关键词:
散斑干涉
微应变
工业设计
商品化
四步相移法
压电陶瓷
摘要:
随着科技的发展,人类对未知领域的探索也日益深入,小到微观世界,大到宏观宇宙,测量在其中扮演着重要的角色。剪切散斑干涉技术,作为非接触式测量的重要组成部分,在测量领域有着举足轻重的作用。这主要归功于它可以在不损伤物体表面的情况下,高精度的获取受测物体表面变化信息,该技术被广泛用于无损检测、应变检测等多个领域。然而,现阶段剪切散斑干涉技术多围绕光路的改进进行研究,测量系统为实验室内搭建的光学系统,这些系统占用空间大、不易移动,多数仅可用于实验室内的测量实验,未考虑系统的实用性。部分用于工业中的检测装置同样面临体积大、移动困难的问题,也不具备商品化的特点。除此以外,由于散斑干涉测量系统是一种包含光学、机械、控制等多学科交叉的系统,获取的散斑干涉图像的质量直接受相移技术中压电陶瓷的位移精度影响,但是由于压电陶瓷迟滞性等的特点,控制难度大。针对上述问题,在课题背景下,本文基于经典的迈克尔逊剪切散斑干涉光路,开展了一款微应变测量系统的设计与研究,设计出的测量系统不仅具有便携性、模块化、集成化的特点,而且更关注产品外观与人机交互的设计,使其具备商品化的特点。除此以外,还对整机的控制系统进行深入的研究,优化了压电陶瓷控制系统的精度,使得产品功能的实现得到了保证。本文的研究内容主要包括以下四个方面的工作:(1)依据整机系统的功能及技术指标要求,逐步开展光学系统的设计及器件选型、光机系统的模块化设计与工控系统结构设计,并对包含主体光路的光机模块进行仿真分析及优化,使得设计结果具有便携性、模块化、小形化的特点。最后,基于整机系统的光机电一体化设计结果,对各个模块展开外观的工业设计,使得整机系统外观美观与整洁,具备商品化的特点。(2)依据激光剪切散斑干涉微应变测量系统的实际使用需求,首先开展了光学系统的相移设计,最终选择四步相移法作为系统的相移策略。其次对相位图的滤波方法进行深入的研究,确定了基于正余弦滤波方法的图像滤波方案,并对解包裹处理与变形量解算方案进行设计。最后,基于整体的图像处理方案,完成了整机控制方案的设计,并对控制系统的对象进行论述,对系统控制流程进行了规划,为后续的用户软件设计打下了基础。(3)针对系统获取的散斑干涉图像质量受相移技术中压电陶瓷位移精度影响,而压电陶瓷控制难度大的问题,对压电陶瓷控制策略进行深入研究。研究内容首先基于压电陶瓷的工作原理及特性进行分析,同时对常用的迟滞模型建模理论进行研究。其次,以实际的压电陶瓷选型设备进行迟滞模型的设计与样本采集,最终通过仿真验证实验选择五阶多项式拟合模型为系统压电陶瓷的迟滞模型。最后,对于整机系统的压电陶瓷控制系统的控制策略进行设计,提出了一种基于BP神经网络PID参数整定的复合控制器,以实现控制方案的优化。(4)依据已完成的研究与设计成果,进行系统的软硬件一体化设计及实验。主要工作包括:硬件接口及通讯设计、基于C#与matlab双平台混合编程的用户软件设计、压电陶瓷复合控制器的仿真实验验证、基于光学平台的系统性能验证实验和基于整机系统装配的功能验证实验。最终的实验结果表明,本文提出的压电陶瓷控制系统复合控制策略较传统的复合控制器的精度得到了提升,本文设计的光学系统性能稳定,达到了设计指标的要求,最终完成装配后的整机系统功能完善,可以完成微应变测量工作,达到了可以产品化的设计目的。