【正文】 清華大學2012屆畢業(yè)論文1 緒論 研究背景及意義溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是國際單位制中七個基本物理量之一，它與人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究有著密切關系[1]。隨著科技的迅速發(fā)展，高溫、超高溫、低溫、超低溫等非常態(tài)實驗及工程應用越來越多，越來越復雜；另一方面，武器型號、重大裝備及精密制造技術的發(fā)展也需要進行溫度場的檢測研究。科學技術發(fā)展日新月異，行業(yè)需求不斷提高，對溫度測量的精確度要求也越來越高，因此溫度場的測量研究一直都受到人們的廣泛關注。溫度的測量方法有很多，目前常用的測溫方法主要有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。在非接觸測溫方法中，光學測溫技術[2]，是近十幾年發(fā)展起來的一門全新的測試技術，其基本原理是利用溫度的變化所引起的光學性質(zhì)的變化來測量并計算出該物理量。光學測溫法由于不與被測物體直接接觸，不會對被測物體產(chǎn)生干擾，并且具有時間和空間分辨率高以及能實現(xiàn)現(xiàn)場實時測量等優(yōu)點，成為國內(nèi)外研究的熱門[3]。本課題主要研究基于數(shù)字散斑干涉法的一種溫度測試技術，是光學測溫方法的一種全新技術。 溫度測試技術發(fā)展現(xiàn)狀由于溫度與科學研究及國民經(jīng)濟中工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關，近年來，國內(nèi)外各種溫度測試技術層出不窮，按照大的方向劃分，可分為接觸式測溫和非接觸測溫兩大類，[4]。下面分別介紹兩類測溫方法的原理及特點。光譜法測溫聲波微波法測溫溫度測試方法接觸式測溫方法非接觸式測溫方法膨脹式測溫電量式測溫接觸式光熱測溫輻射式測溫激光干涉測溫 溫度測量方法分類接觸式測溫方法包括膨脹式測溫、電量式測溫和接觸式光電、熱色測溫等幾大類。接觸測溫法在測量時需要與被測物體或介質(zhì)充分接觸，利用熱傳導原理，使兩者之間進行充分的熱交換，最后達到熱平衡。這時感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對象的溫度值。通常來說，接觸式測量儀表比較簡單，測試結(jié)果直觀可靠，儀器價格相對低廉，因而在實際生活中得到了廣泛的應用。但是接觸式測溫方法的缺點也很明顯，由于測溫元件與被測物體需要進行充分的熱交換，所以需要一定的時間才能達到熱平衡，因而存在測溫延遲現(xiàn)象。同時受到耐高溫和耐低溫材料的限制，不能應用于某些極端環(huán)境的溫度測量；另外在測量過程中，測量器件與溫度場直接接觸，會導致待測溫度場的自身獨立性受到破壞，加之測量時接觸不良等現(xiàn)象的存在，這些都會給測試結(jié)果帶來一定的誤差。 非接觸式測溫方法不需要與被測對象直接接觸，因而不會干擾溫度場，保證了溫度場本身的真實性；而且測溫范圍很廣，不受測溫上限的限制，動態(tài)響應特性一般也很好，可以實現(xiàn)實時性，全場性測量。但是這種方法會受到被測對象表面狀態(tài)或測量介質(zhì)物性參數(shù)的影響。非接觸測溫方法主要包括輻射式測溫、光譜法測溫、激光干涉式測溫以及聲波測溫方法等。由于科技的進步，近年來某些極端環(huán)境下溫度的研究得到快速發(fā)展，加上熱輻射技術以及光學精密儀器的不斷更新進步，非接觸測溫方法在此基礎上大顯身手，成為近些年研究的重點[5]。