大面积全场离面位移高分辨测试技术研究

This project plans to develop a set of projection Moiré system. It projects grid line directly on the surface of specimen and forms a grating of which pitch is adjustable on the large area through light source and projection grating. At the same time, the specimen grating can be imaged precisely on its image plane and the Moiré fringes are formed by overlaying the specimen grating with reference grating. The modulation of grid line resulted from the changes of out-of-plane displacement transforms into the changes of Moiré fringes. Its biggest advantage and characteristic is that the imaging system is applied to image the specimen and grating of large area precisely, and the changes of gird line, a result of the out-of-displacement of the specimen, transform into the changes of Moiré fringes. In this way, the out-of-displacement of the specimen is amplified with no distortion. Then the full-field out-of-plane displacement can be acquired through image processing. This system is applied to the measuring area of 3m×3m with a resolution of 10μm, so that measurement of full-field out-of-plane displacement of large area can be achieved.

本项目拟研制一套投影云纹系统，通过光源和投影光栅，将栅线直接投影到被测试件的表面形成超大面积上栅距可调的光栅；同时成像系统将试件表面的光栅精确成像在其像平面上，并在此与参考光栅上叠加形成Moiré条纹，将整个面积上的离面位移的变化对栅线的调制转化为Moiré条纹的变化。其最大优点和特色是应用成像系统把超大面积的光栅和试件精确成像，解决测量范围问题；同时因试件表面上微小变化所导致的光栅栅线的变形转化为Moiré条纹的变化，将这种微小变形无失真的放大，再通过图像处理得到全场的离面位移。在3m×3m的面积上的离面位移分辨率可达到10μm左右，以实现大面积上微小离面位移的全场测试。

超大型结构在航天航空、化工、土木工程等许多领域有着广泛地应用和需求,它的全场变形影响着其使用性能和安全性，如星载天线的离面位移严重影响其对地观测分辨率。而目前针对大面积高分辨率全场离面位移的测试方法很难满足需求。.研制成功的投影云纹系统，将光栅投影到超大型结构表面形成试件栅，同时成像到接收系统的参考光栅上叠加形成moiré条纹，将整个面积上的离面位移的变化对栅线的调制转化为moiré条纹的变化。其最大优点和特色是应用成像系统把超大面积的光栅和试件精确成像，解决测量范围问题；因试件表面上微小变化所导致的光栅栅线的变形转化为moiré条纹的变化，即把微小变形无失真的放大，再通过图像处理得到全场的离面位移。在3m×3m 的面积上分辨率可达到10μm 左右，实现全场大面积上微小离面位移的高分辨率测试。.主要成果包括：1. 提出一种全新的任意坐标系下投影云纹测量离面位移的理论和方法。该方法包括理论公式推导、位相与离面位移的关系等。2. 针对新模型中moiré条纹的相位和离面位移的非线性关系，提出两种全场灵敏度系数标定方法，将大位移下的测量误差减小了85%，相对误差缩小到1.0%以内。3. 提出两种减小图像相位处理误差方法：离散傅立叶级数重构法和四重四步相移法，将投影栅线和投影云纹测试的相位分辨率大幅度提高到0.01-0.015rad，离面位移的测量分辨率大幅度提高。此外，发表期刊论文20篇，其中SCI检索14篇；申请发明专利1项。培养研究生12名，毕业3名博士、5名硕士。.本项目研发的任意坐标系下投影云纹系统及全场灵敏度系数标定方法和图像相位处理方法不仅极大地提高了投影云纹的测量范围与分辨率，而且实验操作更加方便，为超大型结构变形的高精度测试提供了可靠的实验技术。