【正文】 時，物光與參考光相互干涉使像面上點 ),( yx 的光強變?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擴束光干涉中北大學 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、相關模式，本系統(tǒng)主要利用減模式 來形成條紋。前者實質(zhì)上是像面散斑，后者則是通過自由空間傳播形成的近場散斑和遠場散斑 [19]。 因此，通過以上兩個關系模型進行相關變量代換，就可以建立起散斑干涉條紋與物體溫度之間的關系，達到利用數(shù)字散斑干涉法間接測量溫度的目的。但隨著算法的發(fā)展、簡化 ,和計算機日新月異的更新 ,這些問題會逐漸得到解決。 經(jīng)過近幾十年的研究和發(fā)展，數(shù)字散斑干涉測量技術已經(jīng)成為一種比較成熟的高精度無損測量技術，廣泛應用于振動、位移、形變、斷裂及粗糙度等的測量，成中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 5 頁 共 32 頁 為當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 40 年代英國 DenisGabor 提出全息術 [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注，并開始作為一種噪聲得到了系統(tǒng)的研究，對此進行大量的工作是圖如何消除散斑效應。 非接觸式測溫方法則不需要與被測對象接觸，則不會干擾溫度場，動態(tài)響應特性一般也很好，但是會受到被測對象表面狀態(tài)或測量介質(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溫和非接觸測溫兩大類，如圖 [6]。在非接觸測溫方法中，光學原理測溫技術，是近十幾年發(fā)展起來的一門全新的測試技術，利 用溫度的變化所引起的光學圖樣的變化來測量并計算出該物理量是其基本原理。針對現(xiàn)有溫度測試技術的不足，本文對基于金屬熱變形的散斑干涉測溫技術進行了研究，與傳統(tǒng)的測溫技術相比，該方法具有非接觸、高精度等特點，是對測溫技術的一種全新探討，具有重要的研究意義。 關鍵詞 ：數(shù)字散斑干涉技術，離面位移，非接觸式測溫，干涉條紋 中北大學 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)關系。接觸測溫法在測量時需要與被測物體或介質(zhì)充分接觸，利用熱傳導原理，使兩者之間進行充分的熱交換，最后達到熱平衡。但是這種方法會受到最主要的兩個方面的影響：被測對象表面狀態(tài)和測量介質(zhì)物性參數(shù)。隨后 1969年英國學者 Leenderz在國際光學會議上提出了利用散斑檢測粗 糙表面的光學干涉方法 ——散斑干涉測量法（ Speckle Interferometry） [12]。但在習慣上，人們往往將用電子處理方法實現(xiàn)的電子散斑干涉法 (ESPI)和用數(shù)字處理方法實現(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 ,美國貝爾實驗室的 Dudderar等將光纖成功用于全息測量中 ,到現(xiàn)在 ,各種光纖和傳像束在 ESPI/DSPI系統(tǒng)中的應用進行了理論和實驗研究 ,獲得了較好的效果。 本論文的主要研究內(nèi)容 溫度引起物體形變， CCD 高速相機拍攝出物體形變在在激光照射下的散斑干涉條紋，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)和照明光場的相干性對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 有關；散斑的對比度和被測物體的表面粗糙度有著很密切的關系，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)生相應的變化，這就是散斑的運動規(guī)律特性，本文正是利用了散斑的這一特性作為理論基礎來進行研究的。 這時 ? ??? 12 ??? n 1??n , 2? , 3? … （ ） 若物體發(fā)生微小位移，則物體移動前后散斑干涉條紋發(fā)生改變 [24]，會造成物光復振幅的總的位相改變 ? ?， 由于光強差 I 是相位差 ? ? 的函數(shù)，所以若物體表面各部位位移不同，其光強差也不同，由此可產(chǎn)生明暗變化的光強差條紋，利用這種方法可以測量出物體的位移。 離面位移測量原理如圖 ，激光束經(jīng)過全反鏡，擴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，因為待測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)。 在介紹簡單系統(tǒng)物態(tài)方程以前，我們先介紹幾個與物態(tài)方程有關的物理量。