雖然溫度測量方法多種多樣，但在很多情況下，對于實際工程現(xiàn)場或一些特殊條件下的溫度測量[4]，比如對極端低溫或高溫環(huán)境溫度、腐蝕性介質(zhì)溫度、流體或固體表面溫度、固體內(nèi)部溫度分布、微小尺寸目標溫度、生物體內(nèi)溫度、大空間溫度分布、強電磁場干擾條件下溫度測量來講，要想得到準確可靠的結(jié)果并非易事，需要非常熟悉各種測量方法的原理及特點，結(jié)合被測對象要求選擇合適的測量方法才能完成。同時，還要不斷探索新的溫度測量方法，改進原有測量技術，來滿足各種條件下的溫度測量需求。 數(shù)字散斑干涉技術發(fā)展概況 數(shù)字散斑干涉技術發(fā)展歷程散斑現(xiàn)象早在1914年就被人們發(fā)現(xiàn)，但一直未予以重視。到了20世紀40年代英國學者Denis Gabor提出全息術[6]，但是由于散斑的存在，影響了全息圖的質(zhì)量，散斑由此引起人們的關注，并開始作為一種噪聲得到了系統(tǒng)的研究，對此進行大量的工作是試圖如何消除散斑效應。1962年貝爾實驗室的Rigden和Gordon首先解釋了激光散斑現(xiàn)象的產(chǎn)生[7]。當用相干性很好的光（如激光）照射漫反射表面時，漫反射表面形成無數(shù)小光點，類似于點光源，它們反射的光彼此相互干涉，并在物體表面前方的空間形成了無數(shù)隨機分布的點，人們把這些相干的亮點和暗點稱為散斑，把這種隨機分布的散斑結(jié)構(gòu)稱為散斑場[8]。隨后1969年英國學者Leenderz在國際光學會議上提出了利用散斑檢測粗糙表面的光學干涉方法——散斑干涉測量法（Speckle Interferometry）[9]。在早期的檢測中,由于散斑干涉測量法采用全息干板作為記錄介質(zhì)，需要復雜的后期光學濾波和數(shù)據(jù)處理工作，因此導致該技術難以得到推廣。1971年英國學者Butter和Leenderz[10]以及美國學者Makovski[11]相繼成功的以電視攝相機取代了全息干板的使用，視頻檢測技術的引進使得采用可視化方式來記錄并處理靜態(tài)和動態(tài)光學粗糙表面的位移成為可能，這種技術被稱為電子散斑干涉測量法(ESPI)。數(shù)字散斑干涉技術(DSPI)是在電子散斑干涉計量技術上發(fā)展起來的，其特點就是將電子信號進行數(shù)字化和數(shù)據(jù)處理，信息以數(shù)字圖像的形式記錄下來，存儲在計算機中。它通過把物體變形前后的散斑圖量化為數(shù)字圖像，存貯在幀存體中，由計算機用數(shù)字的方法對它進行運算，從而在監(jiān)視器上再現(xiàn)干涉條紋圖。數(shù)字散斑干涉減小了電子散斑的噪聲，大大提高了干涉條紋的清晰度。1980年Nakadate[12]首次實現(xiàn)并得到512x512列陣的數(shù)字散斑干涉條紋，但直到1984年才由Creath正式提出來并作為一種新技術加以推廣，數(shù)字圖象列陣也逐步發(fā)展到今天的512x512或1024x1024，灰度等級發(fā)展到256，而且以微機和圖像板取代了原始的大型數(shù)字圖象處理系統(tǒng)。目前，該技術逐步代替了以往的用電子處理方法的電子散斑干涉法。但在習慣上，人們往往將用電子處理方法實現(xiàn)的電子散斑干涉法(ESPI)和用數(shù)字處理方法實現(xiàn)的數(shù)字散斑干涉法(DSPI)統(tǒng)稱為電子散斑干涉法(ESPI)。 