【正文】 enderz在國(guó)際光學(xué)會(huì)議上提出了利用散斑檢測(cè)粗糙表面的光學(xué)干涉方法——散斑干涉測(cè)量法（Speckle Interferometry）[9]。 數(shù)字散斑干涉技術(shù)發(fā)展概況 數(shù)字散斑干涉技術(shù)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。非接觸測(cè)溫方法主要包括輻射式測(cè)溫、光譜法測(cè)溫、激光干涉式測(cè)溫以及聲波測(cè)溫方法等。但是接觸式測(cè)溫方法的缺點(diǎn)也很明顯，由于測(cè)溫元件與被測(cè)物體需要進(jìn)行充分的熱交換，所以需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，因而存在測(cè)溫延遲現(xiàn)象。光譜法測(cè)溫聲波微波法測(cè)溫溫度測(cè)試方法接觸式測(cè)溫方法非接觸式測(cè)溫方法膨脹式測(cè)溫電量式測(cè)溫接觸式光熱測(cè)溫輻射式測(cè)溫激光干涉測(cè)溫 溫度測(cè)量方法分類接觸式測(cè)溫方法包括膨脹式測(cè)溫、電量式測(cè)溫和接觸式光電、熱色測(cè)溫等幾大類。光學(xué)測(cè)溫法由于不與被測(cè)物體直接接觸，不會(huì)對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生干擾，并且具有時(shí)間和空間分辨率高以及能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱門(mén)[3]。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(shí)驗(yàn)及工程應(yīng)用越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜；另一方面，武器型號(hào)、重大裝備及精密制造技術(shù)的發(fā)展也需要進(jìn)行溫度場(chǎng)的檢測(cè)研究。科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，行業(yè)需求不斷提高，對(duì)溫度測(cè)量的精確度要求也越來(lái)越高，因此溫度場(chǎng)的測(cè)量研究一直都受到人們的廣泛關(guān)注。本課題主要研究基于數(shù)字散斑干涉法的一種溫度測(cè)試技術(shù)，是光學(xué)測(cè)溫方法的一種全新技術(shù)。接觸測(cè)溫法在測(cè)量時(shí)需要與被測(cè)物體或介質(zhì)充分接觸，利用熱傳導(dǎo)原理，使兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡。同時(shí)受到耐高溫和耐低溫材料的限制，不能應(yīng)用于某些極端環(huán)境的溫度測(cè)量；另外在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量器件與溫度場(chǎng)直接接觸，會(huì)導(dǎo)致待測(cè)溫度場(chǎng)的自身獨(dú)立性受到破壞，加之測(cè)量時(shí)接觸不良等現(xiàn)象的存在，這些都會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)一定的誤差。由于科技的進(jìn)步，近年來(lái)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(shù)以及光學(xué)精密儀器的不斷更新進(jìn)步，非接觸測(cè)溫方法在此基礎(chǔ)上大顯身手，成為近些年研究的重點(diǎn)[5]。到了20世紀(jì)40年代英國(guó)學(xué)者Denis Gabor提出全息術(shù)[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(guān)注，并開(kāi)始作為一種噪聲得到了系統(tǒng)的研究，對(duì)此進(jìn)行大量的工作是試圖如何消除散斑效應(yīng)。在早期的檢測(cè)中,由于散斑干涉測(cè)量法采用全息干板作為記錄介質(zhì)，需要復(fù)雜的后期光學(xué)濾波和數(shù)據(jù)處理工作，因此導(dǎo)致該技術(shù)難以得到推廣。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。 我國(guó)對(duì)數(shù)字散斑干涉技術(shù)的研究和應(yīng)用起步比較晚，所以在技術(shù)和產(chǎn)品化方面處于學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的初步發(fā)展階段，經(jīng)過(guò)不懈努力，也取得了一定的研究成果。