guān)系，為進一步研制類似光測系統(tǒng)的硬件提供了一 些參考。 3 開發(fā)了用于測量離面位移的d s c m 軟件。利用v c + + 6 0 開發(fā)工具，編制了該系統(tǒng) 的配套軟件。本軟件使用了多線程技術(shù)，不僅可以實時顯示圖像，而且可以根據(jù)不同的測 試對象添加相應(yīng)的有針對性的功能，更加方便用戶操作。 4 利用所研制的離面位移測量系統(tǒng)，進一步研制了用于薄膜力學(xué)性能測試的實驗裝 置，并用于鼓膜法測量薄膜力學(xué)性能的實驗研究。 5 為了方便操作，特別設(shè)計了彈簧活塞加油系統(tǒng)。鼓膜測試過程中，油缸中的油會有 少部分的損耗。由于加油過程中極易混入空氣，從而導(dǎo)致加載數(shù)值測量不準(zhǔn)確或者活塞超 出行程，特別設(shè)計了與油缸相聯(lián)通的彈簧活塞部分，通過旋鈕控制，從油缸底部加油，避 免了空氣進入油缸。 東南大學(xué)博士學(xué)位論文 6 利用電控平移臺實現(xiàn)了亞微米、大量程的系統(tǒng)標(biāo)定。不需要額外的標(biāo)定裝置，直接 利用加載用的電控平移臺通過軟件界面控制對電控平移臺的步進電機進行8 0 細(xì)分，即可 實現(xiàn)間隔為o 2 5 um 高度標(biāo)定。 關(guān)鍵詞：數(shù)字散斑相關(guān)方法；離面位移測量；系統(tǒng)標(biāo)定；鼓膜測試；薄膜力學(xué)性能 a b s t r a c t a b s t r a c t m e c h a n i c si st h eb r i d g eo fs c i e n c ea n de n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sa l s oa ni m p o r t a n t m e a n so fp e o p l eu n d e r s t a n d i n go fn a t u r e i ni t sl o n gc o u r s eo fd e v e l o p m e n t , e x p e r i m e n t a l r e s e a r c hh a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l e ，a n dt h em e a s u r e m e n to fd i s p l a c e m e n ta n dd e f o r m a t i o ni s o n eo ft h em o s tb a s i ct a s k si nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , b e c a u s et h e ya r et h em o s td i r e c tr e f l e c t i o n o ft h em e c h a n i c a lb e h a v i o r 1 1 1 eo p t i c sm e a s u r e m e n tm e t h o di san o n c o n t a c t , w h o l ef i e l d t e c h n i q u ed e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t a n dt h eo p t i c sm e a s u r e m e n tm e t h o dh a sb e e na p p l i e dt o m e a s u r ei n p l a n ed e f o r m a t i o n , o u t - o f - p l a n ed e f o r m a t i o n , t h r e e - d i m e n s i o ns u r f a c ea n dt h e m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fm a t e r i a l s t h ea d v a n t a g e so fo p t i c sm e a s u r e m e n tm e t h o dg i v e p r o m i n e n c et ot h es t a t i ca n dd y n a m i cd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n to fm i c r os t r u c t u r ea n db e c o m e o n eo ft h eb e s to fa l lb a s i ca n de f f e c t i v em e t h o d o u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n ti so n eo fb a s i c p a r a m e t e r so fo p t i c s m e a s u r e m e n tm e t h o d u s u a l l y , t h eo p t i c a lm e t h o do fo u t o f - p l a n e d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tn e e d sm a k eas a m p l et r e a t m e n t , e v e nam o d e l t h e nu s eo p t i c a l i n t e r f e r e n c et op r o d u c ef r i n g ea n de x t r a c td i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o nf r o mf r i n g e m o s to ft h