摘要： 為了測(cè)量散斑干涉條紋，從而計(jì)算出被測(cè)物體的微位移，提出了一種基于AT89S52芯片的解決方案。運(yùn)用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，精準(zhǔn)控制光敏傳感器的移動(dòng)，利用傳感器判定暗條紋中心，結(jié)合軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，獲得再現(xiàn)干涉條紋間距。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案對(duì)散斑位移的測(cè)量精度可達(dá)0.001 mm。

關(guān)鍵詞： 微位移測(cè)量； 相干光學(xué)； 單片微型計(jì)算機(jī)； 步進(jìn)電機(jī)； 光敏傳感器

引言傳統(tǒng)的散斑照相法通過(guò)攝取雙曝光散斑圖，然后再現(xiàn)散斑圖像即楊氏條紋，并測(cè)量條紋間距，再利用測(cè)量光路的相關(guān)參數(shù)，可得出物體的面內(nèi)微位移。該技術(shù)具有非接觸、高精度的特點(diǎn)，在無(wú)損檢測(cè)[1]、應(yīng)變[23]、振動(dòng)[4]和位移[5]等測(cè)量中獲得了廣泛應(yīng)用。目前電子散斑的研究主要建立在數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)上[69]，對(duì)CCD采樣后的數(shù)字圖像進(jìn)行分析和計(jì)算，該技術(shù)省去了傳統(tǒng)方法中干版顯影、定影的化學(xué)濕處理過(guò)程，但測(cè)量精度依賴CCD技術(shù)指標(biāo)和圖像處理算法。運(yùn)用單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)（簡(jiǎn)稱MCU技術(shù)）和光敏傳感器進(jìn)行直接測(cè)量，測(cè)量方法簡(jiǎn)單，計(jì)算精度可達(dá)0.001 mm。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1光學(xué)記錄與再現(xiàn)系統(tǒng)散斑照相的光路如圖1所示。激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡Lk擴(kuò)束，均勻照射在試件毛玻璃S上，再經(jīng)過(guò)成像透鏡Lc，最終成像在全息底片H上。

當(dāng)試件S被加載位移后，散斑圖像將隨著物體作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。如果用同一干版對(duì)物體位移前后的兩種狀態(tài)作兩次曝光記錄，則在底片上就得到了兩幅散斑圖的迭加干涉形成的雙曝光散斑圖。將記錄底片H放在如圖2所示的光路中，激光光束通過(guò)底片H后在觀察屏上形成干涉條紋，這種條紋稱為楊氏條紋。設(shè)激光波長(zhǎng)為λ，散斑照片到觀察屏的距離為L(zhǎng)，雙孔間距為d，相鄰條紋的間距為l，由楊氏雙孔實(shí)驗(yàn)可知，如照相時(shí)物的放大率是M，物體的位移量為X，則：X=dM=λLlM（1）其中位移方向與所觀察到的條紋相互垂直。光學(xué)儀器第35卷

第3期盛偉，等：散斑干涉條紋測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

條紋間距l(xiāng)是散斑測(cè)量的關(guān)鍵物理量。傳統(tǒng)方法是通過(guò)人眼直接觀察并測(cè)量，由于條紋明暗連續(xù)變化，直接觀察法存在很大的誤差。目前電子散斑主要是依據(jù)數(shù)字圖像處理技術(shù)，利用CCD采樣替代傳統(tǒng)的膠片記錄，然后用PC對(duì)采集圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，最終得出條紋間距l(xiāng)，該方法使測(cè)量計(jì)算較為方便。但是作為關(guān)鍵測(cè)量部件的CCD，其技術(shù)指標(biāo)不同，測(cè)量精度有很大的差別，一般來(lái)說(shuō)，指標(biāo)越高的CCD成本也越高。另外運(yùn)用PC也不便于產(chǎn)品的集成小型化。本文介紹一種新的方法，運(yùn)用MCU技術(shù)配合光敏傳感器自動(dòng)判定條紋中心，得到較高精度的條紋間距l(xiāng)。該設(shè)計(jì)方案不僅利于儀器的集成化和便攜化，而且成本較低。

