【正文】 時(shí)，物光與參考光相互干涉使像面上點(diǎn) ),( yx 的光強(qiáng)變?yōu)椋? )c o s (2),(1 ?? ????? BABA IIIIyxI （ ） 圖 物光與參考光的疊加干涉 反射鏡物體 半反半透鏡CCD擴(kuò)束光干涉中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 8 頁 共 32 頁 在散斑圖像處理方式中，條紋的形成方式有減模式、加模式、相關(guān)模式，本系統(tǒng)主要利用減模式 來形成條紋。前者實(shí)質(zhì)上是像面散斑，后者則是通過自由空間傳播形成的近場(chǎng)散斑和遠(yuǎn)場(chǎng)散斑 [19]。 因此，通過以上兩個(gè)關(guān)系模型進(jìn)行相關(guān)變量代換，就可以建立起散斑干涉條紋與物體溫度之間的關(guān)系，達(dá)到利用數(shù)字散斑干涉法間接測(cè)量溫度的目的。但隨著算法的發(fā)展、簡(jiǎn)化 ,和計(jì)算機(jī)日新月異的更新 ,這些問題會(huì)逐漸得到解決。 經(jīng)過近幾十年的研究和發(fā)展，數(shù)字散斑干涉測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為一種比較成熟的高精度無損測(cè)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(cè)量，成中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 5 頁 共 32 頁 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 DenisGabor 提出全息術(shù) [10]，但是由于散斑的存 在，影響了全息圖的質(zhì)量，散斑由引起人們的關(guān)注，并開始作為一種噪聲得到了系統(tǒng)的研究，對(duì)此進(jìn)行大量的工作是圖如何消除散斑效應(yīng)。 非接觸式測(cè)溫方法則不需要與被測(cè)對(duì)象接觸，則不會(huì)干擾溫度場(chǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性一般也很好，但是會(huì)受到被測(cè)對(duì)象表面狀態(tài)或測(cè)量介質(zhì)物性參數(shù)的影響 [8]。按照大的方向劃分可分為接觸式測(cè)溫和非接觸測(cè)溫兩大類，如圖 [6]。在非接觸測(cè)溫方法中，光學(xué)原理測(cè)溫技術(shù)，是近十幾年發(fā)展起來的一門全新的測(cè)試技術(shù)，利 用溫度的變化所引起的光學(xué)圖樣的變化來測(cè)量并計(jì)算出該物理量是其基本原理。針對(duì)現(xiàn)有溫度測(cè)試技術(shù)的不足，本文對(duì)基于金屬熱變形的散斑干涉測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行了研究，與傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)相比，該方法具有非接觸、高精度等特點(diǎn)，是對(duì)測(cè)溫技術(shù)的一種全新探討，具有重要的研究意義。 關(guān)鍵詞 ：數(shù)字散斑干涉技術(shù)，離面位移，非接觸式測(cè)溫，干涉條紋 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 Speckle Interference Temperature Measuring Technology Research based on the Thermal Deformation of Metal Abstract Temperature measuring has close connection with scientific research and industrial and agricultural production in the national the unceasing development of the science and technology,the precision requirement of temperature measuring is being higher and at the shortings of the existing temperature testing technology,in this paper,speckle interference temperature measurement technology is studied based on the thermal deformation of metal,pared to traditional technology of temperature measuring,this method has the characteristics of noncontact,high method is a kind of new discussion of temperature measurement technology and it has important research meanings. Papers in the full understanding on the basis of the principle of digital speckle interferometry,the heat conduction and thermal elastic theory,speckle interference fringe was deduced and the relationship between surface temperature。 溫度的改變會(huì)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。