e s e m e a s u r e m e n t sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fl i g h ti n t e r f e r e n c e ，t h e r e f o r e ，t h em e a s u r e m e n tp r o c e s si s r e l a t i v e l yh i g hd e m a n d so nt h e e n v i r o n m e n t a so n eo ft h em o s ta c t i v ea n dl i f e l o n g p h o t o m e c h a n i c sm e t h o d sa n ds oo n , d i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o nm e t h o d ( d s c m ) h a v eb e e n a p p l i e ds u c c e s s f u l l yt om a n ya r e a so fs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g t h i ss t u d ya i m e da tu s i n gt h e d s c mt om e a s u r et h eo u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n tw i t hs i n g l ec a m e r a , s oa st om a k i n gt h e d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tb e c o m es i m p l ea n dr a p i d f u r t h e r m o r e ，a l li n t e g r a t e ds y s t e mb a s e d o nt h ep r o p o s e dm e t h o di sd e v e l o p e dt om e a s u r et h et h i nf i l mo u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n t t h e m a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s 1 b a s e do nt h eo p t i c a lm e t h o d so ft h eo u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t sa n db a s i c p r i n c i p l e so fd s c m ，t h ed s c mf o ro u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t 誦t l ls i n g l ec a m e r a i sr e a l i z e d sm e t h o di st h ec o m b i n a t i o no ft h ed s c m a n dt h eo p t i c a lp r o j e c t i o nm e a s u r e m e n t m e t h o d n eb a s i cp r i n c i p l ei sp r o j e c t i n gt h ea r t i f i c i a ls p e c k l ep a t t e r no n t ot h eo b j e c t ss u r f a c e w i t ha na n g l ef r o mt h es i d ea n dc o m m o n l yi n c l i n i n gp l a c et h ec c dc a m e r a w h e nt h eo b j e c t s u r f a c eo u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n to c c u r s ，t h es p e c k l ew i l lm o v eb ym o d u l a t i o no ft h eh e i g h t 1 1 尬d i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o nm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h es p e c k l ei n - p l a n ed i s p l a c e m e n to n t h ei m a g e ，t h e n , o u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n tc a nb em e a s u r e db yt h eg e o m e t r i cr e l a t i o n s h i p 2 1 1 1 ee q u i p m e n to ft h ed s c mf o ro u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ti sd e v e l o p e d t h er e l a t i v ea c c u r a c yc a nr e a c ht ol ：10 0 0 0 1 1 1 ei m p o r t a n tr o l e so ft e l e c e n t r i cl e n so ni m p r o v i n g t h ea c c u r a c yo fo u t o f - p l a n ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ta