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0.001 mm。

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0.001 mm。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析，再寻找确定的极值点，即条纹中心。分析噪声的特征可发现：噪声会使极值的附近出现单调性的两次变换，即由单调递减变化为单调递增再快速恢复到单调递减（如A点和B点），或者由单调递增变化为单调递减再快速恢复到单调递增（如C点和D点）。而与条纹中心对应的极值点在极值附近只会出现单调性的一次变换，而不是两次。因此软件处理中可依据该特征对噪声进行判断并排除，以确保准确找到条纹中心。工作流程如图5所示。开启系统，单片机自检进入工作状态，然后单片机从ADC0804模数转换器中读入采样信号，并对信号数据进行噪声分析和极值判断，即完成一个点的光强测试及分析。然后对下一个点进行相同操作，直到获得两个极小值，最后输出测量结果。为保证测量结果的可靠性，可以进行多次测量。

2测量精度与采样精度Δl测量精度是任何测量的关键所在。系统中硬件由多种元器件组成，配置不同，测量精度有较大区别。该系统的测量精度由采样精度Δl决定，所以必须选择合适的采样精度Δl。系统中选择的采样精度为0.150 0 mm，被测物体的测量精度可达0.001 mm甚至更高。根据实验条件，当放大倍数M=1时，为获得便于观察的再现条纹图，一般被测物体的位移X变化在0.005～0.025 mm范围内，L的取值在200～500 mm之间。根据公式X=λLlM，其中λ=632.8 nm，若取M=1，L=250.0 mm，l、X的单位均为mm，则：X=0.158 2l。由该反比例函数可知，随着l的增大，X的变化越来越慢。如表1所示，当l从6.150开始以0.150 0递增时，引起X的变化ΔX从0.000 61开始递减至0.000 43。对此可以理解为当被测物体的位移量X为0.025 72 mm时，测得条纹间距l为6.150 mm；位移量为0.025 11 mm时，测得间距为6.300 mm；位移量在0.025 72和0.025 11之间时，测量结果为6.150和6.300其中之一。由此可得出以下结论：当位移量的变化不小于0.000 61 mm时，在0.150 0 mm的采样精度下就能识别并将两个不同大小的位移量区分出来。因此可认为当测量精度要求为0.001 mm（>0.000 61）时，0.150 0 mm的采样精度可以满足测量要求。对比0.000 43和0.000 61可知，当位移量X较小时，l相同幅度的递增引起的ΔX较小，即识别精度较高，因此该技术比较适用于微位移的测量。

3实验测量测量时需要调整系统的测量方向，保证光敏电阻的扫描路径与散斑图样平面平行，并且垂直干涉条纹。目前采用的方法是将测量系统放置在一个三维可调平台上，首先在水平方向旋转调节系统方向，找到使测量值l最小的方向，此时扫描路径与散斑图样平面平行；然后在垂直方向旋转调整系统方向，再次找到使测量值最小的方向，此时扫描路径与干涉条纹垂直。

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