一种基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统与方法
阅读说明：本技术 一种基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统与方法 (Photoelastic stress measurement system and method based on three-wavelength illumination light source ) 是由 陆雨洁 刘诚 张源哲 邢童璐 高夏立 于 2021-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统与方法,属于光弹性测量的技术领域。所述光弹性应力测量系统包括图像获取模块,用于分别获取波长λ-(1)、波长λ-(2)和波长λ-(3)光源照明下消除背景光的条纹强度分布；主应力差计算模块,用于采集图像获取模块获得的图像条纹信息并求解待测样品的主应力差；主应力方向计算模块,用于采集图像获取模块获得的图像条纹信息并求解待测样品主应力方向。本发明使用方便,测量速度快；极大减小了高级次条纹处理时的误差,拓展了光弹性应力测量的范围；能够对含有误差的曲线段进行处理,准确测得样品的主应力方向和主应力差大小,显著消除了双波长测量方法产生的误差,具有测量精度高的优势。(The invention discloses a photoelastic stress measurement system and method based on a three-wavelength illumination light source, and belongs to the technical field of photoelastic measurement. The photoelastic stress measurement system comprises an image acquisition module for respectively acquiring wavelength lambda 1 Wavelength lambda of 2 And wavelength lambda 3 Eliminating the fringe intensity distribution of background light under the illumination of a light source; the main stress difference calculation module is used for acquiring the image stripe information obtained by the image acquisition module and solving the main stress difference of the sample to be detected; and the main stress direction calculation module is used for acquiring the image stripe information obtained by the image acquisition module and solving the main stress direction of the sample to be tested. The invention has convenient use and high measuring speed; the error in the high-level stripe processing is greatly reduced, and the measuring range of photoelastic stress is expanded; the method can process the curve segment containing errors, accurately measure the main stress direction and the main stress difference of the sample, obviously eliminate the errors generated by the dual-wavelength measuring method, and has the advantage of high measuring precision.)
技术领域
本发明涉及一种基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统与方法，属于光弹性测量的技术领域。
背景技术
光弹性测量技术是一种基于透光材料的双折射特性的一种应力测量技术，可以通过条纹图直观地反映出材料内部的应力分布情况。除传统的相移法之外，对光弹性条纹进行级数分析的双波长法，虽为材料内应力大小和方向的定量分析提供了新的思路，但仍存在一定局限性。双波长法的计算过程中忽略了照明光的频率差异导致的误差，在所测量的条纹级数较低时，结果与实际结果的误差较小，但对于一些应力变化较大的样品，随着测量级数的增加，计算误差也会累计增加，因此对于此类样品的测量精度难以达到要求。
