一个基督教文科大学,EST。1846

高分辨率的云纹干涉进行定量,低成本,实时表面轮廓

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

目的/抽象

该项目涉及一种廉价的手持式系统的发展来衡量喷气飞机紧固件齐平度。

引入/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

仪器我们云纹干涉的方法开发的作品。莫尔干涉是当两个相似但稍微改变图案重叠时发生的现象,例如查找通过纯粹的窗帘的窗户遮盖件的两层时,会发生。即使在纯粹的各个线程太细的决心,当两层重叠的亮区和暗带的更粗的模式出现,由于这些线程的轻微错位,而这种粗糙模式是清晰可见的眼球。这种相互作用的实例示于图1,其中顶部的两个略微不同的图案重叠以形成底部图案,其重复结构(莫尔条纹)是比任一组成图案本身的更粗糙。这些亮带和暗带表示莫尔图案,并提供有关该线程的比对的详细信息,即使它们不能被直接辨别。我们的项目涉及光学突出的极细线的图案到物体的轮廓表面,如四分之一的面,并在数码相机的覆盖该图案(或更精确地说图案的图像)到极其精细的线条焦阵列。什么样的结果是摄像机图像中的亮带和暗带表示所述表面的轮廓,很像一个地理地图上的地形线的粗图案。通过定量地测量这些莫尔图案我们可以测量表面的高度低于一英寸的1 /第千精度。已经证明了这种能力,我们随后在2015学年到一个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过渡技术。由于系统涉及计算机硬件,软件,电子和机械部件它非常适合于电脑,电器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

证明我们的方法的有效性,此过程是在实时(即,在30帧/秒的正常视频帧速率)与200微米(0.008" )的数量级上的突起上的我们季度进行。图2中示出了使用白光和用于投射和成像正弦条纹远心镜头获得的四分之一的轮廓。四分之一美元的表面上的每个单独的字母是清晰可辨的,和头发甚至丝条是可见的。平坦的标准偏差在硬币区域是2.85μm,因此,最小可检测步长大小(12.7μm)是从平均4.46标准偏差远,这意味着最小特征尺寸需要满足的12.7微米偏差的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图像的显著更大百分比,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,“高分辨率莫尔干涉进行定量,低成本,实时表面轮廓”,应用光学,54(28),第8298-8305(2015)