r ef u r t h e rd i s c u s s e d a tt h es a m et i m e ， t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el e n sp a r a m e t e ra n dc a m e r ap a r a m e t e ra n dt h ei m p r o v i n go fs y s t e m m e a s u r e m e n ta c c u r a c yi sa n a l y z e di no r d e rt op r o v i d es o m er e f e r e n c ef o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to f s i m i l a ro p t i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e mh a r d w a r e 3 t h es o f t w a r eo ft h ed s c mf o ro u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ti sd e v e l o p e d b y i i i 東南大學(xué)博士學(xué)位論文 u s i n go fv c + + 6 0d e v e l o p m e n tt o o l s ，t h es y s t e ms o f t w a r ei sw o r k e do u t t h em u l t i - t h r e a d i n g t e c h n o l o g yu s e di nt h i ss o f t w a r ec a r ln o to n l yd i s p l a yi m a g e si nr e a lt i m e ，b u ta l s oc a nb ea d d e d t h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tt e s t e do b j e c t s ，m a k i n gi tm o r eu s e r - f r i e n d l y o p e r a t i o n ， 4 b yu s eo ft h eo u t o f - p l a n ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h el a b o r a t o r ye q u i p m e n t f o rt e s t i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h i nf i l mi sd e v e l o p e dh e r ea n du s e df o rt h ee x p e r i m e n t r e s e a r c ho fb u l g et e s t 5 t h es p r i n g - p i s t o n - i n f u s e - o i ls y s t e mi ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rc o n v e n i e n c eo p e r a t i o n d u r i n gt h eb u l g et e s tp r o c e s s ，t h eo i ls t o r e di nt h ep r e s s u r et a n kw i l lb ea s m a l lp o r t i o n b e c a u s e i ti se a s yt ob em i x e dw i t l la i r , r e s u l t i n gi ni n a c c u r a t em e a s u r e m e n to fl o a dv a l u e so rp i s t o no v e r s c h e d u l e ，w es p e c i a l l yd e s i g n e dt h ef u e lt a n kw i t hs p r i n gp i s t o np a r t t h r o u g ht h ek n o bc o n t r o l ， t h eo i l i si n f u s e df r o mt h eb o t t o mo ft h ef u e lt a n kt oa v o i da i re n t e r i n gt h eo i lt a n k 6 b yu s eo fe l e c t r i c c o n t r o l l e dt r a n s l a t i o np l a t , t h es y s t e mc a l i b r a t i o nw i t hs u b - m i c r o na n d l a r g er a n g ei sr e a l i z e d n on e e df o re x t r ac a l i b r a t i o nd e v i c e ，d i r e c t l yu s et h ee l e c t r i c - c o n t r o l l e d t m n s l a t i o np l a tf o rl o a d ，t h r o u g ht h es o r w a r ei n t e r f a c et oc o n t r o lt h ee l e c t r i c - c o n t r o l l e ds t e p p e r m o t o rs h i f tf o r8 0s u b d i v i s i o n , t h e0 2 5 