【正文】 .............................................. 18 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 II 頁(yè) 共 II 頁(yè) 紅外熱像儀 .................................................................................................... 19 參考面 ............................................................................................................ 20 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) .................................................................................................................. 20 散斑干涉法應(yīng)力變形測(cè)量實(shí)驗(yàn) .................................................................... 21 散斑干涉法金屬熱變形測(cè)量實(shí)驗(yàn) ................................................................ 22 本章小結(jié) .................................................................................................................. 23 4 實(shí)驗(yàn)后期分析處理 ............................................................................................................ 24 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)分析 .................................................................................................. 24 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理 .............................................................................................. 24 實(shí)驗(yàn)誤差分析 .......................................................................................................... 27 5 總結(jié)與展望 ........................................................................................................................ 28 全文總結(jié) .................................................................................................................. 28 展望 .......................................................................................................................... 28 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 30 致謝 .......................................................................................................................................... 32 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 1 頁(yè) 共 32 頁(yè) 1 緒論 研究背景及意義 溫度是描述物體冷熱程度的物理量，是七個(gè)國(guó)際基本物理量單位制中之一，它與人類 生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究有著密切關(guān)系 [1]。當(dāng)這種變形量處于散斑干涉模型的測(cè)量范圍之內(nèi)時(shí)，理論上我們就可以利用散斑干涉技術(shù)測(cè)量物體受熱后 發(fā)生的微小形變量，再通過(guò)形變量與溫度的關(guān)系式進(jìn)行代換，最終得到不同形變時(shí)刻對(duì)應(yīng)的物體溫度。這時(shí)感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測(cè)對(duì)象的溫度值。隨著科技的發(fā)展，近年來(lái)某些極端環(huán)境溫度條件下的研究取得了快速的發(fā)展，加上熱輻射技術(shù)和光學(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)上大放異彩，成為近些年溫度測(cè)量研究的重點(diǎn)。 