經(jīng)過(guò)近幾十年的研究和發(fā)展，數(shù)字散斑干涉測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為一種比較成熟的高精度無(wú)損測(cè)量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于振動(dòng)、位移、形變、斷裂及粗糙度等的測(cè)量，成為當(dāng)前國(guó)際上的熱門(mén)研究課題之一。 本課題研究意義溫度的改變會(huì)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(guān)系。 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(cè)試技術(shù)研究方案，要求在學(xué)習(xí)理解了散斑干涉測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立起溫度場(chǎng)測(cè)量的理論模型，然后設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析、討論。物體由于某種原因引起溫度變化時(shí)，會(huì)發(fā)生位移或形變，而這種形變是由物體內(nèi)部的熱力學(xué)及材料學(xué)等性質(zhì)決定的，所以物體溫度與由于溫度而引起的位移或形變本身存在著一個(gè)定量關(guān)系，因此運(yùn)用相關(guān)的熱力學(xué)及材料學(xué)知識(shí)就可以建立起物體應(yīng)變與溫度的關(guān)系模型。由散斑的成因可知，物體表面的性質(zhì)和照明光場(chǎng)的相干性對(duì)散斑都有著決定性的影響。當(dāng)用激光照明時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)形成被照明表面的像，并且像與物的強(qiáng)度有類似的隨機(jī)分布，這就被稱為“主觀散斑”；當(dāng)用激光照明粗糙表面時(shí)，其散射光的強(qiáng)度隨位置的不同而隨機(jī)變化，這就被稱為“客觀散斑”。散斑的大小與觀察平面的位置及與照明光波的波長(zhǎng)有關(guān)；散斑的對(duì)比度和被測(cè)物體的表面粗糙度有著很密切的關(guān)系，決定了是否能產(chǎn)生可判讀的散斑圖；如果被激光照明的粗糙表面發(fā)生位移或變形，則在觀測(cè)平面上的散斑圖也要產(chǎn)生相應(yīng)的變化，這就是散斑的運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性，本文正是利用了散斑的這一特性作為理論基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行研究的。物體變形前像面上任一點(diǎn)的光強(qiáng)可表示為： （）式中，IA和IB分別為物光和參考光強(qiáng)度，是一個(gè)隨機(jī)散斑位相。這時(shí) n=,… （）若物體發(fā)生微小位移，則物體移動(dòng)前后散斑干涉條紋發(fā)生改變[24]，會(huì)造成物光復(fù)振幅的總的位相改變，由于光強(qiáng)差是相位差的函數(shù)，所以若物體表面各部位位移不同，其光強(qiáng)差也不同，由此可產(chǎn)生明暗變化的光強(qiáng)差條紋，利用這種方法可以測(cè)量出物體的位移。 離面位移測(cè)量原理激光被準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后照射到分束器上，被分束器分為物光束和參考光束。，激光束經(jīng)過(guò)全反鏡，擴(kuò)束鏡和分束鏡分成物光和參考光，它們分別照射到漫反射的物表面和參考面上之后再返回，兩束返回的光束在成像面上相互干涉形成干涉條紋。 熱力學(xué)平衡態(tài)描述由熱力學(xué)第零定律知道，溫度是熱平衡狀態(tài)下熱力學(xué)系統(tǒng)存在的一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，要討論溫度與其他狀態(tài)量的關(guān)系，必須以熱平衡狀態(tài)作為前提，下面我們先介紹一下熱力學(xué)平衡態(tài)的概念：在熱力學(xué)中，我們將與外界既沒(méi)有能量交換也沒(méi)有物質(zhì)交換的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)；與外界有能量交換但沒(méi)有物質(zhì)交換的系統(tǒng)稱為封閉系統(tǒng)。