p r oh e i g h td i s t a n c ec a l i b r a t i o nc a l lb ea c h i e v e d k e y w o r d s ：d i g i t a ls p e c k l e c o r r e l a t i o nm e t h o d ( d s c m ) ；o u t - o f - p l a n ed i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t ；s y s t e mc a l i b r a t i o n ；b u l g et e s t ；t h i nf i l mm e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 東南大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材 料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了 謝意。 研究生簽名： 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù) 印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和 紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布 ( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦 理。 研究生簽名：4 - 降痧一 導(dǎo)師簽名：夏i 、之 日期：7 ，f ， ， 第一章緒論 1 1 研究背景和目的 第一章緒論弟一早三百y 匕 力學(xué)是科學(xué)與工程技術(shù)之間的一座橋梁，也是人類認(rèn)識自然的一個極其重要的手段。 在其漫長的發(fā)展過程中，實驗研究一直扮演著十分重要的角色。它不僅是驗證和完善力學(xué) 基本理論的重要手段，而且也為許多工程實際問題提供了設(shè)計依據(jù)，更重要的是人們借助 于實驗可以揭示各種新材料在新環(huán)境中的一些特殊力學(xué)行為的機理，從而推動了力學(xué)及材 料科學(xué)研究的進一步深入。 在實驗研究中，位移和變形的測量是最基本的任務(wù)之一，因為它們是力學(xué)行為最直接 的反映。而在位移和變形測量的各種技術(shù)中，光測力學(xué)以其非接觸、全場測量、無附加質(zhì) 量、速度快和靈敏度高等優(yōu)點，長期以來為人們所重視，并被廣泛應(yīng)用于航空、航天、造 船、機械、建筑、醫(yī)學(xué)、軍事、農(nóng)業(yè)、材料科學(xué)、生物科學(xué)及微電子機械系統(tǒng)( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 等領(lǐng)域。 微電子機械系統(tǒng)是集傳感、信息處理和執(zhí)行為一體的集成維系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng) 技術(shù)的迅速崛起，推動了所用材料微尺度力學(xué)性能測試技術(shù)的發(fā)展口1 。近十余年來，已經(jīng) 成為重要的高新技術(shù)領(lǐng)域和研究工作熱點嘲。 m e m s 所使用的材料多以單晶硅和在其上形成的微米級、亞微米級厚的薄膜為主，已經(jīng) 廣泛地用于微電子元件和工程結(jié)構(gòu)件的制造上h 1 。薄膜材料主要有單晶硅、多晶硅、氧化 硅、氮化硅和一些金屬，還有聚酰亞胺等高分子材料。這些材料通過化學(xué)氣相沉積、濺射、 電鍍等方法形成薄膜，再經(jīng)過光刻、蝕刻、犧牲層腐蝕、體硅腐蝕等形成各種形狀，構(gòu)成 微機械結(jié)構(gòu)。m e m s 器件要求薄膜不僅有良好的電磁光性質(zhì)，還要求器件中的薄膜結(jié)構(gòu)能夠 承受機械載荷、傳遞力和運動。微電子機械的研制和發(fā)展反過來又加速了薄膜力學(xué)性能的 研究?；緲?gòu)件主要有細(xì)絲、懸臂梁、微橋、薄膜、齒輪和微軸承等，由這些基本構(gòu)件組 合成的結(jié)構(gòu)不是傳統(tǒng)機械的簡單幾何縮小。當(dāng)構(gòu)件細(xì)微到微米納米尺度后，材料本身的 力學(xué)、物理性質(zhì)及其受環(huán)境影響的程度有顯著變化，會出現(xiàn)強烈的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等。 常規(guī)條件下材料的力學(xué)性能參數(shù)已遠(yuǎn)不能滿足m e m s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求璐1 。目前，硅類薄 膜材料的電學(xué)特性、化學(xué)特性均得到充分地了解，而材料力學(xué)性能檢測的工作始終未能跟 上，這已成為m e m s 設(shè)計及其c a d 發(fā)展中的一個制約因素陽1 。 薄膜材料在m e m s 的設(shè)計和使用中，迫切需要了解下面幾個重要的力學(xué)特性：彈性模 量( 決定器件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性) 、殘余應(yīng)力( 影響器件的成品率和服役性能) 、斷裂強度( 設(shè) 計承載構(gòu)件中最重要的材料特性) 、疲勞強度( 決定器件長期使用的可靠性) 。近十年來， 研究者們紛紛開始研制小型化的精密測量裝置和與之相匹配的試樣，用于研究材料的力學(xué) 東南大學(xué)博士學(xué)位論文 性能，最大的挑戰(zhàn)是自制儀器的校準(zhǔn)和確定實驗系統(tǒng)的可靠性口1 。