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。 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。該技術(shù)簡(jiǎn)化了光路、縮小了體積、耐腐蝕、可用于惡劣環(huán)境。為此需要重點(diǎn)研究下列問(wèn)題： (1)建立試件與溫度變化模型； (2)根據(jù)數(shù)字散斑測(cè)量理論，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變與條紋數(shù)之間的關(guān)系； (3)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)該方法的可靠性； (4)對(duì)散斑相關(guān)條 紋分析處理； (5)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到散斑相關(guān)條紋變化與溫度變化之間的關(guān)系。因此散斑的分類也就多種多樣，按物體表面的性質(zhì)可以將散斑分成強(qiáng)散射屏產(chǎn)生的正態(tài)散斑和弱散射屏產(chǎn)生非正態(tài)散斑；按照明光場(chǎng)的相干性可以將散斑分成完全相干散斑和部分相干散斑。 數(shù)字散斑干涉技術(shù)原理及應(yīng)用范圍 數(shù)字散斑干涉法 [22]是用激光光束直接照射到測(cè)試表面，再用電子攝像機(jī)采集其變形前后表面散斑顆粒干涉形成的條紋，以測(cè)定其離面和面內(nèi)位移的一種新型、先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)，其基本原理介紹如下： 在散斑場(chǎng)中引入一束參考 光，使散斑場(chǎng)與參考光發(fā)生干涉，如圖 [23]。 目前，數(shù)字散斑干涉技術(shù)主要用于五個(gè)方面的測(cè)量，它們分別是：面內(nèi)位移測(cè)量，離面位移測(cè)量，表面形狀測(cè)量，三維位移場(chǎng)測(cè)量和位相物體測(cè)量。 圖 雙光束離面位移測(cè)量光路圖 圖 Laser為激光器， EP為擴(kuò)束鏡， M為全反射鏡， BS為分光鏡。但是，如果把熱源與金 屬試件看成一個(gè)整體，它們與外界幾乎沒(méi)有能量和物質(zhì)的交換，組成一個(gè)復(fù)合的孤立系統(tǒng)。 體脹系數(shù) ? ，在給出壓強(qiáng)保持不變的情況下，溫度升高 1K所引起的物體體積的相對(duì)變化，即為： pTVV )(1 ???? （ ） 等溫壓縮系數(shù) Tk ，在給出溫度保持不變的情況下，增加單位壓強(qiáng)所引起的物體體積的相對(duì)變化，即為： TT pVVk )(1 ???? （ ） 其中 V 表示體積， P 表示壓強(qiáng)， T 表示溫度 拋開(kāi)氣體物態(tài)方程，對(duì)于簡(jiǎn)單固體（各向同性固體），可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得體脹系數(shù) ? 和等溫壓縮系數(shù) Tk 。 彈性體通常采用應(yīng)變來(lái)描述形變。在第二節(jié)中介紹了散斑概念及數(shù)字散斑干涉理論，并根據(jù)實(shí)際需要選定了離面位移測(cè)量模型，建立了物體應(yīng)變與數(shù)字散斑干涉條紋之間的關(guān)系。 圖 基于散斑干涉的溫度測(cè)試系統(tǒng)圖 散斑干涉系統(tǒng) 紅外熱像儀 試 件 加熱裝置 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 16 頁(yè) 共 32 頁(yè) 金屬試件的選取 為了測(cè)量方便，本系統(tǒng)選取一塊薄鋼板作為測(cè)量試件，主要是因?yàn)殇撌菬岷碗姷牧?導(dǎo)體，熔點(diǎn)高，加熱過(guò)程中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；熱膨脹系數(shù)較大，受熱后形變量明顯，易于觀察；且金屬鋼材料內(nèi)部均勻，各向同性，當(dāng)熱源撤去后能逐漸恢復(fù)原狀，滿足系統(tǒng)模型中彈性體的要求。本實(shí)驗(yàn)所選用的 HeNe 激光器如圖 所示，其功率為5mw，波長(zhǎng)為 。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。紅外熱像儀能夠?qū)⑻綔y(cè)到的熱量精確量化，不僅能夠觀察熱圖像，還能夠?qū)Πl(fā)熱的故障區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和嚴(yán)格分析。下面我們具體介紹這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 22 頁(yè) 共 32 頁(yè) 調(diào)節(jié)相機(jī)鏡頭光圈，通過(guò)觀察圖像采集軟件窗口中物件上的散斑圖像的明暗，來(lái)判斷圖像是否曝光過(guò)度。 接下來(lái)就可以給試件加熱處理了，用加熱器對(duì)鋼板均勻加熱 3 分鐘后停止加熱，然后用 CCD進(jìn)行圖像采集。金屬鋼的等溫壓縮系數(shù) Tk 數(shù)值很小，幾乎不隨溫度的改變而發(fā)生變化，可以看作常量來(lái)處理。 Matlab圖像處理后統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表 ： 表 后 12秒，干涉條紋級(jí)數(shù) 溫差表 干涉條紋級(jí)數(shù) 2 3 4 圖片間隔 (張 ) 5 7 9 理論溫差 (oC) 14 21 28 實(shí)際溫度估算值 (oC) 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 27 頁(yè) 共 32 頁(yè) 條紋變化一級(jí) :時(shí)間間隔為 st ?? ，理論上計(jì)算的溫差 CT o7?? 