接觸測(cè)溫法在測(cè)量時(shí)需要與被測(cè)物體或介質(zhì)充分接觸，利用熱傳導(dǎo)原理，使兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡。但是這種方法會(huì)受到最主要的兩個(gè)方面的影響：被測(cè)對(duì)象表面狀態(tài)和測(cè)量介質(zhì)物性參數(shù)。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(cè)粗 糙表面的光學(xué)干涉方法 ——散斑干涉測(cè)量法（ Speckle Interferometry） [12]。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) [15]的數(shù)字散斑干涉法 (DSPI)統(tǒng)稱為電子散斑干涉法 (ESPI)。從 80年代初 ,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Dudderar等將光纖成功用于全息測(cè)量中 ,到現(xiàn)在 ,各種光纖和傳像束在 ESPI/DSPI系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究 ,獲得了較好的效果。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容 溫度引起物體形變， CCD 高速相機(jī)拍攝出物體形變?cè)谠诩す庹丈湎碌纳吒缮鏃l紋，通過散斑干涉條紋的數(shù)據(jù)，可以反演出物體表面的溫度變化。 由散斑的成因可知，物體表面的性質(zhì)和照明光場(chǎng)的相干性對(duì)散斑都有著決定性的影響。 散斑的大小與觀察平面的位置及與照明光波的波長(zhǎng) 有關(guān)；散斑的對(duì)比度和被測(cè)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(cè)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。 這時(shí) ? ??? 12 ??? n 1??n , 2? , 3? … （ ） 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 I 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(cè)量出物體的位移。 離面位移測(cè)量原理如圖 ，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。 在本系統(tǒng)中，因?yàn)榇郎y(cè)試件擬采用金屬固體，其與外界熱源只有能量傳遞而無物質(zhì)交換，因此金屬試件本身屬于封閉系統(tǒng)。 在介紹簡(jiǎn)單系統(tǒng)物態(tài)方程以前，我們先介紹幾個(gè)與物態(tài)方程有關(guān)的物理量。這里我們首先研究金屬受熱引起某一個(gè)方向上的微小形變，即彈性體形變的一維問題，進(jìn)而推廣至三維的方法來處理。 本章小結(jié) 本章首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模型的建立進(jìn)行了總體分析，明確了散斑干涉法測(cè)溫是一種間接測(cè)溫方法，總體模型的建立需要分成兩個(gè)小模型來分別進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的思路。下面就本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的需要進(jìn)行具體的介紹與選取。由于其可輸出連續(xù)可見光，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在準(zhǔn)直、定位、全息照相、測(cè)量、精密計(jì)算、光盤錄放等方面得到了廣泛的應(yīng)用。由激光原理知識(shí)我們可以知道光的發(fā)散角和束腰半徑是激光的兩個(gè)重要參數(shù)，擴(kuò)束鏡的作用就是改變這兩個(gè)參數(shù)，從而改變激光傳播的廣場(chǎng)分布，通常情況下，擴(kuò)束鏡是由一個(gè)凹透鏡和一個(gè)凸透鏡構(gòu)成的。 本系統(tǒng) CCD采用德國生產(chǎn)的 EoSens CL MC136063型黑白高速攝像 機(jī)，其基本性能參數(shù)如下： 本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定分辨率： CCIR： 320(H)? 160(V) 幀頻范圍： 17000幀 EIA： 510(H)? 492(V) 光靈敏度： 性噪比： 48db 工作溫度： 20oC~50oC 工作電源： DC12V/750mA 圖 高速相機(jī)實(shí)物圖 紅外熱像儀 紅外熱像儀是通過非接觸探測(cè)紅外能量 (熱量 )，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并 可以對(duì)溫度值進(jìn)行計(jì)算的一種檢測(cè)設(shè)備。因此，直接進(jìn)行高溫?zé)嶙冃螠y(cè)量實(shí)驗(yàn)比較困難，為此本實(shí)驗(yàn)決定分為兩個(gè)步驟進(jìn)行：首先搭建系統(tǒng)進(jìn)行散斑干涉法中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 21 頁 共 32 頁 應(yīng)力變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)干涉條紋移動(dòng)效果比較明顯，目的在于調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)實(shí)驗(yàn)取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，再在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行散斑干涉法金屬熱變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)，事半功倍，效果明顯。 