m e m s 試樣的特征長度一 般在l m m 以下，這給實驗帶來一系列困難，如：如何制作、夾持、對中( 保持試樣與拉力 之間的同軸性) 微小試樣，如何提高載荷和位移測量的分辨率，如何模擬m e m s 器件的世 紀(jì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，如何完善理論模型等。 數(shù)字散斑相關(guān)方法是現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術(shù)與光測力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。傳統(tǒng)的光測力 學(xué)方法，如光彈、云紋、全息、云紋干涉、散斑干涉，一般都需要對被測物體表面作預(yù)處 理，如涂散射涂層、刻畫網(wǎng)格與柵線，甚至需要做成模型，然后通過特定的光路形成條紋， 再從條紋中提取所需的信息。由于這類測量方法大多基于光波干涉原理，因此，光測方法 對測量環(huán)境要求比較高，般只能在實驗室條件下進行。至于在一般工程現(xiàn)場中的應(yīng)用， 則幾乎是不太可能。上世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的電子散斑干涉技術(shù)，盡管用光學(xué)電子元件 代替了傳統(tǒng)的照相干板，但其仍然以干涉條紋作為測量基礎(chǔ)，對測量環(huán)境仍有相當(dāng)高的要 求，因而應(yīng)用領(lǐng)域與其它光測方法基本相同只能在實驗室進行。其實，物體表面自然 或人工形成的隨機斑點，包括物理的表面微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)的表面散斑場，本身就是信息的 載體。它們在物體變形過程中發(fā)生相應(yīng)的變化，因而包含了變形過程的大量信息。傳統(tǒng)的 光測方法是通過光學(xué)干涉形成的條紋來提取變形信息，需要特定的測量環(huán)境，從而難以在 工程現(xiàn)場應(yīng)用，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也受到與干涉條紋有關(guān)的一系列限制。如能避開條紋而直 接從這些信息載體中提取變形信息，變形測量同樣得以實現(xiàn)。數(shù)字散斑相關(guān)方法正是這樣 一種從物體表面的隨機分布的斑點或偽隨機分布的人工散斑場中直接提取變形信息的全 場、非接觸的光測方法嘲。 本文研究的目的在于利用現(xiàn)代光電測試技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、電子技術(shù)以及計算機圖像處 理技術(shù)，研究開發(fā)一種操作簡便、易于推廣的離面變形測量實驗方法，研制測量設(shè)備和測 試分析軟件，并應(yīng)用該系統(tǒng)來研究薄膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。 1 2 數(shù)字散斑相關(guān)方法進展 數(shù)字散斑相關(guān)方法( d i g i t a ls p e c k l ec o n c i s i o nm e t h o d ，d s c m ) 是在上世紀(jì)八十年代 初由日本的山口一郎【9 】和美國南卡羅來納大學(xué)的w h p e t e r 和w e r a n s o n 1 0 j 等人同時獨立 提出的。前者著重于研究一維變形場的測量，并進行相應(yīng)的儀器化工作，而后者則限于對 局部變形場的算法進行研究和改進，并應(yīng)用于一些實際測量問題中。 山口一郎在研究物體小變形時，采用測量物體變形前后光強的互相關(guān)函數(shù)峰值來導(dǎo)出 物體的位移。他采用雙光束照明，并在照明點法線方向放置圖像傳感器，推導(dǎo)了物體變形 與在衍射場中散斑位移的關(guān)系，利用這個關(guān)系導(dǎo)出了與表面應(yīng)變有關(guān)的項，因而提出一種 測量表面應(yīng)變的激光應(yīng)變計。山口一郎的激光應(yīng)變計使用光二極管陣列分別接受對稱入射 的兩個直徑為l m m 激光照射被測物體時的衍射光場，并存入計算機。對加載前后同一方 向的衍射光場信號進行互相關(guān)運算，導(dǎo)出陣列方向的位移a 。( o s ) 和a 垃( - 。s ) ，由計算機自動 2 第一章緒論 求出兩者插值：aa x = a x 2 ( - 0 , ) - - a 。( 0 0 ，再導(dǎo)出應(yīng)變值髓。這個應(yīng)變的數(shù)值與電阻應(yīng)變計 的測量值進行比較，結(jié)果是一致的。該方法可以獲得的最小應(yīng)變值約為2 0 微應(yīng)變，標(biāo)距 l m m ，測量時間1 0 s 。 與此同時，美國南卡羅來納大學(xué)的w h p e t e r 和w f r a n s o n 則采用電視攝像機記錄被 測物體加載前后的激光散斑圖，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字灰度場，并進行相關(guān)迭代運算，即 計算相關(guān)隨掃描試湊位移及其導(dǎo)數(shù)的變化過程，得到相關(guān)系數(shù)的全場分布矩陣，找出相關(guān) 系數(shù)的極值而得到物體對應(yīng)的位移和應(yīng)變，它是一個二維位移場的測量問題。 以往，由于激光相干性好的特點，散斑實驗都采用激光作為照射光源。近年來，非相 干光散斑測量有了較快的發(fā)展，如室外日光照射，實驗室白光照射等等，直接以物體表面 天然形成的斑點或人為制作的標(biāo)志斑點作為散斑點進行拍攝測量。在非相干光照射下，將 物體表面的散斑記錄下來，通過分析散斑的位移，得到物體上對應(yīng)點的變形或位移，這一 方法稱為白光散斑測量技術(shù)。白光散斑測量技術(shù)有以下特點： 1 白光散斑測量不要求光源的相干性，一般自然日光、白光光源均可采用，這樣可以 使用大功率光源，被測物體面積可以比較大，適用于實物和現(xiàn)場測量。 