【正文】 電管長 1m~2m的激光器其輸出功率可達(dá)幾十毫瓦。本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置主要包括測試試件、熱源、 HeNe 激光器、擴(kuò)束鏡、分束鏡、反射鏡、 CCD相攝機(jī)、計算機(jī)（內(nèi)裝圖像處理軟件）以及紅外熱像儀。 應(yīng)變與溫度的關(guān)系 溫度改變引起金屬試件發(fā)生微小形變，這種形變是沿著各個方向的，為了方便研究，我們假設(shè)熱效應(yīng)只引起金屬試件一個方向的膨脹，物體體積的改變只與該方向形變有關(guān) [30]，如圖 : 圖 立體試件中某一方向形變示意圖 結(jié)合圖 ，我們可以得到物體體積變化與形變的 關(guān)系式 S S F l ll ?? 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 14 頁 共 32 頁 ?????? 1)0,( ),( 00 l llTV pTV （ ） 根據(jù)壓強(qiáng)及應(yīng)變的定義將 ()式變形可得： ?Ep? （ ） 聯(lián)立（ ）、（ ）、（ ）可以得到 ??? EkTT T????? )(11 0 （ ） 通過運(yùn)算得到 ? ? TEklTTEkll TT ??????? 11 0 ?? （ ） 其中 0T 為測試試件時實(shí)驗(yàn)室的溫度，這樣，通過式（ ）我們就建立了應(yīng)變與溫度間的關(guān)系。 金屬試件材料均勻，內(nèi)部各向力學(xué)性質(zhì)相同，在加熱過程中，受熱連續(xù)，且加熱后形變與其總尺寸相比很小，所以可以看做彈性體形變來處理。而金屬固體內(nèi)部性質(zhì)相同，故我們近視認(rèn)為這是一個只需考慮體積和壓強(qiáng)兩個狀態(tài)參量便可確定的簡單系統(tǒng)，這就轉(zhuǎn)化為利用簡單系統(tǒng)下狀態(tài)方程進(jìn)行描述的問題。如果孤立系統(tǒng)經(jīng)過足夠長的時間后，系統(tǒng)的各種宏觀性質(zhì)在長時間內(nèi)不發(fā)生任何變化，則稱這樣的狀態(tài)為熱力學(xué)平衡態(tài)。散斑干涉圖經(jīng)圖像采集卡實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)接嬎銠C(jī)隨機(jī)存中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 9 頁 共 32 頁 儲器，通過數(shù)字圖象處理這些干涉圖樣可計算出物體的位移。 當(dāng) sin( 2?? )=0時將出現(xiàn)暗條紋 這時 ?? n2?? 1??n , 2? , 3? … （ ） 當(dāng) sin( 2?? )=1時將出現(xiàn)亮條紋，并且該亮條 紋帶有斑點(diǎn)。 激光散斑的特征主要用它的大小、對比度 (襯度 )及其運(yùn)動規(guī)律來表征 [20,21]。 應(yīng)變 數(shù)字散斑干涉條紋 模型的建立 散斑的形成及其特性 當(dāng)激光照射光學(xué)粗糙表面上時，這些表面上無規(guī)則分布的面元散射的子波相互疊加使反射光場具有隨機(jī)的空間光強(qiáng)分布，呈現(xiàn)出顆粒狀的結(jié)構(gòu)，這就是散斑 [18]。散斑干涉計量技術(shù)在很多應(yīng)用中有著其它方法不可比 擬的優(yōu)勢 ,除被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)測量中 [17],還在汽車、天文、防偽、信息處理、表面粗糙度、三維面型測量等方面都有所建樹。要解決這一問題，就必須解決檢測系統(tǒng)的實(shí)時性好、小型化、提高抗干擾能力等 ,由此散斑計量技術(shù)又發(fā)展了新的技術(shù)。目前，該技術(shù)逐步代替了以往的用電子處理方法的電子散斑干涉法。當(dāng)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(diǎn)，類似于點(diǎn)光源，它們反射的光彼此相互干涉，并在物體表中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 4 頁 共 32 頁 面前方的空間形成了無數(shù)隨機(jī)分布的點(diǎn)，人們把這些相干的亮點(diǎn)和暗點(diǎn)稱為散斑，把這種隨機(jī)分布的散斑結(jié)構(gòu)稱為散斑場。非接觸式測溫方法由于不需要與被測對象直接接觸，不會干擾溫度場，因此保證了溫度場本身的真實(shí)性；而且測溫范圍很廣 ，不受測溫上限的限制，一般情況下動態(tài)響應(yīng)特性也很好，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時性，全場性測量。 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。本課題主要研究基于高速相機(jī)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)。 為兵器、航天領(lǐng)域振動、腐蝕等惡劣條件下的溫度測試研究，提供了一 種全新方案。 