【正文】 究溫度，就必須建立溫度與其他四類參量之間的關(guān)系。在外力不大或形變不大的情況下，外力去除后，物體將恢復(fù)其原有的大小和形狀，這種形變稱為彈性形變，這種物體稱為彈性體，物質(zhì)的這種特性稱為彈性[28]。： 一維方向下試件加熱形變示意圖在熱源的作用下，金屬試件發(fā)生離面位移，根據(jù)力學(xué)定義我們可知，在截面上所施加的力和橫截面積之間定義了一個(gè)應(yīng)力，其表達(dá)式為 （）其中表示應(yīng)力，表示橫截面所受力的大小，表示橫截面積。根據(jù)這一基本思路，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 HeNe激光器是最早研制成功的氣體激光器。分束鏡的作用是將一束光分成兩束或兩束以上具有一定光強(qiáng)比的透射光與反射光，按照反射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)的比例關(guān)系分類，有固定分束比分束鏡和可變分束比分束鏡兩類。被檢測對像的光信息通過光學(xué)成像系統(tǒng)成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元將其上的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電荷量。數(shù)據(jù)的傳送過程是由圖像卡控制的，無需CPU參與，因此圖像傳輸速度可達(dá)40MB/S。 離面位移測量光路圖 激光散斑干涉測量實(shí)驗(yàn)散斑干涉測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)度是否相同以及周圍雜質(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。放入被測試件和CCD攝像機(jī)，調(diào)節(jié)分光鏡上二維調(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。 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖 計(jì)算機(jī)采集的相鄰編號(hào)散斑圖樣 相減算法處理后得到的散斑干涉條紋圖 散斑干涉法金屬熱變形測量實(shí)驗(yàn)熱變形測量實(shí)驗(yàn)是本章的重點(diǎn)，以上應(yīng)力變形實(shí)驗(yàn)已經(jīng)為該實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行做好了準(zhǔn)備。運(yùn)用matlab軟件處理采集到的散斑圖樣，得到散斑干涉條紋圖。彈性模量由材料成分決定，受溫度影響變化微小，也可以作為常量處理，但是壓制純銅和冷拔純銅的彈性模量略有區(qū)別，這里要引起注意。.39。對于這一部分具體處理過程，已作為一個(gè)獨(dú)立的課題由他人進(jìn)行研究，本文在這里不再介紹。為了解決實(shí)驗(yàn)光路調(diào)試難度大，耗費(fèi)時(shí)間長的問題，本文提出了將實(shí)驗(yàn)分成兩個(gè)步驟進(jìn)行的思路，即先進(jìn)性散斑干涉法應(yīng)力變形測量實(shí)驗(yàn)，而后在前一個(gè)實(shí)驗(yàn)取得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，再進(jìn)行散斑干涉測溫實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。數(shù)月以來的輔導(dǎo)，姜師姐認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)作風(fēng)以及不畏艱難孜孜以求的科學(xué)探索精神成為我學(xué)習(xí)的榜樣，這些必將使我終身受益。然后我要十分感謝一直指導(dǎo)我的研究生姜師姐。在這里我們必須說明，該模型的建立是在假設(shè)待測試件只發(fā)生一維形變的前提下，并且將試件固定在金屬固體的基礎(chǔ)上建立起來的，客觀上具有一定的局限性，更深入的討論有待進(jìn)一步研究。這時(shí)2次項(xiàng)到5次項(xiàng)的系數(shù)很小，近似為零。.39。其中銅板初始溫度，初始厚度，激光波長均為確定參量，可以直接測量確定。連續(xù)重復(fù)操作20次，停止加熱。這里需要注意的是在旋緊螺栓之后，不要馬上進(jìn)行圖樣采集，要等待測試件平穩(wěn)后再進(jìn)行記錄。調(diào)整HeNe激光器激光管的俯仰，使激光器發(fā)出的光束平行于工作平臺(tái)的工作面。本實(shí)驗(yàn)選用型號(hào)為ThermoVision A40的紅外熱像儀進(jìn)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)量的紅外熱圖像(320240像素)及無需維護(hù)的非制冷微量熱型探測器，堅(jiān)固和緊湊，內(nèi)置聚焦馬達(dá)/自動(dòng)聚焦。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(jì)的基于PCI總線的高速黑白圖像采集卡。凹透鏡和凸透鏡的鏡面特征直接決定光束通過擴(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。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。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。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(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，從理論上證明了利用散斑干涉法進(jìn)行溫度測試的可行性。所謂應(yīng)變，是指物體受外力作用時(shí)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。通過熱力學(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)。在整個(gè)加熱過程中，金屬受熱膨脹，溫度逐漸上升，整個(gè)變化過程是不穩(wěn)定的非平衡狀態(tài)，如果把整個(gè)加熱過程分解成無數(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)。，激光束經(jīng)過全反鏡，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。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量出物體的位移。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(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)來進(jìn)行研究的。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。 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(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并對實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析、討論。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(dòng)、位移、形變、斷裂及粗糙度等的測量，成為當(dāng)前國際上的熱門研究課題之一。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。到了20世紀(jì)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(jìn)行大量的工作是試圖如何消除散斑效應(yīng)。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)境的溫度測量；另外在測量過程中，測量器件與溫度場直接接觸，會(huì)導(dǎo)致待測溫度場的自身獨(dú)立性受到破壞，加之測量時(shí)接觸不良等現(xiàn)象的存在，這些都會(huì)給測試結(jié)果帶來一定的誤差。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)。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)用越來越多，越來越復(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)行溫度場的檢測研究。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。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。隨后1969年英國學(xué)者Leenderz在國際光學(xué)會(huì)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]。但在習(xí)慣上，人們往往將用電子處理方法實(shí)現(xiàn)的電子散斑干涉法(ESPI)和用數(shù)字處理方法實(shí)現(xiàn)的數(shù)字散斑干涉法(DSPI)統(tǒng)稱為電子散斑干涉法(ESPI)。測試過程中不需要防震處理，可以走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)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(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，使條紋自動(dòng)分析成為可能，為實(shí)現(xiàn)條紋自動(dòng)化測量創(chuàng)造了良好的條件。當(dāng)待測物體發(fā)生某種形變會(huì)引起物光與參考光之間的相位差變化，會(huì)形成另一幅散斑干涉圖像，通過采集待測物體形變前后兩幀圖像，對其運(yùn)用相關(guān)算法進(jìn)行處理，就可以得到待測物體的變形量，這樣就建立起了散斑干涉條紋與物體應(yīng)變之間的關(guān)系模型。按觀察條件將散斑分成主觀散斑與客觀散斑兩種類型。IA照明被測物體表面，被測物體由成像透鏡成像，經(jīng)分束器到達(dá)像面；IB由分束器反射到像面，在像面上，物光與參考光相互干涉形成干涉散斑場。本次設(shè)計(jì)擬定為一維測量，最佳適用理論為離面位移測量理論，下面我們著重介紹離面位移測量的相關(guān)知識(shí)。 應(yīng)變—溫度模型的建立物體溫度的變化會(huì)導(dǎo)致物體發(fā)生微小的位移或形變，這種變化可由確定的函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行表達(dá)，從而建立物體應(yīng)變與溫度之間的關(guān)系模型，下面我們從熱力學(xué)與彈性力學(xué)的角度來確定這個(gè)關(guān)系式。由熱力學(xué)知識(shí)可以知道，物態(tài)方程正是聯(lián)系溫度與其他狀態(tài)參量之間的一個(gè)函數(shù)關(guān)系方程式