2 當(dāng)物體受力產(chǎn)生變形時，被白光照射的散斑僅隨物體表面一起運動，不像激光散斑 空間運動那么復(fù)雜，對于三維物體用白光散斑測量就比較方便，位移分析也比較簡單。 3 傳統(tǒng)的單光束激光散斑干涉可測量的物體最小位移等于散斑顆粒直徑。白光散斑粒 度的大小決定了測量的最小位移，但白光散斑粒度的大小可以根據(jù)測量范圍人為地選擇， 白光散斑法能適應(yīng)比較寬的位移測量范圍。 當(dāng)物體受載荷作用產(chǎn)生變形時，白光散斑跟隨著物體一起運動，因此，白光散斑運動 的位移向量就是物體的變形向量。白光散斑在圖像采集平面的成像與采集方向幾何參數(shù)之 間存在一定的關(guān)系，即白光散斑運動的投影規(guī)律f u j 。 二十多年來，國內(nèi)外許多學(xué)者在數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用方面開展了一些卓有成效的 研究工作，取得了豐碩的成果。 以美國南卡羅萊納大學(xué)p e t e r s 、s u t o n 教授等為代表的許多學(xué)者對該方法的發(fā)展做出 了突出貢獻。在數(shù)字散斑相關(guān)方法的技術(shù)研究方面，相繼提出了粗一細(xì)搜索法n 幻、牛頓一 拉裴遜偏微分修正法n 引、優(yōu)化搜索方法n 鉑、亞象素的重建n 目、數(shù)字散斑相關(guān)測量方法隨機 誤差的分析n 們等手段，并且對此方法的精度進行了實驗研究n 刀。在應(yīng)用研究方面，先后利 用此方法進行了剛體位移測量方面的研究工作n 舢，二維流速測量的應(yīng)用研究n 鍆，玻璃纖維 復(fù)合材料損傷的無損評價腳1 ，用雙攝像機系統(tǒng)測量離面位移的問題乜，裂紋尖端區(qū)域變形 場以及j 積分和s i f 乜2 3 的測量，彈塑性測量問題1 和高溫測量問題1 ，應(yīng)力集中問題洶1 ，陶 瓷構(gòu)件損傷狀況的實驗研究啪1 ，擴展裂紋尖端的變形場田1 ，陶瓷電容器的無損探傷嘲，圓 柱試件的表面變形等。最近幾年，數(shù)字散斑相關(guān)方法的應(yīng)用范圍進一步擴大，解決的問 題也越加復(fù)雜。g ve n d r o u x 等又對該方法進行了改進，使該方法在理論上進一步完善1 ， 3 東南大學(xué)博士學(xué)位論文 l u 等將數(shù)字散斑相關(guān)方法進行了細(xì)化，使其能應(yīng)用于較大的變形b ，c h a o 等利用該方法研 究了擴展裂紋尖端的變形場列，yv e sb e r t h a u d 等將數(shù)字散斑相關(guān)的結(jié)果作為數(shù)值計算的 邊界條件，并研究了實驗與計算的相互作用口引，p a s c c a l d e n g 等將數(shù)字散斑相關(guān)方法與掃 描電鏡相結(jié)合，研究了表面具有微網(wǎng)格試件的細(xì)觀變形m 1 。a a s u n d i 和h n o r t h 曲5 1 利用 散斑相關(guān)方法對日光的照射下的冰川運動進行了測量；s8 e r g o n n i e r 等啪1 對褶皺羊絨復(fù) 合制品的力學(xué)性能進行了研究；c h e v a l i e r ，l 等口刀人對類橡膠制品的力學(xué)性能進行了研 究等等。 在國內(nèi)，對數(shù)字散斑相關(guān)方法的研究起始于1 9 8 9 年，高建新博士等在我國開始進行 了數(shù)字相關(guān)方法的研究洶1 其他許多學(xué)者相繼進行了一系列的研究工作。在實驗方法方面 的主要研究工作有：把數(shù)字散斑相關(guān)方法與變分原理相聯(lián)系起來，多用途數(shù)字相關(guān)測量系 統(tǒng)的提出，散斑場的亞象素恢復(fù)及相關(guān)檢測技術(shù)，十字搜索法1 、非常應(yīng)變的子區(qū)模式 h 婦和數(shù)字散斑加權(quán)相關(guān)法h 2 1 的提出，牛頓迭代法缺點的改進，變形測量過程的描述和物理 意義的討論h 3 1 等。在應(yīng)用領(lǐng)域方面的主要研究工作有：漩渦流場測量、掃描電鏡的位移測 量和剛體位移測量m ，微區(qū)變形場的定量測量h 習(xí)，牙齒的修復(fù)“6 1 ，電視機外殼的檢測h 力， 微電子組件封裝工藝的研究h 8 1 ，同掃描電鏡的結(jié)合h 們，航空材料粘接界面的無損檢測，導(dǎo) 電膠膜的力學(xué)性能測試和三維編織構(gòu)件的孔邊應(yīng)力集中的研究咖1 ，晶振片組件封裝和改性 高聚物的斷裂行為的研究。近年來的工作有，亞象素位移搜索的曲面擬和法佑，頻率域數(shù) 字散斑相關(guān)法疇副，多相材料破壞和斷裂的研究啼3 1 等。清華大學(xué)的金關(guān)昌教授在數(shù)字散斑相 關(guān)方法中的圖像小波減噪分析【5 4 j 等方面做了一定的研究工作。蘇州大學(xué)的姜錦虎教授在遠(yuǎn) 距離測量【5 5 】和系統(tǒng)抗噪聲干擾能力f 5 6 1 方面的研究有了一定的進展。另外，哈工大單寶華等 【5 7 】采用數(shù)字圖像重心算法計算特征斑的重心，從而避免了數(shù)字散斑相關(guān)計算相關(guān)系數(shù)的繁 瑣過程，并運用在材料力學(xué)性能檢測和工程建筑空間結(jié)構(gòu)檢測上。天津大學(xué)的亢一瀾等人 用散斑相關(guān)方法對單纖維細(xì)絲維力學(xué)性能1 5 3 j 和薄膜斷裂問題進行了實驗研究【5 9 1 。 數(shù)字散斑相關(guān)方法近年來快速發(fā)展的原因在于它與其它光測技術(shù)相比具有獨特的優(yōu) 點。