實(shí)驗(yàn)誤差分析 本次系統(tǒng)采用 CCD 高速相機(jī)采集圖像，圖像采集時(shí)間間隔約為 秒，具有很高的精確度；推得數(shù)字 散斑測(cè)溫的一般公式02 )1( Tl nEkT T ??? ? ?，它的優(yōu)點(diǎn)除了涵蓋數(shù)字散斑干涉測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)外，還有精度較高的優(yōu)勢(shì)。本文提出的是基于散斑干涉法的溫度測(cè)試技術(shù)，這是一種新型的光學(xué)測(cè)溫方法，具有高精度、全場(chǎng)性、非接觸、實(shí)時(shí)性、高靈敏度等特點(diǎn)，是對(duì)溫度測(cè)試技術(shù)的全新探討。隨著光學(xué)精密儀器、圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，散斑干涉技術(shù)在溫度測(cè)試方面的優(yōu)勢(shì)將會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，有待進(jìn)一步更 深入的研究。 （ 6）在散斑干涉法金屬熱變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，薄鋼片在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一直被固定在一個(gè)金屬試 件架上，這樣會(huì)影響到薄鋼板的表面形變量，因此我們要研究一種不影響其表面形變的方法。 （ 4）對(duì)系統(tǒng)模型涉及到的部分參量后期處理方法進(jìn)行了探討說(shuō)明。 （ 4）在對(duì)試件加熱以及整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，試件一直固定在一個(gè)金屬材質(zhì)的試件架上，即試件架一直對(duì)試件施加這一個(gè)力，這個(gè)力會(huì)對(duì)試件形變量產(chǎn)生影響，最終影響到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 25 頁(yè) 共 32 頁(yè) (a) 二級(jí)條紋圖像圖 （ b） 三級(jí)條紋圖像 (c) 四級(jí)條紋圖像 圖 前 10秒內(nèi)，干涉條紋圖 (a) 二級(jí)干涉條紋圖圖 (b) 三級(jí)干涉條紋圖 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 26 頁(yè) 共 32 頁(yè) (c) 四級(jí)干涉條紋圖 圖 后 12秒，干涉條紋圖 實(shí)驗(yàn)總結(jié)： 在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)紅外熱像儀對(duì)試件實(shí)際溫度的測(cè)試，以及用 Matelab處理得到的照片，統(tǒng)計(jì)出如下結(jié)果： （ 1）用紅外熱像儀實(shí)測(cè)得，前 1800張圖片溫度區(qū)間為（ ， 530）攝氏度；溫度每秒下降約 15攝氏度。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 24 頁(yè) 共 32 頁(yè) 4 實(shí)驗(yàn)后期分析 處理 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)分析 在第二章我們建立了應(yīng)變與散斑干涉條紋數(shù)以及應(yīng)變與溫度的關(guān)系，現(xiàn)在我們將式 2?nl?? 與式 ? ? TEklTTEkll TT ??????? 11 0 ??聯(lián)立，消去共同參量 l? ，可以得式（ ）： 02 )1( Tl nEkT T ??? ? ? () 上式即為聯(lián)系溫度 T 與散斑干涉條紋數(shù) n 的函數(shù)關(guān)系式，顯然，要想得到溫度，我們必須知道小鋼板的解熱的溫度 0T ，初始厚度 l ，激光波長(zhǎng) ? 以及金屬鋼板的膨脹系數(shù) ? ，等溫壓縮系數(shù) Tk 和彈性模量。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖 。 放入被測(cè)試件和 CCD攝像機(jī)，調(diào)節(jié)分束鏡上二維調(diào)整臺(tái)的微調(diào)旋扭，使被試件 反射的光的中心照射到 CCD攝像機(jī)接收表面上。 圖 參考面實(shí)物圖 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 散斑干涉測(cè)量光路涉及參考光與物光的相互干涉，由于兩束光之間的光程差大小以及光強(qiáng)度是否相同以及周?chē)s質(zhì)光的干擾等都會(huì)直接影響散斑干涉條紋的產(chǎn)生與否及質(zhì)量好壞，加上儀器準(zhǔn)直繁瑣，受熱金屬試件變形不明顯等因素的影響，這就決定了實(shí)驗(yàn)前的調(diào)試工作將會(huì)耗 費(fèi)大量時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)中使用的高速相機(jī)實(shí)物如圖 。 擴(kuò)束鏡（如圖 ）是一種將光的光束半徑擴(kuò)大的一種鏡片，它帶來(lái)的好處是將光束覆蓋的范圍擴(kuò)大，其不良后果就是給光的準(zhǔn)直帶來(lái)了麻煩，是光準(zhǔn)直的對(duì)立面。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