而后放入?yún)⒖济?，要使參考面到分束鏡的距離和被測(cè)物品到分束鏡的距離相同，調(diào)節(jié)使被參考面反射的光束的中心也入射到 CCD 攝像機(jī)接收表面上，這時(shí)便可以在計(jì)算機(jī)采集圖像的軟件上看到散斑。 圖 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖 微調(diào)裝置，使計(jì)算機(jī)屏幕上得到最清晰散斑圖像，且位于中心位置。其中鋼板板初始溫度 0T ，初始厚度 l ，激光波長(zhǎng) ? 均為確定 參量，可以直接測(cè)量確定。 Matlab圖像處理后統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表 ： 表 前 10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 ) 3 4 5 理論溫差 (oC) 14 21 28 實(shí)際溫度估算值（ oC） 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?? （ 2）用紅外熱像儀實(shí)測(cè)得，其他的照片的溫度區(qū)間是（ 530， ）攝氏度；每秒溫度下降約為 10攝氏度。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 28 頁 共 32 頁 5 總結(jié)與展望 全文總結(jié) 隨著科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，溫度成為與許多行業(yè)密切相關(guān)的一個(gè)物理量，因此溫度測(cè)試技術(shù)逐漸成為國內(nèi)外研究的熱門課題。 展望 由于時(shí)間倉促，加上實(shí)驗(yàn)室條件限制，本文只是初步對(duì)此進(jìn)行了研究，要達(dá)到精確測(cè)量必須克服很多數(shù)據(jù)采集技術(shù)問題。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 30 頁 共 32 頁 參考文獻(xiàn) [1] 王魁漢 .溫度測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀及展望 [J].基礎(chǔ)自動(dòng)化 20xx,(1):1~6 [2] 是度芳 .激光檢測(cè)與診斷技術(shù) [M].貴州 :貴州教育出版社， 20xx:130~135 [3] 黃素逸 ,楊金寶 .熱物理量的光測(cè) [M].武漢 :華中理工大學(xué)出版社， 20xx:154~ 165 [4] 楊永軍 .溫度測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展概述 [M].北京：中航工業(yè) 北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所， 20xx:230~245 [5] 倪震楚 .現(xiàn)代溫度測(cè)量技術(shù)綜述 [J].消防理論研究 .20xx,22(4):270~272 [6] 秦玉文，戴嘉彬，陳金龍 .電子散斑方法的進(jìn)展 [J].力學(xué) .20xx,11(4):410~416 [7] 張東升 ,劉景偉 .用數(shù)字散斑干涉法測(cè)量動(dòng)態(tài)面內(nèi)位移場(chǎng) [J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào) .20xx,17(2):100~104 [8] 張東升，劉景偉，李鴻琦 .面內(nèi)和離面位移場(chǎng)的電子散斑自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)研究 [J].實(shí)驗(yàn)力學(xué) .20xx,10(4):356~365 [9] 劉寶會(huì) .多功能數(shù)字散斑干涉無損檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究 [D].博士學(xué)位論文 .天津 :天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 20xx:125~135 [10] Gabon New Microscopic Principle[J].Nature， 20xx， 161:777~778 [11] Rigden, Gordon,1962, ,23~67 [12] , strain analysis in ,Application of ESPImethod for strain analysis in thin wall cylinder[J].20xx,40:563~571 [13] Leendertz J Displacement Measurement on Scattering Surfaces Utilizing Speckle Effect[J].J PhysE SciInstrument,20xx,3(3):214~218 [14] Butters J N,Leendertz J pattern and holographic techniques in engineering metrology[J].Opt Laser ,3~26 [15] Makovski lapse inteferometry and confouring using television system[C].20xx,10(12):2722~2730 [16] , and speckle pattern interferometry usi