在實驗條件上，該方法原始數(shù)據(jù)采集方式簡單，不需對試件進行復(fù)雜的預(yù)處理，直接 從試件表面攝取包含變形信息的人工斑點或自然斑點，便于實現(xiàn)自動化；在應(yīng)用條件上， 該方法對測量環(huán)境要求比較低，不需要嚴(yán)格的防震、暗室等特殊的要求，可以實現(xiàn)高溫、 高壓等惡劣環(huán)境下的力學(xué)量的非接觸式、無損、全場測量；在測量范圍上，該方法可以根 據(jù)需要在宏觀、細(xì)觀、微觀范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，與顯微光學(xué)設(shè)備( 如顯微鏡、電鏡) 相結(jié)合可以測 里局部微區(qū)的變形。近幾年來計算機的計算速度大幅度的提高，在很大程度上解決了此方 法計算工作量大的瓶頸問題，推動了這一方法的深入研究，使其已經(jīng)成為現(xiàn)代光測力學(xué)領(lǐng) 域引人注目的側(cè)量方法之一。 目前，數(shù)字散斑相關(guān)方法在技術(shù)上正在不斷進步，提高運算速度和相關(guān)識別的精度 是它的兩個重要的發(fā)展方向。在應(yīng)用范圍上逐步擴大，向著細(xì)微觀、新型材料、惡劣環(huán)境 4 第一章緒論 測量方向發(fā)展。 總之，通過對數(shù)字散斑相關(guān)方法國內(nèi)外的發(fā)展及研究現(xiàn)狀的分析，可以肯定的是，已 有的研究方法和實驗手段是我們進一步開展研究工作的基礎(chǔ)。本文也正是在國內(nèi)外已有的 數(shù)字散斑相關(guān)方法的基礎(chǔ)上，做出改進和發(fā)展，進行研究。 另外，本文作者所屬教研組的師兄、師姐對數(shù)字圖像相關(guān)法已經(jīng)做了一些研究。例如， 康新師姐做了微電子機械系統(tǒng)( m e m s ) 中的光學(xué)測試方法研究，陳凡秀師姐做了微結(jié)構(gòu)動 態(tài)變形的光學(xué)測試方法與應(yīng)用研究，王偉師兄做了巖土微細(xì)結(jié)構(gòu)變形跟蹤測試方法研究及 其應(yīng)用，孫偉師姐做了數(shù)字圖像相關(guān)及其混合法的理論和應(yīng)用研究。本文也是在師兄、師 姐的研究成果基礎(chǔ)上進行研究的。 1 3 測量離面位移的光學(xué)方法 近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們越來越重視對復(fù)雜物體表面輪廓以及某些小 空間內(nèi)物體的離面位移或振動等的檢測。這些檢測要求空間分辨率高、非接觸、智能化等。 測量這類離面位移的方法有很多，主要有：電子散斑干涉術(shù)( e l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e m i n t e r f e r o m e t r y , e s p i ) 陬6 、全息干涉術(shù)【6 2 - 6 6 、電子錯位散斑干涉術(shù)【6 7 1 、散斑照相( s p e c k l e p h o t o g r a p h y ) 【6 8 】、云紋干涉法 6 9 ，7 0 l 等。 電子散斑干涉術(shù)作為一種主要用來測量光學(xué)粗糙表面變形的干涉計量術(shù)，它利用激光 散斑作為待測表面位移信息的載體，通過電子學(xué)手段記錄和處理散斑場信息，最后以散斑 條紋的形式在監(jiān)視器上顯示出位移場分布。該方法具有波長量級的靈敏度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用 于物體離面變形測量和無損檢測。 全息干涉術(shù)在無剛體位移的情況下可以直接測得位移數(shù)據(jù)，但是全息干涉術(shù)光路比較 復(fù)雜，測量結(jié)果易受外界振動的影響。 在國內(nèi)，秦玉文等人【7 1 】從理論上分析了錯位電子散斑實現(xiàn)電子干涉的可行性，并利用 電子錯位散斑干涉法( e l e c t r o n i cs p e c k l e s h e a r i n gp a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y , e s s p i ) 獲得了位 移梯度等值條紋的電子散斑干涉圖，實現(xiàn)了離面位移的測量。電子錯位散斑干涉法光路簡 單，對剛體位移不敏感，但是不能直接測得位移數(shù)據(jù)，還需要對測量結(jié)果進行數(shù)值運算。 云紋干設(shè)法是1 9 7 9 年p o s td 最早提出的，它采用高密度衍射光柵作為試件柵，測量 靈敏度的理論上限為入2 的條紋位移，若采用相移技術(shù)甚至可達(dá)入1 0 0 。這種方法具有 全場分析、實時觀測、高反差條紋，以及直接獲取面內(nèi)位移場和應(yīng)變場等優(yōu)點，可用于面 內(nèi)位移的測量。但是該方法光路比較復(fù)雜，并且該方法需要通過光學(xué)干涉條紋來提取變形 信息，處理過程中不可避免的會產(chǎn)生變形信息損失，影響了測量精度。 總之，這類基于干涉原理的光測方法常需要對被測物體表面做預(yù)處理，如涂散射涂層、 刻畫網(wǎng)格與柵線，甚至需做成模型，然后通過特定的光學(xué)干涉形成條紋，再從條紋中提取 所需的信息。對測量環(huán)境要求比較高，一般只能在實驗室條件下進行，至于在一般工程現(xiàn) 5 東南人學(xué)博士學(xué)位論文 場中的應(yīng)用，則幾乎是不可能的。 而數(shù)字散斑相關(guān)法是一種測量面內(nèi)位移和變形的計算機輔助光學(xué)測量方法，是現(xiàn)代數(shù) 字圖像處理技術(shù)與光學(xué)測量相結(jié)合的產(chǎn)物，克服了傳統(tǒng)光測方法對測量環(huán)境要求較高的缺 點。其實，物體表面自然或人工形成的隨機斑點，包括物理的表面微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)的表面 散斑場，本身就是信息載體，它們在物體變形過程中發(fā)生相應(yīng)的變化，因而包含了變形過 程的大量信息。