我國對數(shù)字散斑干涉技術的研究和應用起步比較晚，所以在技術和產(chǎn)品化方面處于學習和創(chuàng)新的初步發(fā)展階段，經(jīng)過不懈努力，也取得了一定的研究成果。例如，八十年代末，天津大學秦玉文教授[13]首次提出使用渥爾德棱鏡作錯位鏡，解決了雙像光強不等的問題。之后又把視頻技術、計算機技術引入錯位散斑干涉術，從而形成了數(shù)字錯位散斑干涉術。1996年，天津大學的佟景偉、張東升[14,15]等人對撞擊載荷下數(shù)字散斑離面位移的測試進行了研究，實現(xiàn)了撞擊載荷下的數(shù)字散斑干涉，使條紋質(zhì)量大大提高等。經(jīng)過近幾十年的研究和發(fā)展，數(shù)字散斑干涉測量技術已經(jīng)成為一種比較成熟的高精度無損測量技術，廣泛應用于振動、位移、形變、斷裂及粗糙度等的測量，成為當前國際上的熱門研究課題之一。 數(shù)字散斑干涉技術的特點數(shù)字散斑干涉技術是一種測量光學粗糙表面位移或變形等物理量的干涉測量技術，具有波長量級的靈敏度，廣泛應用在無損檢測中。由于它綜合了現(xiàn)代發(fā)展的多項技術:激光技術、視頻技術、電子技術、計算機技術、信息與數(shù)字圖象處理技術及精密測試技術，因此數(shù)字散斑干涉技術具有如下特點[16]:(l)它采用CCD攝像機和電子存儲器取代了全息干板記錄物面散斑場的光強信息，可實現(xiàn)實時顯示干涉條紋，實時處理信息，快速方便；(2)它使用的圖像采集卡(Frame Grabber Board)速率快，采集散斑場信息快速及時，從而對工作環(huán)境的要求大大降低。測試過程中不需要防震處理，可以走出實驗室，進入現(xiàn)場測試；(3)它采用相減模式處理干涉散斑場，可消除一般雜散光的影響，所以它可以在明室下操作，這給工作人員帶來了方便；(4)數(shù)字散斑條紋圖能夠以數(shù)字形式存入幀存介質(zhì)中，便于條紋的后期處理，再結(jié)合計算機軟件技術，使條紋自動分析成為可能，為實現(xiàn)條紋自動化測量創(chuàng)造了良好的條件。 本課題研究意義溫度的改變會引起物體自身的微小變形，這種形變量與溫度之間存在著確定的函數(shù)關系。當這種變形量處于散斑干涉模型的測量范圍之內(nèi)時，理論上我們就可以利用散斑干涉技術測量物體受熱后發(fā)生的微小形變量，再通過形變量與溫度的關系式進行代換，最終得到不同形變時刻對應的物體溫度。因此本課題提出利用散斑干涉技術測量溫度實質(zhì)上是測量物體因溫度改變而發(fā)生的變形量，然后通過后期計算得到結(jié)果，這是一種間接測溫方法。數(shù)字散斑干涉技術測溫屬于非接觸式測溫方法，即測量過程不需要與被測對象接觸，因而不會干擾溫度場；實驗過程中反映試件變形的散斑條紋即時顯示在計算機屏幕上，能迅速記錄瞬時溫度場的全過程，具有實時性，直觀性的特點；試件發(fā)生微小變形就可觀察到反映其形變的散斑干涉條紋的變化，具有很高的靈敏度，因此與其他測量方法相比，能夠更精確地測量物體表面的溫度場；而且系統(tǒng)光路比較簡單，一般不需要防震臺，對光源功率要求也不高，對待測試件的材料尺寸和形狀沒有特殊要求[17]，是一種簡單新穎的溫度測量方法。 本論文的主要工作內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排本論文是基于散斑干涉法的溫度測試技術研究方案，要求在學習理解了散斑干涉測量技術的基礎上，建立起溫度場測量的理論模型，然后設計具體的實驗方案進行驗證，并對實驗相關參數(shù)進行分析、討論。具體的結(jié)構(gòu)安排如下：第一章：介紹課題研