論文在充分了解數(shù)字散斑干涉測量原理的基礎(chǔ)上， 從熱傳導(dǎo)和熱彈性理論出發(fā)，推導(dǎo)了散斑干涉條紋與物體表面溫度的關(guān)系；采用高速相機(jī)搭建了系統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)平臺，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，獲得了包含物體溫度信息的散斑干涉條紋圖，驗(yàn)證了利用散斑干涉技術(shù)進(jìn)行溫度測試的可行性，并進(jìn)行了誤差分析。由于不與被測物體直接接觸的特點(diǎn)，因此光學(xué)測溫法的最大的優(yōu)點(diǎn)在于不會對被測物體產(chǎn)生干擾，并且還具有時間和空間分辨率高以及能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時測量等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外熱門研究的技術(shù)之一 [3]。下面分別介紹兩類測溫方法的原理及特點(diǎn)。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。 1962 年貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Rigden 和 Gordon 首先解釋了激光散斑現(xiàn)象的產(chǎn)生 [11]。 1980 年 Nakadate 首次實(shí)現(xiàn)并得到512x512 列陣的數(shù)字散斑干涉條紋 [14]，但直到 1984 年才由 Creath正式提出來并作為一種新技術(shù)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(jī)和圖像板取代了原始的大型數(shù)字圖象處理系統(tǒng)。 數(shù)字散斑干涉技術(shù)的前景 隨著現(xiàn)代社會的迅速發(fā)展，要求散斑計量技術(shù)更趨向于 實(shí)用化。同時 ,伴隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步 ,新思想、新領(lǐng)域的不斷涌現(xiàn) ,目前 ,還有計算機(jī)輔助散斑干涉計量術(shù)、光柵大錯位數(shù)字散斑術(shù)等具有不同優(yōu)點(diǎn) ,不同應(yīng)用場合的散斑干涉計量技術(shù)涌現(xiàn)。為了更好地利用實(shí)驗(yàn)效果來驗(yàn)證本文理論，本課題主要以受熱條件下的金屬固體作為研究對象，模型的建立也是依此作為基礎(chǔ)進(jìn)行。我們研究的散斑主要是像面散斑。 在減模式運(yùn)算中，變形前的散斑干涉場圖像存在圖像板中與變形后的散斑干涉場圖像相減并取絕對值，這時， 10 ),( IIyxI ?? =4 BAII ? ? ? ???? ????21s in221s in （ ） 實(shí)際情況， ?? 變化比 ? 變化慢得多，由式（ ）可看到它有兩個互相調(diào) 制的函數(shù)項(xiàng)，第一項(xiàng)頻率高，表示散斑，第二項(xiàng)變化頻率低，表示散斑條紋。參考光束和物光束在 CCD感光面附近相遇并發(fā)生干涉現(xiàn)象，把 CCD所采集到的干涉圖樣稱之為散斑干涉圖 [25]。 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)[26]，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)。 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。 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。 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，在伸長縮小足夠小的情況下，力與伸長成正比，即 lF ?? （ ） 但是物體形變不僅取決于外力 F ，也取決與物體本身的長度 l ，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 ll? 來描述，上式改寫為 llF ?? （ ） 當(dāng)物體發(fā)生應(yīng)變 ll? 時，在形變的任意橫截面處都存在一對應(yīng)力 SF ，于是有下面的關(guān)系式： llSF ?? （ ） 以上比例關(guān)系寫成等式即為： llESF ?? （ ） 其中比例系數(shù) E 稱為材料的彈性模量，它決定于材料自身的性質(zhì)。 圖 實(shí)驗(yàn)總體思路框圖 實(shí)驗(yàn)裝置介紹與選擇 數(shù)字散斑瞬態(tài)高溫測試系統(tǒng)如圖 。在可見光及紅外波段可產(chǎn)生多條譜線。但是為了保持反射和折射的光束比，實(shí)驗(yàn)要求我們必須保護(hù)好分束鏡的鍍膜，切忌擦傷，損壞半反半透鏡。 CCD攝像器件不但具有體積小、重量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀等優(yōu)點(diǎn)，而且在分辨率、動態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時傳輸和自掃描等方面的優(yōu)越性，也是其它攝像器件無法比擬的。本測量系統(tǒng)所用的參考面同樣由鋼制成如圖 。分別放入擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直鏡，調(diào)節(jié)準(zhǔn)直鏡，使通過它的被擴(kuò)束的激光變成平行光，平行光束應(yīng)通過放入光路中（分光鏡、被測試件、反光鏡等）部件的中心且平行于平臺。 