图1所示的是一种双波长法的光弹性测量光路(Chen T Y.Digitaldetermination of photoelastic birefringence using two wavelengths[J].Experimental Mechanics,1997,37(3):232-236.)，包括双波长激光光源1、起偏器2、第一四分之一波片3、准直透镜4、待测样品5、成像透镜6、第二四分之一波片7、检偏器8和光电探测器9。Chen提出，在所探测到的条纹图的一个条纹宽度内，设置5×5十字形点用于精确条纹搜索。即分别计算两种波长光照射下，各点的条纹级次误差，通过搜寻最小误差值首先确定中心点的精确条纹级次，再以其作为种子点，通过树搜索来确定其他点的精确条纹级数。由此，通过Nf＝t(σ1-σ2)便可确定各点主应力差的值(σ1-σ2)，其中，N为精确条纹级数，f为对应波长下的条纹值，t为样品厚度。该方法虽不需要相位去包裹的特殊处理，但它只适用于在一定级次内的条纹级次的判别，当条纹密度较大时会产生较大的误差(韩永胜,张东升,罗淼.用双波长法和相移法确定光弹性参数[J].工程力学,2008,25(002):62-65.)，因此导致其适用范围受到限制。
发明内容
[技术问题]
本发明要解决的问题是：现有的双波长光弹性测量方法只适用于在一定级次内的条纹级次的判别，当条纹密度较大时会产生较大的误差，适用范围有限。
[技术方案]
本发明提供了一种基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统与方法，适用于光弹性测量技术领域，本发明比双波长法多引入一个波长的照明光源，对于双波长法测量应力过程中产生的原理性误差有显著地改善，在能够定量测量样品的应力大小和方向的同时，显著提高计算精度，为拓展光弹性应力测量的适用范围提供一种新的测量技术。
所述基于三波长照明光源的光弹性应力测量方法应用基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统进行测量，所述基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统包括：
图像获取模块，包括三波长面光源，在所述三波长面光源出射光线的传播路径上依次设有起偏器、检偏器、成像透镜和光电探测器，用于分别获取波长λ1、波长λ2和波长λ3光源照明待测样品消除背景光的条纹强度分布；
主应力差计算模块，用于采集图像获取模块获得的图像条纹信息并求解待测样品的主应力差；
主应力方向计算模块，用于采集图像获取模块获得的图像条纹信息并求解待测样品主应力方向；
所述基于三波长照明光源的光弹性应力测量方法包括如下步骤：
步骤一：使起偏器与检偏器正交，在波长λ1的光源照明下，获取消除背景光影响后的归一化条纹强度分布Img1；在波长λ2的光源照明下，获取消除背景光影响后的归一化条纹强度分布Img2；在波长λ3的光源照明下，获取消除背景光影响后的归一化条纹强度分布Img3；使起偏器与检偏器夹角为45°，在波长λ2的光源照明下，获取消除背景光影响后的条纹强度分布Img4，在波长λ3的光源照明下，获取消除背景光影响后的条纹强度分布Img5；使起偏器与检偏器正交且同步转动45°，在波长λ2的光源照明下，获取消除背景光影响后的条纹强度分布Img6，在波长λ3的光源照明下，获取消除背景光影响后的条纹强度分布Img7；
步骤二：采集步骤一获得的图像条纹信息，运用傅里叶变换、低通滤波和相位解包裹技术求解待测样品的主应力差σ(x,y)；
步骤三：采集步骤一获得的图像条纹信息，运用相位解包裹技术求解待测样品的主应力方向θ。
本发明的一种实施方式中，所述三波长面光源由开关控制，在不同时刻发出波长λ1、波长λ2和波长λ3三种频率的光。
本发明的一种实施方式中，所述光电探测器用于将从成像透镜透过的光信息转化为电信号，并采集三波长面光源照射待测样品产生的条纹图。
本发明的一种实施方式中，所述三个照明光源的波长λ1、波长λ2、波长λ3满足如下关系：
λ1＞λ2＞λ3。
本发明的一种实施方式中，所述步骤二中的运用傅里叶变换、低通滤波和相位解包裹技术求解待测样品的主应力差σ(x,y)，具体包括如下步骤：
Step1.在三个波长的照明光源下，消除背景光影响后的归一化条纹强度分布分别为：
其中，c为材料的应力光学系数，为已知常数，t为待测样品的厚度，为可测常数；
Step2.分别对Img1、Img2、Img3使用倍角公式得到I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)：
Step3.将I2(x,y)分别与I1(x,y)以及I3(x,y)在同一条纹级次处进行比较，得到arccos[I2(x,y)]增减性的范围，将arccos[I2(x,y)]增减性的转折部分初步区分开，分别得到两幅具有跳跃间断点且仍含有部分转折部分的图像{arccos[I2(x,y)]}21及{arccos[I2(x,y)]}23；
