【正文】 yxE?? （ ） 其合成復(fù)振幅為： ),(),(0 ),(),(),( 0 yxiryxi reyxaeyxayxE ?? ?? （ ） 對應(yīng)的光強分布為 ),(),(),( *0 yxEyxEyxI ?? )c o s (2 00220 rrr aaaa ?? ???? （ ） 式中 ),(* yxE 為 ),( yxE 的共軛光波復(fù)振幅。各種測量方案均遵循上述理論。物光 IA和參考光 IB是由同一激光光源發(fā)出的兩束相干光。同時按照光場的傳播方式，將散斑場分為遠場散斑 (與夫瑯和費衍射對應(yīng) )、近場散斑 (與菲涅爾衍射對應(yīng) )和像面散斑三種類型。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 6 頁 共 32 頁 2 系統(tǒng)模型 系統(tǒng)模型建立 數(shù)字散斑干涉技術(shù)是一種測量光學(xué)粗糙表面位移或變形等物理量的干涉測量技術(shù)，通過引入?yún)⒖脊馀c物光相干涉形成散斑干涉圖像，并以此作為待測物體形貌變化的信息載體。目前 ,半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合效率問題是發(fā)展的關(guān)鍵 ,相信在未來的幾年 ,問題會得到解決。例如，八十年代末，天津大學(xué)秦玉文教授首次提出使用渥爾德棱鏡作錯 位鏡，解決了雙像光強不等的問題。 1971 年英國學(xué)者 Butter 和 Leenderz以及美國學(xué)者 Makovski 相繼成功的以電視攝相機取代了全息干板的使用，視頻檢測技術(shù)的引進使得采用可視化方式來記錄并處理靜態(tài)和動態(tài)光學(xué)粗糙表面的位移成為可能，這種技術(shù)被稱為電子散斑干涉測量法 (ESPI)[13]。 雖然溫度測量方法多種多樣 ,但在很多情況下，對于實際工程現(xiàn)場或一些特殊條件下的溫度測量 [9]，比如對極限溫度、高溫腐蝕性介質(zhì)溫度、氣流溫度、表面溫度、固體內(nèi)部溫度分布、微尺寸目標(biāo) 溫度、大空間溫度分布、生物體內(nèi)溫度、電磁中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 3 頁 共 32 頁 干擾條件下溫度測量來講，要想得到準確可靠的結(jié)果并非易事，需要非常熟悉各種測量方法的原理及特點 ,結(jié)合被測對象要求選擇合適的測量方法才能完成。通常來說，接觸式測量儀表比較簡單，測試結(jié)果直觀可靠，儀器價格相對低廉，因而在實際生活中得到了廣泛的應(yīng)用 [7]。因此本課題提出利用散斑干涉技術(shù)測量溫度實質(zhì)上是測量物體因溫度改變而發(fā)生的變形量，然后通過后期計算得到結(jié)果，這是一種間接測溫方法 [4]。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。 畢業(yè)論文 基于金屬熱變形的散斑干涉測溫技術(shù)研究 學(xué)生姓名： 學(xué)號 10051041 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 光電信息工程 指導(dǎo)教師： 王小燕 20xx 年 6 月 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 基于金屬熱變形的散斑干涉測溫技術(shù)研究 摘要 溫度測試與科學(xué)研究及國民經(jīng)濟中工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)?？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。 數(shù)字散斑干涉技術(shù)測溫屬于非接觸式測溫方法，即測量過程不需要與被測對象接觸，因而不會干擾溫度場；實驗過程中反映試件變形的散斑條紋即時顯示在計算機屏幕上，能迅速記錄瞬時溫度場的全過程，具有實時性，直觀性的特點；試件發(fā)生微小變形就可觀察到反映其形變的散斑干涉條紋的變化，具有很高的靈敏 度，因此與其他測量方法相比，能夠更精確地測量物體表面的溫度場；而且系統(tǒng)光路比較簡單，一般不需要防震臺，對光源功率要求也不高，對待測試件的材料尺寸和形狀中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 2 頁 共 32 頁 沒有特殊要求，是一種簡單新穎的溫度測量方法 [5]。 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。同時，還要不斷探索新的溫度測量方法，改進原有測量技術(shù)，以滿足各種條件下的溫度測量需求。