在整個(gè)加熱過(guò)程中，金屬受熱膨脹，溫度逐漸上升，整個(gè)變化過(guò)程是不穩(wěn)定的非平衡狀態(tài)，如果把整個(gè)加熱過(guò)程分解成無(wú)數(shù)個(gè)小時(shí)間段，那么在每個(gè)小時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)都可近似看作是熱平衡態(tài)。本系統(tǒng)模型的建立選用金屬固體作為測(cè)試試件，通過(guò)加熱使金屬發(fā)生微小形變[27]，這一研究過(guò)程不涉及電磁性質(zhì)也不考慮與化學(xué)成分有關(guān)的性質(zhì)，所以就不必引入電磁參量和化學(xué)參量。通過(guò)熱力學(xué)知識(shí)可知，固體的膨脹系數(shù)是溫度的函數(shù)，與壓強(qiáng)近似無(wú)關(guān)；等溫壓縮系數(shù)的數(shù)值很小，在一定的溫度范圍內(nèi)可以近似看作常數(shù)。為了簡(jiǎn)化研究，對(duì)于彈性體，有以下假設(shè)[28,29]：1） 彈性體材料均勻、連續(xù)；2） 彈性體各個(gè)方向上的力學(xué)性質(zhì)相同；3） 彈性體幾何大小的變化及形狀的改變量與其總尺寸相比很小。所謂應(yīng)變，是指物體受外力作用時(shí)發(fā)生的相對(duì)形變，即其體積、長(zhǎng)度和形狀的變化與其原有值之比。根據(jù)彈性理論我們可以知道，關(guān)于應(yīng)變和應(yīng)力之間的關(guān)系由大量的實(shí)驗(yàn)證明，在伸長(zhǎng)縮小足夠小的情況下，力與伸長(zhǎng)成正比，即 （）但是物體形變不僅取決于外力，也取決與物體本身的長(zhǎng)度，為了更好的描述材料本身特性，我們這里采用相對(duì)伸長(zhǎng)——應(yīng)變來(lái)描述，上式改寫(xiě)為 （）當(dāng)物體發(fā)生應(yīng)變時(shí)，在形變的任意橫截面處都存在一對(duì)應(yīng)力，于是有下面的關(guān)系式： （）以上比例關(guān)系寫(xiě)成等式即為： （）其中比例系數(shù)稱為材料的彈性模量，它決定于材料自身的性質(zhì)。第三節(jié)通過(guò)熱力學(xué)固態(tài)方程的描述以及連續(xù)體力學(xué)中彈性理論相關(guān)知識(shí)，建立了溫度與物體應(yīng)變之間的關(guān)系，從而將溫度與散斑干涉條紋聯(lián)系起來(lái)，從理論上證明了利用散斑干涉法進(jìn)行溫度測(cè)試的可行性。 散斑干涉系統(tǒng)紅外熱像儀試 件加熱裝置 實(shí)驗(yàn)總體思路框圖 實(shí)驗(yàn)裝置介紹與選擇 本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置主要包括測(cè)試試件、熱源、HeNe激光器、擴(kuò)束鏡、分束鏡、反射鏡、CCD相攝機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)（內(nèi)裝圖像處理軟件）以及紅外熱像儀。為達(dá)到上述要求，我們采用小功率陶瓷電加熱板作為熱源，這樣可以使熱源與試件均勻接觸，保證試件各處受熱均勻。放電管長(zhǎng)數(shù)十厘米的HeNe激光器輸出功率為毫瓦量級(jí)，放電管長(zhǎng)1m~2m的激光器其輸出功率可達(dá)幾十毫瓦。按其形狀分類，反射鏡可分為平面反射鏡，球面反射鏡和非球面反射鏡，本系統(tǒng)使用的反射鏡是平面反射鏡。介于其結(jié)構(gòu)的特殊性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，半透半反鏡可能會(huì)沾上外界的灰塵，為了使實(shí)驗(yàn)效果更好，通常情況下我們需要擦干凈分束鏡。凹透鏡和凸透鏡的鏡面特征直接決定光束通過(guò)擴(kuò)束鏡后的分布情況，本系統(tǒng)的擴(kuò)束鏡正是起到了擴(kuò)大光束半徑的作用。視頻信號(hào)中的每一個(gè)離散的電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)于該光敏像元上圖像的光強(qiáng)，信號(hào)輸出的時(shí)序?qū)?yīng)于該光敏像元在CCD上的空間位置，從而CCD用自身電子掃描方式完成信息從空間域到時(shí)間域的變換。本系統(tǒng)采用的圖像采集卡VIDEOPICSM是北京大恒圖像視覺(jué)有限公司設(shè)計(jì)的基于PCI總線的高速黑白圖像采集卡。數(shù)字化后的圖像信號(hào)經(jīng)各種圖像處理、如比例縮放、裁剪、位屏蔽后，利用PCI總線，傳到VGA卡顯示或計(jì)算機(jī)內(nèi)存中存儲(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)選用型號(hào)為T(mén)hermoVision A40的紅外熱像儀進(jìn)行非接觸式測(cè)量物體表面的溫度，它具有精確的非接觸溫度測(cè)量、高質(zhì)量的