Step4.通过Step3中得到的{arccos[I2(x,y)]}21与{arccos[I2(x,y)]}23对误差曲线区间进行计算，并将误差区间内的值赋为0，得到函数{arccos[I2(x,y)]}230；
Step5.对{arccos[I2(x,y)]}230进行傅里叶变换得到其频谱分布，选取通频带进行低通滤波，并将滤波结果采用逆傅里叶变换转换为空域信息，记为{arccos[I2(x,y)]}230′；
Step6.通过判断{arccos[I2(x,y)]}230′中误差曲线段值的正负，构造翻转判断矩阵，记为L(x,y)，将L(x,y)与{arccos[I2(x,y)]}23相乘，使得{arccos[I2(x,y)]}23的误差得到修正，得到仅具有跳跃间断点的图像{arccos[I2(x,y)]}23′；
Step7.对{arccos]I2(x,y)]}23′采用相位解包裹算法进行相位去包裹处理，可拼接出连续的条纹分布，记为{arccos[I2(x,y)]}23F，即[arccos(1-2Img2)]23F。
本发明的一种实施方式中，所述待测样品的主应力差σ(x,y)满足如下关系式：
本发明的一种实施方式中，所述步骤三中运用相位解包裹技术求解待测样品的主应力方向θ包括如下过程：
其中，I20、I30分别表示波长λ2与波长λ3照明时的照明光强。
本发明的一种实施方式中，所述待测样品的主应力方向θ满足如下关系式：对θ采用相位解包裹算法得到待测样品实际的应力方向。
有益效果
(1)本发明公开的基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统，通过三个频率的照明光源分别对待测样品照射，得到含有样品应力信息的条纹图，实现对应力大小及方向的测量，具有使用方便，测量速度快的优点。
(2)本发明公开的基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统在不显著增加仪器重量的条件下，可对大口径样品进行测量，且极大地减小了高级次条纹处理时的误差，拓展了光弹性应力测量的范围。
(3)双波长法求解主应力差时，随着条纹级次的增加而产生误差区间，并且这种误差区间随条纹级次的增大而增大(见图5中的c)，无法从双波长法测量应力的原理进行修正。但本发明公开的基于三波长照明光源的光弹性应力测量方法通过额外引入一个波长为λ3的照明光源，再运用现代数字图像处理技术，能够对含有误差的曲线段进行处理，准确测得样品的主应力方向和主应力差大小，显著消除了双波长测量方法产生的误差(见图6中的c)，具有测量精度高的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有光弹性测量技术中的双波长应力测量仪的结构示意图；
图2为本发明提供的基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统的结构示意图；
图3为本发明的图像获取模块的结构示意图；
图4为本发明提供的基于三波长照明光源的光弹性应力测量方法流程图；
图5为采用现有光弹性测量技术中的双波长法计算应力的仿真结果示意图；
图6为本发明采用基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统与方法计算应力的仿真结果示意图；
图7为本发明将I2(x,y)分别与I1(x,y)以及I3(x,y)在同一条纹级次处进行比较得到的具有跳跃间断点且仍含有部分转折段的{arccos[I2(x,y)]}21与{arccos[I2(x,y)]}23仿真结果示意图；
图8为本发明筛选误差曲线段位置的仿真结果示意图；
图9为本发明运用傅里叶变换、逆傅里叶变换及低通滤波技术对图8中筛选的误差曲线段进行处理的仿真结果示意图；
图10为本发明符号判断矩阵L(x,y)的仿真结果示意图；
图11为本发明将{arccos[I2(x,y)]}23增减性的转折部分进一步区分开，得到仅具有跳跃间断点的{arccos[I2(x,y)]}23′仿真结果示意图；
图12为本发明对图11中{arccos[I2(x,y)]}23′作解包裹处理得到的真实相位分布的仿真结果示意图。
图中，1、双波长激光光源；2、起偏器；3、第一四分之一波片；4、准直透镜；5、待测样品；6、成像透镜；7、第二四分之一波片；8、检偏器；9、光电探测器；10、三波长面光源；11、图像获取模块；12、主应力差计算模块；13、主应力方向计算模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1：
如图2所示，本实施例提供了一种基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统，包括图像获取模块11，用于改变起偏器2与检偏器8的偏转轴相对方向时，获取波长λ1、λ2和λ3光源照明下消除背景光的条纹强度分布；主应力差计算模块12，用于将采用图像获取模块11获得的图像条纹信息运用傅里叶变换、低通滤波、相位解包裹等现代数字图像处理技术求解主应力差；主应力方向计算模块13，用于采集图像获取模块11获得的图像条纹信息，并运用相位解包裹技术求解主应力方向。