數(shù)字散斑干涉技術(shù) (DSPI)是在電子散斑干涉計量技術(shù)上發(fā)展起來的，其特點就是將電子信號進行數(shù)字化和數(shù)據(jù)處理，信息以數(shù)字圖像的形式記錄下來，存儲在計算機中。之后又把視頻技術(shù)、計算機技術(shù)引入錯位散斑干涉術(shù)，從而形成了數(shù)字錯位散斑干涉術(shù)。數(shù)字散斑相關(guān)測量方法是 80年代末由日本 Yamaguchi和美國南卡羅來納大學(xué)的 Panson等人獨立提出的 ,是一種計算機輔助的測量方法 ,具有光路簡單、對測量環(huán)境要求低、自動進行數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點 [16]。當(dāng)待測物體發(fā)生某種形變會引起物光與參考光之間的相位差變化，會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，對其運用相關(guān)算法進行處理，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。 當(dāng)物體變形后，由于物體表面發(fā)生離面位移 l? (沿 z 軸方向 )，使物光與參考光產(chǎn)生 2 l? 的光程差，于是在 CCD電視攝像 機成像平面上物光和參考光的位相差為 l??? 22??? （ ） 此時， CCD電視攝像機記錄的光強分布為 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 10 頁 共 32 頁 )c o s (2),( 002201 ??? ????? rrr aaaayxI （ ） 采用減法模式，并取絕對值為 10 ),( IIyxI ?? ? ?)c o s ()c o s (2 000 rrraa ????? ????? 2s i n)(2s i n4 00 ???? ?????? ??? rraa （ ） 當(dāng) ?? =2n? n= 1? , 2? , 3? … 時 （ ） 0),( ?yxI ，呈現(xiàn)暗條紋。 固體狀態(tài)方程描述 一個熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)可以由它的幾何參量、力學(xué)參量、化學(xué)參量、電磁參量以及熱學(xué)參量的數(shù)值確定，熱力學(xué)所研究的全部宏觀物理量都可以表達為這五類參量的函數(shù)?？紤]到這兩點，則可以建立以下物態(tài)方程： ])(1)[0,(),( 000 pkTTTVpTV T???? ? （ ） 彈性體形變的一維問題 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 12 頁 共 32 頁 物體在外力的作用下，質(zhì)元間的相對位置會發(fā)生微小變化，從而使物體發(fā)生形變，此時，體內(nèi)各質(zhì)元處于一種新的緊張狀態(tài)，產(chǎn)生了一種彈性回復(fù)力，即物體有抗拒外力作用以恢復(fù)其形狀不變的能力。根據(jù)連續(xù)體力學(xué)彈性體規(guī)律我們可知，在 一維方向上進行的加熱變形屬于線應(yīng)變，根據(jù)定義，線應(yīng)變 : ll??? （ ） 其中 l? 表示受熱后試件發(fā)生的形變， l 表示受熱之前原試件的長度， ? 表示應(yīng)變。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 15 頁 共 32 頁 3 系統(tǒng)實現(xiàn) 設(shè)計思路 本實驗利用溫度改變會引起試件發(fā)生微小形變，通過散斑干涉技術(shù)采集試件形變前后兩次干涉圖樣，然后將兩組數(shù)據(jù)進行軟件處理，并利用相關(guān)數(shù)學(xué)模型進行計算，最終得出實驗結(jié)果。為達到上述要求，以及實驗室條件的限制，我們采用丁烷氣體加熱器如圖 ，用火焰充分加熱試件。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比的透射光與反射光，按照反射光強與透射光強的比例關(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度轉(zhuǎn)換成電荷量。本系統(tǒng)中使用的紅外熱像儀 MS6550如圖 。本實驗利用試件夾具背后的旋轉(zhuǎn)螺栓（帶有刻度 ）來給試件施加不同的壓力，具體實驗步驟如下： 調(diào)平實驗平臺。這暗洞使散斑圖像攜帶的物件形變信息大量丟失，對后續(xù)圖像處理產(chǎn)生極大的困難。 用紅外熱像儀同步測量，加熱三分鐘的鋼板在停止加熱后，圖像采集的時間內(nèi)的溫度變化。 實驗數(shù)據(jù)的分析處理 查金屬的熱膨脹系數(shù)表之小鋼板的熱膨脹系數(shù) ? 