1.2楊氏條紋測(cè)量系統(tǒng)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件控制光敏傳感器掃描光強(qiáng)分布，并將模擬的光強(qiáng)信號(hào)數(shù)字化，最終接入單片機(jī)。軟件對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，消除噪聲，判斷極值點(diǎn)，找出相鄰的兩個(gè)暗條紋中心，計(jì)算出條紋間距l(xiāng)。

1.2.1系統(tǒng)硬件部分系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖3所示，主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（A區(qū)域）、光敏傳感電路（B區(qū)域）、單片機(jī)（AT89S52）和顯示器（圖中未標(biāo)出）組成。光敏傳感電路由光敏電阻Ra與分壓電阻Rb串聯(lián)而成，Ra的阻值隨著光照強(qiáng)度的減弱而增大。其中光敏電阻的受光面是面區(qū)域，因此O點(diǎn)的電壓值反映了光敏電阻受光面所在區(qū)域的光照情況。所說(shuō)的條紋中心，實(shí)際是條紋中心區(qū)域，而非中心點(diǎn)。因?yàn)槭芄饷媸枪潭ú蛔兊?，所以由條紋中心區(qū)域判斷得到的條紋間距與由條紋中心點(diǎn)得到的間距效果相同。傳感電路將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，以供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因此傳感電路的靈敏度（尤其是條紋中心附近的靈敏度）關(guān)系到條紋間距l(xiāng)的測(cè)量精度。因?yàn)闂l紋中心附近光強(qiáng)變化相對(duì)不明顯，且光敏電阻在暗光區(qū)域?qū)鈴?qiáng)變化更為敏感，所以選擇識(shí)別暗條紋中心并由此計(jì)算條紋間距。為保證暗條紋中心判斷的準(zhǔn)確性，除了需要高靈敏度的光敏電阻Ra外，Rb的阻值對(duì)條紋中心的判斷也有一定的影響。當(dāng)Ra的阻值與Rb相差較大時(shí)，O點(diǎn)電壓隨Ra的變化并不明顯；當(dāng)兩者相近時(shí)，O點(diǎn)電壓對(duì)Ra的變化則比較敏感，因此Rb的阻值應(yīng)與光敏電阻處于條紋中心時(shí)的阻值相近。其它一些因素也會(huì)影響到對(duì)條紋中心的準(zhǔn)確判斷，設(shè)計(jì)時(shí)并未一一考慮，而是依據(jù)系統(tǒng)的測(cè)量效果來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的合理性。其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是：對(duì)一確定的散斑圖樣進(jìn)行多次測(cè)量，觀察測(cè)量結(jié)果是否唯一，或者結(jié)果的波動(dòng)是否足夠小。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可達(dá)到以上要求，即測(cè)量結(jié)果較為穩(wěn)定。

1.2.2軟件部分每個(gè)條紋中心都對(duì)應(yīng)一個(gè)極值點(diǎn)，軟件的功能就是排除噪聲干擾并自動(dòng)識(shí)別這些極值點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)條紋間距l(xiāng)的測(cè)量和微位移X的計(jì)算。由于測(cè)量條件的限制，如激光器的穩(wěn)定性、實(shí)驗(yàn)室的光照環(huán)境等因素，硬件采集的數(shù)據(jù)不可避免地會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)噪聲。噪聲的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致采樣的光強(qiáng)分布函數(shù)出現(xiàn)不確定的極值點(diǎn)，如圖4中A、B、C、D各點(diǎn)。顯然這種極值點(diǎn)并不對(duì)應(yīng)條紋中心。因此需先對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲分析，再尋找確定的極值點(diǎn)，即條紋中心。分析噪聲的特征可發(fā)現(xiàn)：噪聲會(huì)使極值的附近出現(xiàn)單調(diào)性的兩次變換，即由單調(diào)遞減變化為單調(diào)遞增再快速恢復(fù)到單調(diào)遞減（如A點(diǎn)和B點(diǎn)），或者由單調(diào)遞增變化為單調(diào)遞減再快速恢復(fù)到單調(diào)遞增（如C點(diǎn)和D點(diǎn)）。而與條紋中心對(duì)應(yīng)的極值點(diǎn)在極值附近只會(huì)出現(xiàn)單調(diào)性的一次變換，而不是兩次。因此軟件處理中可依據(jù)該特征對(duì)噪聲進(jìn)行判斷并排除，以確保準(zhǔn)確找到條紋中心。工作流程如圖5所示。開(kāi)啟系統(tǒng)，單片機(jī)自檢進(jìn)入工作狀態(tài)，然后單片機(jī)從ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器中讀入采樣信號(hào)，并對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲分析和極值判斷，即完成一個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)測(cè)試及分析。然后對(duì)下一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行相同操作，直到獲得兩個(gè)極小值，最后輸出測(cè)量結(jié)果。為保證測(cè)量結(jié)果的可靠性，可以進(jìn)行多次測(cè)量。