如图3所示，所述图像获取模块11包括三波长面光源10，所述三波长面光源10由开关控制，在不同时刻发出波长λ1、波长λ2以及波长λ3三种频率的光；在所述三波长面光源10出射光线的传播路径上依次设有起偏器2、检偏器8、成像透镜6和光电探测器9；在起偏器2和检偏器8之间放入待测样品5；所述光电探测器9将从成像透镜6透过的光信息转化为电信号，并采集三波长面光源10照射待测样品5产生的条纹图。
实施例2：
如图4所示，本实施例公开了一种基于三波长照明光源的光弹性应力测量方法，所述基于三波长照明光源的光弹性应力测量方法应用实施例1公开的基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统进行测量，包括如下步骤：
步骤一：使起偏器2与检偏器8正交，在波长λ1的光源照明下，获取消除背景光影响后的归一化条纹强度分布Img1；在波长λ2的光源照明下，获取消除背景光影响后的归一化条纹强度分布Img2；在波长λ3的光源照明下，获取消除背景光影响后的归一化条纹强度分布Img3；使起偏器2与检偏器8夹角为45°，在波长λ2的光源照明下，获取消除背景光影响后的条纹强度分布Img4，在波长λ3的光源照明下，获取消除背景光影响后的条纹强度分布Img5；使起偏器2与检偏器8正交且同步转动45°，在波长λ2的光源照明下，获取消除背景光影响后的条纹强度分布Img6，在波长λ3的光源照明下，获取消除背景光影响后的条纹强度分布Img7；
步骤二：采集步骤一获得的图像条纹信息，运用傅里叶变换、低通滤波和相位解包裹技术求解待测样品5的主应力差σ(x,y)；
步骤三：采集步骤一获得的图像条纹信息，运用相位解包裹技术求解待测样品5的主应力方向θ。
所述步骤二中运用傅里叶变换、低通滤波和相位解包裹技术求解待测样品5的主应力差σ(x,y)，具体包括如下步骤：
Step1.在三个波长的照明光源下，消除背景光影响后的归一化条纹强度分布分别为：
其中，c为材料的应力光学系数，为已知常数，t为待测样品5的厚度，为可测常数；
Step2.分别对Img1、Img2、Img3使用倍角公式得到I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)：
步骤一中获取的消除背景光影响后的归一化条纹强度分布Img1是以主应力差σ(x,y)为自变量的正弦函数的平方，无法直接对Img1通过开根号处理求得真实的主应力差分布，故运用倍角公式，得到以主应力差σ(x,y)为自变量的余弦函数：I1(x,y)，此时，双波长法通过引入Img2得到I2(x,y)，来判断I1(x,y)与I2(x,y)在同一条纹级次的相对大小，从而得到arccos[I2(x,y)]的增减性，进而通过相位解包裹技术处理得到主应力差，但随着条纹级次的增加，I1(x,y)与I2(x,y)的相对大小并不能充分保证arccos[I2(x,y)]是单调增加或者单调减少的，如图5中的a所示，在[280，310]区间内，I2(x,y)>I1(x,y)，但是arccos[I2(x,y)]并不是单调减少的，在长方形框中标明的区域是单调增加的(见图5中的b)，导致这一原本不需要翻转的区域也进行了翻转(见图5中的c)，产生了向下凹陷的曲线段即误差区间，这种误差区间随条纹级次的增大而增大，且无法从双波长法测量应力的原理进行修正。为解决这一误差，精准得到主应力差，本发明在双波长法运用两个波长分别为λ1与λ2照明光源的基础上，额外引入一个波长为λ3的照明光源，并令这三个照明光源的波长λ1、λ2、λ3依次减小，即λ1>λ2>λ3，对I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)进行处理。采用本发明提供的基于三波长照明光源的光弹性应力测量方法计算应力的仿真结果如图6所示，其中，图6中的a为I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)的仿真图，图6中的b为arccos[I1(x,y)]、arccos[I2(x,y)]、arccos[I3(x,y)]的仿真图，图6中的c为未解包裹的能够反映主应力差分布的相位分布仿真结果，可以发现，图6中的c没有图5中的c类似的凹陷曲线段即误差区间。采用本发明提供的基于三波长照明光源的光弹性应力测量方法，显著消除了双波长法中无可避免的误差。进一步，继续对I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)进行处理；
Step3.将I2(x,y)分别与I1(x,y)以及I3(x,y)在同一条纹级次处进行比较：
对于I2(x,y)与I1(x,y)，同一条纹级次需满足即若I1(x,y)>I2(x,y)，则I2(x,y)可视为[0,π/2]内的减函数，其反函数arccos[I2(x,y)]可视为[0,π/2]的增函数，令若I1(x,y)<I2(x,y)，则I2(x,y)可视为[π/2,π]内的增函数，其反函数arccos[I2(x,y)]可视为[π/2,π]的减函数，令记处理后的条纹图像为{arccos[I2(x,y)]}21，如图7中的a；