為 C?? /10* 5 ,測量得小鋼板的厚度 mml 3? ；激光器的波長 ?? 。我們把最后處理的數(shù)據(jù)帶入到數(shù)字散斑測溫的一般公式中，所得到的溫度與紅外熱像儀實際測到的溫度有不小的差距。 （ 2）認真學(xué)習(xí)了散斑干涉法測量原理，熱力學(xué)以及彈性力學(xué)的相關(guān)知識，通過物體應(yīng)變量將散斑干涉條紋與溫度聯(lián)系起來，建立起測試系統(tǒng)的理論模型，在理論上說明了利用散斑干涉技術(shù)進行溫度測試的可行性。 （ 2）在散斑干涉法金屬熱變形測量實驗中加熱源用小功率陶瓷電加熱板作為熱源能更加安全。 （ 4） 在本次實驗中，我們采取的是先加熱到一定的溫度，然后采集降溫過程中的條紋變化，因此導(dǎo)致測試的溫度在 400度至 800度之間，在這個溫度區(qū)間中發(fā)現(xiàn)了不同的規(guī)律，下一步我們應(yīng)該測量 400攝氏度至室溫的溫度下的鋼片的溫度變化與條紋的關(guān)系，完善總體的溫度與條紋的關(guān)系。 （ 3）搭 建了系統(tǒng)驗證性實驗平臺，得到了反應(yīng)溫度信息的散斑干涉條紋圖樣。 （ 2）試件受熱不均勻：本系統(tǒng)實驗中，采用丁烷氣體加熱器對試件進行直接加熱，這樣會導(dǎo)致試件表面受熱不均勻，從而導(dǎo)致試件局部產(chǎn)生的離面位移不相同，而散斑的變化只能反映試件的局部離面位移，從而反映局部的溫度變化；本次實驗中用紅外熱像儀直接測的試件的溫度，其反映的也是局部溫度。 則可得圖像采集的時間： 22184/4000 ??t 秒 相鄰圖片的時間間隔為： ???t 秒 將采集系統(tǒng)中任意兩張照 片通過 Matlab相減處理后得到有干涉條紋的圖像，再將散斑干涉條紋經(jīng)濾波、去噪等數(shù)據(jù)處理后 ,可以得到激光的條紋圖如圖 、圖 所示。接下來詳細介紹了實驗過程中所用到器件的相關(guān)知識以及選取理由，為接下來的實驗過程打下基礎(chǔ)；接著給出了實驗光路圖，確立了整個實驗要分兩步走的思路。再定 CCD 參數(shù)為分辨率 320?160，幀頻200fps，幅數(shù)為 4000。 圖 實驗裝置實物圖 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的工作面。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 20 頁 共 32 頁 圖 紅外熱像儀實物圖 參考面 試件的參考面是測量試件表面形變的基準，且要求參考面的表 面的散射特性在理論上與試件表面的散射特性相同，由本測試系統(tǒng)所采用的光路分析可知：當(dāng)參考面和試件表面具有相同的形狀時，使得本系統(tǒng)理論上的光程差將為零，這也符合波面理論。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 上的空中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 19 頁 共 32 頁 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。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。HeNe 激光器是最早研制成功的氣體激光器。 如圖 ，整個測試系統(tǒng)有三大模塊組成，分別為加熱裝置、試件、測量系統(tǒng)，為了檢測本測試系統(tǒng)的可行性以及精度，我們在實驗的同時采用紅外熱像儀記錄同一時刻試件的溫度，將兩種測溫方法所得實驗數(shù)據(jù)進行分析比較 。 為了簡化運算，我們把力看成是垂 直作用到橫截面上的，這樣，式中 ? 就表示為正應(yīng)力。本系統(tǒng)中的金屬試件受到高溫的作用下，形變較小，且在工程實際問題中，這種形變甚至可以忽略，故我們可以認為試件為彈性體。由熱力學(xué)知識可以知道，物態(tài)方程正是聯(lián)系溫度與其他狀態(tài)參量之間的一個函數(shù)關(guān)系方程式，這為我們進行研究提供了思路。 應(yīng)變與溫度的模型建立 物體溫度的變化會導(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)系式進行表達，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)的角度來確定這個關(guān)系式。參考光束經(jīng)反射鏡反射后再次經(jīng)過分束器入射到 CCD 表面；同樣，物光束照射到物體表面后，經(jīng)物體漫反射后也再次通過分束鏡到達 CCD 表面。物體某點 ),( yx發(fā)生形變時，將引起物光復(fù)振幅發(fā)生 ? ?的位相改變，這