散斑干涉法金屬熱變形測量實(shí)驗(yàn) 將散斑干涉法應(yīng)力變形測量中 的試件換為相同大小的另一塊鋼板，其余裝置保持不變。最后一部分介紹了散斑干涉法應(yīng)力變形測量實(shí)驗(yàn)和散斑干涉法金屬熱變形測量實(shí)驗(yàn)的具體步驟，得到了散斑干涉圖樣，為下一步數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證模型的可行性做好準(zhǔn)備，這里特別指出，實(shí)驗(yàn)一的目的在于提供可行性光路，調(diào)試 CCD以及圖像采集的相關(guān)參數(shù)，作為實(shí)驗(yàn)二測試的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。圖 1800張圖像（即前十秒采集的照片）中相減處理后產(chǎn)生條紋的圖像中的三幅；圖 2200張（即后十二秒采集的照片）圖片中的相減處理后產(chǎn)生條紋的圖像中的三幅。 （ 3）溫度變化滯后于表面的熱形變：對有一定體積的試件，對其加熱一段時間，停止加熱以后，其內(nèi)部溫度變化與表面溫度變化存在變化差，即內(nèi)部溫度下降慢于表面溫度下降；表面溫度下降產(chǎn)生離面位移，散斑變化；但紅外熱像儀測的溫度不是試件局部的表面溫度。本文提出了將實(shí)驗(yàn)分成兩個步驟進(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。 （ 5）在測量薄鋼片的實(shí)際溫度變化是用的紅外熱像儀讀數(shù)間隔為 1秒，希望將其換成溫度響應(yīng)更靈敏的儀器，這樣可以更準(zhǔn)確的驗(yàn)證溫度的理論計算值與實(shí)際測量間的誤差。在實(shí)驗(yàn)過程中主要存在并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有深遠(yuǎn)影響的需要克服的問題： （ 1）在 散斑干涉法應(yīng)力變形測量實(shí)驗(yàn)中，要求勻速旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)螺母一圈，現(xiàn)在只能靠人力完成，在將來希望可以用單片機(jī)直流電動機(jī)配合控制，這樣就會減少誤差。對此，本文 主要進(jìn)行了以下研究工作： （ 1）在全面了解了數(shù)字散斑干涉技術(shù)的特點(diǎn)后，提出了利用該技術(shù)進(jìn)行溫度測試的研究命題，這是一種新的嘗試，是理論上的創(chuàng)新。但是我們必須認(rèn)識到，本系統(tǒng)中的精確是在模型假設(shè)的前提下成立，各項(xiàng)參數(shù)為準(zhǔn)確參量的情況下得到的結(jié)論。彈性模量 E 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。 定 CCD參數(shù)為分辨率： 320?160，幀頻 184fps，幅數(shù)為 4000。如果散斑圖像曝光過度會造成兩圖像相減圖像中心出現(xiàn)暗洞。 散斑干涉法應(yīng)力變形測量實(shí)驗(yàn) 應(yīng)力變形測量實(shí)驗(yàn)就是 通過給試件施加壓力使試件發(fā)生位移，從而導(dǎo)致散斑干涉條紋改變的實(shí)驗(yàn)。由于近年來的技術(shù)革新，尤其表現(xiàn)在探測器技術(shù)，內(nèi)置可見光照相機(jī)，各種自動功能，分析軟件的發(fā)展等等，使得紅外分析解決方案比以往更為經(jīng)濟(jì)有效。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 18 頁 共 32 頁 圖 分束鏡實(shí)物圖 圖 擴(kuò)束鏡實(shí)物圖 CCD 攝像機(jī) CCD(Charge Couple Device)是 70年代初期在美國首先研制成功的一種新型圖像傳感器，是一種光電耦合器件， CCD 突出特點(diǎn)是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號， CCD 的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 17 頁 共 32 頁 圖 HeNe激光器實(shí)物圖 分束鏡、擴(kuò)束鏡 分束鏡 (如圖 所示 )是一 種特殊的反射鏡，和反射鏡的成型原理類似，在光學(xué)玻璃表面鍍上一層或多層薄膜，這時一束激光投射到鍍膜玻璃上后，通過反射和折射，激光就被分為兩束或更多束，這種鍍膜玻璃就叫做分束鏡。 熱源的選取 本實(shí)驗(yàn)中，在對受熱后產(chǎn)生熱變形的試件用 CCD 采集散斑圖像時，要求保證試件的受熱狀態(tài)穩(wěn)定。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(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)都中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 11 頁 共 32 頁 可近似看作是熱平衡態(tài)。 物體變形前，物光和參考光在 CCD 電視攝像機(jī)成像平面上的光波復(fù)振幅分別為： ??? ??),(),(00),(),( ),(),(0yxirryxireyxayxEeyxa