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高分辨率的云纹干涉进行定量,低成本,表面轮廓实时

  • 项目类型: 针对
  • 针对项目贡献者: 学家约西亚Steckenrider,J。斯科特Steckenrider

目的/抽象

该项目包括廉价的手持式系统的发展来衡量喷气飞机紧固件齐平度。

引言/背景

The Air Force had an interest in developing an instrument for measuring the relative surface height of fasteners (rivets, screws, etc.) on its aircraft with a precision of 0.0005” (~1/8 a human hair width) without making contact with the surface being inspected. At the extremely high speeds at which many military aircraft are designed to fly, even the smallest protrusion or recess of a small rivet or screw head can cause significant turbulence in flight. Thus, the Air Force requested proposals from for an instrument design that would be hand-held and could ultimately be built in mass production for $5,000. Although there are already instruments available that meet this need, they cost significantly more (>$100,000) and are exclusively bench-top systems that cannot operate “in the field.” We proposed that we use the phenomenon of Moiré Interferometry to construct a system to meet the requirement using materials available in the lab here at Taylor. Over two summers we worked in a faculty-student collaborative research project to successfully develop a technology that meets the Air Force’s stated specifications, albeit in a bench-top format.

方法

我们云纹干涉方法研制的仪器工作。云纹干涉是发生的现象当两个像但是稍微改变的图案重叠,如期待通过时发生纯粹的窗帘的两层覆盖的窗口。即使在纯粹的单丝太细的决心,当两层重叠亮和暗带的更粗的图案,由于这些线程的轻微错位出现,并ESTA粗模式是眼睛克利可见。 ESTA在图1中,其中,顶部的两个略微不同的图案重叠,以形成底部图案重复,其结构(莫尔条纹)被示出的交互的示例是比任一组成图案本身的更粗糙。这些明亮和暗带的波纹图案代表,并提供详细的信息关于线程的路线,即使他们不能直接看出端倪。我们的项目涉及光学突出的极细一个图案施加到线的物体的轮廓表面,如四分之一的面,并在数码相机的重叠即图案(或更准确地即图案的图像)到极其精细的线条焦阵列。什么样的结果是亮带和暗带的摄像机图像中的粗略图案表示所述表面的轮廓,很像一个地理地图上的地形线。通过定量地测量莫尔这些图案我们可以测量表面的高度低于一英寸的1 /第千一个精度。有ESTA证明能力,我们随后转变的技术在2015年学年为原型设备设计和工程专业的学生在我们的高级顶点课程建设。由于该系统涉及计算机硬件,软件,机械和电子部件它非常适合用于计算机,电气和机械工程专业物理学的多学科团队的工作在我们的跨学科项目的课程在一起。

结果

以证明我们的方法是有效的,这个过程是在实时(即在30帧/秒的普通视频帧速率)在美国季度200微米(0.008“)的顺序上的突起开展。图2示出了四分之一的使用白光和用于投射和成像正弦条纹远心镜头获得的轮廓。四分之一美元是可区分的克利,和头发甚至丝条是可见的表面上的每个单个字母。平坦的标准偏差在硬币区域是2.85μm,最小可检测,使得步长大小(12.7μm)是从平均4.46标准偏差远,这意味着所需的最小特征尺寸,以满足12.7微米偏差的所要求的灵敏度将是两个像素在一个640×480像素的图像。因为有关紧固件将占据显着图像的较大百分比,这种方法已经证明超过足够的灵敏度,以满足所要求的性能CH aracteristics。

结论

Our system has demonstrated that it can provide hand-held, portable, real-time surface height quantification of surface features with lateral resolution of <50 µm and micron-scale height resolution. Furthermore, the system relies only on relatively inexpensive commercially available hardware, and can therefore be constructed for under $5,000.

资源/链接

学家约西亚Steckenrider和j。斯科特Steckenrider,“用于高分辨率量化,低成本,实时表面profilometry-云纹干涉,”应用光学,54(28),第8298-8305(2015)