2測(cè)量精度與采樣精度Δl測(cè)量精度是任何測(cè)量的關(guān)鍵所在。系統(tǒng)中硬件由多種元器件組成，配置不同，測(cè)量精度有較大區(qū)別。該系統(tǒng)的測(cè)量精度由采樣精度Δl決定，所以必須選擇合適的采樣精度Δl。系統(tǒng)中選擇的采樣精度為0.150 0 mm，被測(cè)物體的測(cè)量精度可達(dá)0.001 mm甚至更高。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，當(dāng)放大倍數(shù)M=1時(shí)，為獲得便于觀察的再現(xiàn)條紋圖，一般被測(cè)物體的位移X變化在0.005～0.025 mm范圍內(nèi)，L的取值在200～500 mm之間。根據(jù)公式X=λLlM，其中λ=632.8 nm，若取M=1，L=250.0 mm，l、X的單位均為mm，則：X=0.158 2l。由該反比例函數(shù)可知，隨著l的增大，X的變化越來(lái)越慢。如表1所示，當(dāng)l從6.150開(kāi)始以0.150 0遞增時(shí)，引起X的變化ΔX從0.000 61開(kāi)始遞減至0.000 43。對(duì)此可以理解為當(dāng)被測(cè)物體的位移量X為0.025 72 mm時(shí)，測(cè)得條紋間距l(xiāng)為6.150 mm；位移量為0.025 11 mm時(shí)，測(cè)得間距為6.300 mm；位移量在0.025 72和0.025 11之間時(shí)，測(cè)量結(jié)果為6.150和6.300其中之一。由此可得出以下結(jié)論：當(dāng)位移量的變化不小于0.000 61 mm時(shí)，在0.150 0 mm的采樣精度下就能識(shí)別并將兩個(gè)不同大小的位移量區(qū)分出來(lái)。因此可認(rèn)為當(dāng)測(cè)量精度要求為0.001 mm（>0.000 61）時(shí)，0.150 0 mm的采樣精度可以滿足測(cè)量要求。對(duì)比0.000 43和0.000 61可知，當(dāng)位移量X較小時(shí)，l相同幅度的遞增引起的ΔX較小，即識(shí)別精度較高，因此該技術(shù)比較適用于微位移的測(cè)量。

3實(shí)驗(yàn)測(cè)量測(cè)量時(shí)需要調(diào)整系統(tǒng)的測(cè)量方向，保證光敏電阻的掃描路徑與散斑圖樣平面平行，并且垂直干涉條紋。目前采用的方法是將測(cè)量系統(tǒng)放置在一個(gè)三維可調(diào)平臺(tái)上，首先在水平方向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方向，找到使測(cè)量值l最小的方向，此時(shí)掃描路徑與散斑圖樣平面平行；然后在垂直方向旋轉(zhuǎn)調(diào)整系統(tǒng)方向，再次找到使測(cè)量值最小的方向，此時(shí)掃描路徑與干涉條紋垂直。

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