【正文】 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(qiáng)不等的問題。 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。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。 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),(),( ),(),(0yxirryxireyxayxEeyxayxE?? （ ） 其合成復(fù)振幅為： ),(),(0 ),(),(),( 0 yxiryxi reyxaeyxayxE ?? ?? （ ） 對應(yīng)的光強(qiáng)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。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)。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。 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。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。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。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。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。 （ 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(jì)算值與實(shí)際測量間的誤差。 （ 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。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)。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。 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。在可見光及紅外波段可產(chǎn)生多條譜線。 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)。 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。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]。我們研究的散斑主要是像面散斑。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(jì)算機(jī)輔助散斑干涉計(jì)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(jì)量技術(shù)涌現(xiàn)。 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)。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。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]。 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。 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。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。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(jì)量技術(shù)又發(fā)展了新的技術(shù)。 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]。 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)。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)。 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。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(jì)算機(jī)（內(nèi)裝圖像處理軟件）以及紅外熱像儀。 擴(kuò)束鏡（如圖 ）是一種將光的光束半徑擴(kuò)大的一種鏡片，它帶來的好處是將光束覆蓋的范圍擴(kuò)大，其不良后果就是給光的準(zhǔn)直帶來了麻煩，是光準(zhǔn)直的對立面。 圖 參考面實(shí)物圖 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 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)試工作將會耗 費(fèi)大量時間。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖 。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 25 頁 共 32 頁 (a) 二級條紋圖像圖 （ b） 三級條紋圖像 (c) 四級條紋圖像 圖 前 10秒內(nèi)，干涉條紋圖 (a) 二級干涉條紋圖圖 (b) 三級干涉條紋圖 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 26 頁 共 32 頁 (c) 四級干涉條紋圖 圖 后 12秒，干涉條紋圖 實(shí)驗(yàn)總結(jié)： 在本實(shí)驗(yàn)中，通過紅外熱像儀對試件實(shí)際溫度的測試，以及用 Matelab處理得到的照片，統(tǒng)計(jì)出如下結(jié)果： （ 1）用紅外熱像儀實(shí)測得，前 1800張圖片溫度區(qū)間為（ ， 530）攝氏度；溫度每秒下降約 15攝氏度。 （ 4）對系統(tǒng)模型涉及到的部分參量后期處理方法進(jìn)行了探討說明。隨著光學(xué)精密儀器、圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，散斑干涉技術(shù)在溫度測試方面的優(yōu)勢將會逐漸顯現(xiàn)出來，有待進(jìn)一步更 深入的研究。 Matlab圖像處理后統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表 ： 表 后 12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 ) 5 7 9 理論溫差 (oC) 14 21 28 實(shí)際溫度估算值 (oC) 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 27 頁 共 32 頁 條紋變化一級 :時間間隔為 st ?? ，理論上計(jì)算的溫差 CT o7?? 實(shí)驗(yàn)誤差分析 本次系統(tǒng)采用 CCD 高速相機(jī)采集圖像，圖像采集時間間隔約為 秒，具有很高的精確度；推得數(shù)字 散斑測溫的一般公式02 )1( Tl nEkT T ??? ? ?，它的優(yōu)點(diǎn)除了涵蓋數(shù)字散斑干涉測試的優(yōu)點(diǎn)外，還有精度較高的優(yōu)勢。 接下來就可以給試件加熱處理了，用加熱器對鋼板均勻加熱 3 分鐘后停止加熱，然后用 CCD進(jìn)行圖像采集。下面我們具體介紹這兩個實(shí)驗(yàn)的過程。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。 圖 基于散斑干涉的溫度測試系統(tǒng)圖 散斑干涉系統(tǒng) 紅外熱像儀 試 件 加熱裝置 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 16 頁 共 32 頁 金屬試件的選取 為了測量方便，本系統(tǒng)選取一塊薄鋼板作為測量試件，主要是因?yàn)殇撌菬岷碗姷牧?導(dǎo)體，熔點(diǎn)高，加熱過程中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；熱膨脹系數(shù)較大，受熱后形變量明顯，易于觀察；且金屬鋼材料內(nèi)部均勻，各向同性，當(dāng)熱源撤去后能逐漸恢復(fù)原狀，滿足系統(tǒng)模型中彈性體的要求。 彈性體通常采用應(yīng)變來描述形變。但是，如果把熱源與金 屬試件看成一個整體，它們與外界幾乎沒有能量和物質(zhì)的交換，組成一個復(fù)合的孤立系統(tǒng)。 目前，數(shù)字散斑干涉技術(shù)主要用于五個方面的測量，它們分別是：面內(nèi)位移測量，離面位移測量，表面形狀測量，三維位移場測量和位相物體測量。因此散斑的分類也就多種多樣，按物體表面的性質(zhì)可以將散斑分成強(qiáng)散射屏產(chǎn)生的正態(tài)散斑和弱散射屏產(chǎn)生非正態(tài)散斑；按照明光場的相干性可以將散斑分成完全相干散斑和部分相干散斑。該技術(shù)簡化了光路、縮小了體積、耐腐蝕、可用于惡劣環(huán)境。 在早期的檢測中 ,由于散斑干涉測量法采用全息干板作為記錄介質(zhì)，需要復(fù)雜的后期光學(xué)濾波和數(shù)據(jù)處理工作，因此導(dǎo)致該技術(shù)難以得到推廣。這時感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對象的溫度值。Using highspeed cameras set up system verification experiment platform and has carried on the experiment,the containing object temperature information of speckle interference fringe figure,it is verified using speckle interferometry to test the feasibility of temperature,and the error analysis was carried provides a new method for the research of temperature measuring under weapons and space vibration,corrosion and other bad conditions. Keywords:Digital Speckle Interferometry,Displacement Away From the Surface,Contactless Temperature Measurement,interference Fringes 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 I 頁 共 II 頁 目 錄 1 緒論 ..........