对于I2(x,y)与I3(x,y)，同一条纹级次需满足即若I2(x,y)>I3(x,y)，则I2(x,y)可视为[0,π/2]内的减函数，其反函数arccos[I2(x,y)]可视为[0,π/2]内的增函数，令若I2(x,y)<I3(x,y)，则I2(x,y)可视为[π/2,π]内的增函数，其反函数arccos[I2(x,y)]可视为[π/2,π]内的减函数，令记处理后的条纹图像为{arccos[I2(x,y)]}23，如图7中的b；
因此通过分别判断I2(x,y)与I1(x,y)以及I2(x,y)与I3(x,y)在同一条纹级次处的大小关系，可以得到arccos[I2(x,y)]增减性的粗略范围，从而将arccos[I2(x,y)]增减性的转折部分进行初步区分开，分别得到两幅具有跳跃间断点且仍含有部分转折部分的图像{arccos[I2(x,y)]}21及{arccos[I2(x,y)]}23(见图7)；
Step4.通过Step3中得到的{arccos[I2(x,y)]}21与{arccos[I2(x,y)]}23对误差曲线区间进行计算，并将误差区间内的值赋为0，得到函数{arccos[I2(x,y)]}230；
由于三个波长λ1、λ2、λ3有一定差距，I2(x,y)分别与I1(x,y)、I3(x,y)比较后得到的关于I2(x,y)递增的部分曲线包含了其递减的微小曲线段，而关于I2(x,y)递减的部分曲线包含了其递增的微小曲线段，对应同一条纹级次同时满足I1(x,y)<I2(x,y)及I2(x,y)>I3(x,y)的曲线段以及同一条纹级次同时满足I1(x,y)>I2(x,y)及I2(x,y)<I3(x,y)的曲线段，这是无法避免的，且随条纹级次增加，这些误差就越大；
令{arccos[I2(x,y)]}21中第i级条纹的误差曲线段为[Ei]21，{arccos[I2(x,y)]}23中第i级条纹的误差曲线段为[Ei]23，i＝1,2,3…，通过的符号可以判断这些误差曲线段的位置：{arccos[I2(x,y)]}21和{arccos[I2(x,y)]}23中满足的曲线段是没有误差的，而满足的曲线段是有误差的，从而可以筛选出[Ei]21与[Ei]23，i＝1,2,3…，这里仅需筛选出[Ei]21或[Ei]23。以筛选[Ei]23为例，将误差区间内的值赋为0，得到的条纹图像记为{arccos[I2(x,y)]}230，结果见图8，其中，平行于x轴的一系列线段所在位置表示误差曲线段[Ei]23，i＝1,2,3…的所在位置；
Step5.对{arccos[I2(x,y)]}230进行傅里叶变换得到其频谱分布，选取适当的通频带进行低通滤波，并将滤波结果采用逆傅里叶变换转换为空域信息，记为{arccos[I2(x,y)]}230′；
对{arccos[I2(x,y)]}230进行傅里叶变换，得到图9中的a，根据测量对象选取适当的通频带，对图9中的a作低通滤波，对滤波结果进行逆傅里叶变换得到空域图像，记为{arccos[I2(x,y)]}230′，如图9中的b所示，其中，所有的下降曲线段即为经过处理后的误差曲线段，图中平行于x轴的直线为参考线。图9中的b第i个下降曲线段与参考线的交点即为该段误差区间[Ei]23的中点，(图9中的b用箭头标出了部分误差区间的中点)。由图9中的b，误差区间[Ei]23中点左侧部分曲线值大于零，该部分需要进行翻转，中点右侧部分曲线值小于零，该部分则不需要进行翻转；
Step6.通过判断{arccos[I2(x,y)]}230′中误差曲线段值的正负，构造翻转判断矩阵，记为L(x,y)，用于判断{arccos[I2(x,y)]}23中每一区间的曲线是否需要翻转。
图9中的b误差区间[Ei]23中点左侧部分曲线值大于零，该部分原本需要进行翻转，但采用双波长法进行判断时，未能翻转，因此需要进行翻转校正，误差区间[Ei]23中点右侧部分曲线值小于零，该部分不需要进行翻转。若{arccos[I2(x,y)]}230′中误差曲线段的值为正，则令L(x,y)矩阵中相应位置的值为-1，其余位置值为1得到L(x,y)如图10所示。将L(x,y)与{arccos[I2(x,y)]}23相乘，将误差区间[Ei]23中点的左侧部分翻转，右侧部分保持不变，使得{arccos[I2(x,y)]}23的误差得到修正，得到仅具有跳跃间断点的图像{arccos[I2(x,y)]}23′，如图11所示；
Step7.对{arccos[I2(x,y)]}23′采用相位解包裹算法进行相位去包裹处理，可拼接出连续的条纹分布，记为{arccos[I2(x,y)]}23F，即[arccos(1-2Img2)]23F(见图12)，待测样品5的主应力差大小σ(x,y)满足如下关系式：
所述步骤三运用相位解包裹技术求解待测样品5的主应力方向θ，具体过程如下：
其中，I20、I30分别表示波长λ2与波长λ3照明时的照明光强。所以故对θ采用相位解包裹算法处理即可得到待测样品实际的应力方向。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。