數(shù)字散斑相關(guān)方法正是這樣一種從物體表面的隨機分布的斑點或偽隨機分 布的人工散斑場中直接提取變形信息的全場、非接觸的光測方法。由于其信息載體散 斑場具有隨機性，容易獲取，因此對測量環(huán)境的要求也低。而且由于其不需要通過光學(xué)干 涉條紋來提取變形信息，克服了以往光學(xué)測量中分析光測條紋時損失部分光學(xué)信息的缺 點，因此提高了測量精度。同時，該方法是通過比較變形前后物體表面的兩幅數(shù)字圖像直 接獲取位移和應(yīng)變信息，為全場非接觸的實時測量方法，且其設(shè)備簡單，易于實現(xiàn)測量過 程的自動化或半自動化。 另一個方面，一直以來單相機數(shù)字散斑相關(guān)方法都是用來測面內(nèi)位移，此次設(shè)計從物 體側(cè)面傾斜一定角度觀測。這樣，物體的離面位移就可以轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)志點的面內(nèi)位移，然后 再用數(shù)字散斑相關(guān)方法來計算中心點的位移值。從而可以間接地用數(shù)字散斑相關(guān)方法來解 決測試離面位移的問題。 1 4 本文的主要研究內(nèi)容 第一章：緒論。這一章首先介紹了本課題的研究背景和目的，然后綜述了數(shù)字散斑相 關(guān)方法的進展，接著對常用的測量離面位移的光學(xué)方法進行了分析，包括：電子散斑干涉 術(shù)、全息干涉術(shù)、電子錯位散斑干涉術(shù)、散斑照相、云紋干涉法等。最后簡要說明了論文 的研究內(nèi)容。 第二章：數(shù)字散斑相關(guān)法原理。本章首先介紹數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)，詳細(xì)描述了數(shù)字散 斑相關(guān)方法的基本原理和亞象素搜索方法，包括雙線性插值法、三次樣條插值法和其它的 一些插值方法，并且介紹了三維數(shù)字散斑相關(guān)方法，包括雙目立體視覺基本原理、攝像機 成像模型與標(biāo)定、圖像三維空間坐標(biāo)的建立、基于小平面假設(shè)與攝像機成像模型的數(shù)字散 斑相關(guān)法。 第三章：測量離面位移的數(shù)字散斑相關(guān)方法。本章介紹了測量離面位移的數(shù)字散斑相 關(guān)方法，即將數(shù)字散斑與光學(xué)投影相結(jié)合的投影散斑法的基本原理，主要是從側(cè)面傾斜一 定角度將人工散斑投影到物體表面，一般情況下c c d 相機也傾斜放置。當(dāng)物體發(fā)生離面 位移時，散斑受高度的調(diào)制而發(fā)生移動。用數(shù)字圖像相關(guān)方法計算出像面上散斑的位移， 根據(jù)幾何關(guān)系就可以得到物體表面的高度變化。本文后面的驗證實驗正是基于這種原理來 測量鼓膜實驗中薄膜的三維變形。 第四章：測量離面位移的d s c m 硬件實現(xiàn)。本章對測量離面位移的數(shù)字散斑相關(guān)方法 6 第一章緒論 硬件實現(xiàn)進行了研究和開發(fā)。主要介紹光測系統(tǒng)硬件的組成部分一圖像采集系統(tǒng)。以微 觀實驗要求為根本出發(fā)點，同時保證系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，兼顧多功能性，在投影 方和采圖方都引入了遠(yuǎn)心鏡頭來提高測量離面位移的數(shù)字散斑相關(guān)方法精度。首先，探討 了遠(yuǎn)心鏡頭相比非遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍，并用2 個實例證明了遠(yuǎn)心鏡頭的優(yōu)點； 其次，介紹了該硬件的核心圖像采集系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了2 個遠(yuǎn)心鏡頭的相關(guān)數(shù)據(jù)， 從遠(yuǎn)心鏡頭的選擇原則和機理上加以研究，確定了滿足需要的零部件，并將它們有機地組 成整體，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行；最后，分析討論了遠(yuǎn)心鏡頭的選型標(biāo)準(zhǔn)及其光路，為 今后設(shè)計加工類似光測系統(tǒng)的硬件選擇提供了一些參考。 第五章：測量離面位移的d s c m 軟件開發(fā)。軟件開發(fā)是整個系統(tǒng)運行的關(guān)鍵，考慮到 今后軟件的維護和升級，本章利用v c + + 6 0 開發(fā)工具，編制了該系統(tǒng)的配套軟件。本章首 先介紹該光測系統(tǒng)軟件基本框架，然后詳細(xì)說明了實現(xiàn)這一軟件的關(guān)鍵技術(shù)多線程技 術(shù)，由于光測系統(tǒng)需要實時顯示被測區(qū)域并能夠采集不同時刻的圖像，同時還要將采集的 圖像直接存入計算機，因此，計算機需要同步處理多項任務(wù)。多線程技術(shù)就是解決這一問 題的關(guān)鍵技術(shù)，通過使用多線程技術(shù)，本軟件不僅可以實時顯示圖像，而且可以根據(jù)不同 的測試對象添加相應(yīng)的有針對性的功能，例如，同步顯示壓力值并輸出壓力和時間關(guān)系曲 線，可以發(fā)出信號驅(qū)動步進電機等等。經(jīng)過程序的編寫和調(diào)試，測量離面位移的d s c m 光 測系統(tǒng)軟件可以滿足微觀結(jié)構(gòu)變形實驗的基本要求。最后對該光測系統(tǒng)軟件進行了測試。 第六章：鼓膜光測實驗研究。提出了一種光測薄膜微觀結(jié)構(gòu)離面變形的實驗方法，同 時研制了相應(yīng)的實驗設(shè)備。本章的主要工作就是利用這一實驗方法和實驗設(shè)備對液壓作用 下薄膜的微觀結(jié)構(gòu)變形進行光學(xué)測量，并對采集到的圖像進行了參數(shù)提取和數(shù)據(jù)分析