【正文】 enderz在國際光學(xué)會議上提出了利用散斑檢測粗糙表面的光學(xué)干涉方法——散斑干涉測量法（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。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。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。光學(xué)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]。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(yīng)用越來越多，越來越復(fù)雜；另一方面，武器型號、重大裝備及精密制造技術(shù)的發(fā)展也需要進行溫度場的檢測研究?？茖W(xué)技術(shù)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(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試技術(shù)，是光學(xué)測溫方法的一種全新技術(shù)。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(dǎo)原理，使兩者之間進行充分的熱交換，最后達到熱平衡。同時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)境的溫度測量；另外在測量過程中，測量器件與溫度場直接接觸，會導(dǎo)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。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(shù)以及光學(xué)精密儀器的不斷更新進步，非接觸測溫方法在此基礎(chǔ)上大顯身手，成為近些年研究的重點[5]。到了20世紀40年代英國學(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(yīng)。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(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。 我國對數(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)過不懈努力，也取得了一定的研究成果。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(shù)已經(jīng)成為一種比較成熟的高精度無損測量技術(shù)，廣泛應(yīng)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。 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(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試技術(shù)研究方案，要求在學(xué)習(xí)理解了散斑干涉測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立起溫度場測量的理論模型，然后設(shè)計具體的實驗方案進行驗證，并對實驗相關(guān)參數(shù)進行分析、討論。物體由于某種原因引起溫度變化時，會發(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定量關(guān)系，因此運用相關(guān)的熱力學(xué)及材料學(xué)知識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)和照明光場的相干性對散斑都有著決定性的影響。當用激光照明時，光學(xué)系統(tǒng)形成被照明表面的像，并且像與物的強度有類似的隨機分布，這就被稱為“主觀散斑”；當用激光照明粗糙表面時，其散射光的強度隨位置的不同而隨機變化，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有關(guān)；散斑的對比度和被測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，這就是散斑的運動規(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)來進行研究的。物體變形前像面上任一點的光強可表示為： （）式中，IA和IB分別為物光和參考光強度，是一個隨機散斑位相。這時 n=,… （）若物體發(fā)生微小位移，則物體移動前后散斑干涉條紋發(fā)生改變[24]，會造成物光復(fù)振幅的總的位相改變，由于光強差是相位差的函數(shù)，所以若物體表面各部位位移不同，其光強差也不同，由此可產(chǎn)生明暗變化的光強差條紋，利用這種方法可以測量出物體的位移。 離面位移測量原理激光被準直擴束系統(tǒng)擴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)過全反鏡，擴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，我們將與外界既沒有能量交換也沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)；與外界有能量交換但沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)稱為封閉系統(tǒng)。在整個加熱過程中，金屬受熱膨脹，溫度逐漸上升，整個變化過程是不穩(wěn)定的非平衡狀態(tài)，如果把整個加熱過程分解成無數(shù)個小時間段，那么在每個小時間段內(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試試件，通過加熱使金屬發(fā)生微小形變[27]，這一研究過程不涉及電磁性質(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。通過熱力學(xué)知識可知，固體的膨脹系數(shù)是溫度的函數(shù)，與壓強近似無關(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)。為了簡化研究，對于彈性體，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發(fā)生的相對形變，即其體積、長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)系由大量的實驗證明，在伸長縮小足夠小的情況下，力與伸長成正比，即 （）但是物體形變不僅取決于外力，也取決與物體本身的長度，為了更好的描述材料本身特性，我們這里采用相對伸長——應(yīng)變來描述，上式改寫為 （）當物體發(fā)生應(yīng)變時，在形變的任意橫截面處都存在一對應(yīng)力，于是有下面的關(guān)系式： （）以上比例關(guān)系寫成等式即為： （）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，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，從理論上證明了利用散斑干涉法進行溫度測試的可行性。 散斑干涉系統(tǒng)紅外熱像儀試 件加熱裝置 實驗總體思路框圖 實驗裝置介紹與選擇 本系統(tǒng)實驗裝置主要包括測試試件、熱源、HeNe激光器、擴束鏡、分束鏡、反射鏡、CCD相攝機、圖像采集卡、計算機（內(nèi)裝圖像處理軟件）以及紅外熱像儀。為達到上述要求，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。放電管長數(shù)十厘米的HeNe激光器輸出功率為毫瓦量級，放電管長1m~2m的激光器其輸出功率可達幾十毫瓦。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，在實驗過程中，半透半反鏡可能會沾上外界的灰塵，為了使實驗效果更好，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擴束鏡后的分布情況，本系統(tǒng)的擴束鏡正是起到了擴大光束半徑的作用。視頻信號中的每一個離散的電壓信號的大小對應(yīng)于該光敏像元上圖像的光強，信號輸出的時序?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有限公司設(shè)計的基于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卡顯示或計算機內(nèi)存中存儲。本實驗選用型號為ThermoVision A40的紅外熱像儀進行非接觸式測量物體表面的溫度，它具有精確的非接觸溫度測量、高質(zhì)量的