這里我們首先研究金屬受熱引起某一個方向上的微小形變，即彈性體形變的一維問題，進而推廣至三維的方法來處理。 本章小結(jié) 本章首先對整個系統(tǒng)模型的建立進行了總體分析，明確了散斑干涉法測溫是一種間接測溫方法，總體模型的建立需要分成兩個小模型來分別進行分析設計的思路。下面就本實驗系統(tǒng)的需要進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)構簡單、體積較小、價格低廉等優(yōu)點，在準直、定位、全息照相、測量、精密計算、光盤錄放等方面得到了廣泛的應用。由激光原理知識我們可以知道光的發(fā)散角和束腰半徑是激光的兩個重要參數(shù)，擴束鏡的作用就是改變這兩個參數(shù)，從而改變激光傳播的廣場分布，通常情況下，擴束鏡是由一個凹透鏡和一個凸透鏡構成的。 本系統(tǒng) CCD采用德國生產(chǎn)的 EoSens CL MC136063型黑白高速攝像 機，其基本性能參數(shù)如下： 本實驗中設定分辨率： 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 高速相機實物圖 紅外熱像儀 紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外能量 (熱量 )，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，進而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并 可以對溫度值進行計算的一種檢測設備。因此，直接進行高溫熱變形測量實驗比較困難，為此本實驗決定分為兩個步驟進行：首先搭建系統(tǒng)進行散斑干涉法中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 21 頁 共 32 頁 應力變形測量實驗，該實驗干涉條紋移動效果比較明顯，目的在于調(diào)試整個系統(tǒng)的可靠性，當?shù)谝粋€實驗取得較好的實驗結(jié)果時，再在該系統(tǒng)的基礎上進行散斑干涉法金屬熱變形測量實驗，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 攝像機接收表面上，這時便可以在計算機采集圖像的軟件上看到散斑。 圖 實驗裝置實物圖 微調(diào)裝置，使計算機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 ? 均為確定 參量，可以直接測量確定。 Matlab圖像處理后統(tǒng)計的結(jié)果如表 ： 表 前 10秒，干涉條紋級數(shù) 溫差表 干涉條 紋級數(shù) 2 3 4 圖片間隔 (張 ) 3 4 5 理論溫差 (oC) 14 21 28 實際溫度估算值（ oC） 條紋變化一級 :時間間隔為 st ?? ，理論上計算的溫差 CT o7?? （ 2）用紅外熱像儀實測得，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 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)密切相關的一個物理量，因此溫度測試技術逐漸成為國內(nèi)外研究的熱門課題。 展望 由于時間倉促，加上實驗室條件限制，本文只是初步對此進行了研究，要達到精確測量必須克服很多數(shù)據(jù)采集技術問題。 中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 30 頁 共 32 頁 參考文獻 [1] 王魁漢 .溫度測量技術的現(xiàn)狀及展望 [J].基礎自動化 20xx,(1):1~6 [2] 是度芳 .激光檢測與診斷技術 [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 [M].武漢 :華中理工大學出版社， 20xx:154~ 165 [4] 楊永軍 .溫度測量技術現(xiàn)狀和發(fā)展概述 [M].北京：中航工業(yè) 北京長城計量測試技術研究所， 20xx:230~245 [5] 倪震楚 .現(xiàn)代溫度測量技術綜述 [J].消防理論研究 .20xx,22(4):270~272 [6] 秦玉文，戴嘉彬，陳金龍 .電子散斑方法的進展 [J].力學 .20xx,11(4):410~416 [7] 張東升 ,劉景偉 .用數(shù)字散斑干涉法測量動態(tài)面內(nèi)位移場 [J].國防科技大學學報 .20xx,17(2):100~104 [8] 張東升，劉景偉，李鴻琦 .面內(nèi)和離面位移場的電子散斑自動檢測技術研究 [J].實驗力學 .20xx,10(4):356~365 [9] 劉寶會 .多功能數(shù)字散斑干涉無損檢測技術及應用研究 [D].博士學位論文 .天津 :天津大學機械工程學院， 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