【文章內(nèi)容簡介】 方面的研究。謝惠民在 1992 年首次提出了一種新型的雙鍍層高溫云紋光柵制作工藝，它的特點(diǎn)概括為 :在不同的材料表面上，利用兩種抗氧化能力強(qiáng)的金屬鍍層制作云紋光柵，使得該工藝制作的高溫云紋光柵具有廣泛的適用性。他應(yīng)用此工藝在青銅、不銹鋼材料上制作了高溫柵，并且分別進(jìn)行了 550℃長時間氧化實(shí)驗(yàn)和 750℃短時間氧化實(shí)驗(yàn)。為了解決陶瓷材料的熱沖擊斷裂和航空發(fā)動機(jī)葉片殘余變形測量以及材料在強(qiáng)激光輻照下的變形測試等新問題，又促使高溫柵向更高的溫度發(fā)展，出現(xiàn)了干法濕法刻蝕金屬和陶瓷材料基體的零厚度光柵 (1100℃ )，并對進(jìn)一步認(rèn)識材料的斷裂破壞機(jī)理作出了貢獻(xiàn)，也使得高溫云紋干涉法實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的高溫柵得到更進(jìn)一步的發(fā)展。 高溫條件下的光柵復(fù)制技術(shù)是高溫云紋干涉法的另一重要技術(shù)。 等1989 年在極低膨脹率材料 (UEL)基體上制作高溫云紋光柵，然后在高溫條件下用環(huán)氧膠將光柵復(fù)制到試件 表面。試件冷卻到室溫，試件柵隨之變形，在室溫下利用云紋干涉法測出這種熱變形。 、 等繼續(xù)發(fā)展了高溫柵復(fù)制技術(shù)，成功地研究了炭 /環(huán)氧纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層板的固化殘余應(yīng)變 (125℃ )，隨后又成功地研究了新型炭 /環(huán)氧纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層板的固化殘余應(yīng)變 (185℃ )。八十年代后期以來，微電子封裝技術(shù)朝著大規(guī)模、高密度表面安裝的方向迅猛發(fā)展。由于微電子封裝組件結(jié)構(gòu)的尺寸復(fù)雜，并且由力學(xué)性能不同的多種材料組成，熱膨脹系數(shù)的不匹配導(dǎo)致很大的應(yīng)變梯度和應(yīng)變集中，微電子封裝組件結(jié)構(gòu)的尺寸越小，結(jié)構(gòu)材料越復(fù)雜 ，熱應(yīng)變問題就越嚴(yán)重。針對這一問題的具體特點(diǎn)， 等人在試件柵高溫復(fù)制技術(shù)的基礎(chǔ)上又發(fā)展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面的試件柵復(fù)制技術(shù)，成功地研究了一系列新型微電子封裝組件的熱應(yīng)變問題，并使高溫云紋干涉法實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到更進(jìn)一步的發(fā)展。為了將云紋干涉法實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電廠主蒸汽管清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 32 頁 道的蠕變監(jiān)測，鄒大慶等人提出并實(shí)現(xiàn)了曲面變形柵復(fù)制技術(shù)，但為工程單位提供了有價值的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，而且同時也實(shí)現(xiàn)了高溫云紋干涉法實(shí)驗(yàn)技術(shù)對于曲面的變形問題的研究，拓寬了高溫云紋干涉法的應(yīng)用范圍。 小結(jié) 本章首先闡述了云紋干涉法理論上的兩種基本 解釋，對云紋干涉法的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、光柵技術(shù)等進(jìn)行了介紹，并對目前國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)工作者對云紋干涉法在高溫測試領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)行了綜述。本章內(nèi)容為作者進(jìn)一步開展云紋干涉法在高溫測試領(lǐng)域的研究準(zhǔn)備了必要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 32 頁 2 莫爾偏折法測量流體溫度場的基本原理 格拉斯通－戴爾（ GladstoneDale）公式 對于均勻透明介質(zhì)，根據(jù)經(jīng)典電動力學(xué)的知識可以得到它的折射率是介質(zhì)密度的函數(shù)，用羅倫茨－羅倫茲（ LorenzLorentz）關(guān)系式表示為 常數(shù)???111 22nn? （ 21） 其中 ? 是介質(zhì)密度。 氣體，折射率 n 接近于 1，羅倫茨－羅倫茲關(guān)系式可以簡化為格拉德斯通－戴爾（ Gladstone－ Dale）公式，簡稱 G－ D 公式，即 Kn ?? ?/)1( （ 22） 其中 K 為格拉德斯通－戴爾常數(shù)，簡稱 G－ D 常數(shù)。 K 值隨氣體的種類的不同而不同，且隨波長略有變化。 對于溫度場，如果在氣流中壓強(qiáng)可以認(rèn)為是常數(shù)，并且理想氣體狀態(tài)方程成立，即 RTMP?? (23) 其中 P 為壓強(qiáng)， T 為溫度， M 為氣體的分子量， R 氣體常數(shù)。則對 n( x,y,z) 有 yTTnyTRTK M Pyn ??????????? 002 1 ?? (24a) 或ynn TynK M PRTyT ??????????? ?? 0021 (24b) 式（ 2－ 4a）、（ 2－ 4b）表明溫度一階導(dǎo)數(shù)和所測的折射率一階導(dǎo)數(shù)之間有比清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 共 32 頁 較簡單的關(guān)系，由式（ 22）和式（ 23）可得溫度場 T 與折射率場 n 的關(guān)系為 RPnKMT 1?? (25) 在莫爾偏折法中，通過測量莫爾條紋的位移獲得光線經(jīng)過流體的偏折角，從而進(jìn)一步獲得流體的折射率場 n，再借助于（ 2－ 5）式獲得流體的溫度場 T。 非均勻介質(zhì)中光線的傳播 利用光線傳播的費(fèi)馬 (Fermat)原理可知，光線通過穩(wěn)定的非均勻折射率場時光線的傳播方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。設(shè)光線沿 z 軸正方向傳播，由幾何分析和理論分析都可以得到光線穿過 非均勻折射率場時偏折的角度為 : dzynndzxnnLyLx????????0011?? (26a) 兩式中的積分均指對于整個光線所穿過得路程的積分，其中 L為探測光束所經(jīng)過的試驗(yàn)段的長度， x? 和 y? 分別表示光線穿過非均勻折射率場后的偏折角在xz 和 yz 平面內(nèi)的投影 ,n 為介質(zhì)的折射率。對于溫度呈二維分布的流場而言 , x? 和 y? 可以寫成如下更簡單的形式 ynnLxnnLyx???????? (26b) 由以上分析可見，熱流體的溫度，壓力和濃度等狀態(tài)參數(shù)與密度 有確定的函數(shù)關(guān)系，而熱流體的折射率是密度的函數(shù)，所以研究熱流體的溫度場可以歸結(jié)為研究熱流體的折射率場的分布。另一方面，折射率場和光線通過位相物體后的偏折角是密切相關(guān)的。光學(xué)偏折法測溫就是通過光線在非均勻場中的偏折角的測量而獲得折射率場，進(jìn)而得到溫度場的。 莫爾偏折法測溫的基本原理 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 32 頁 莫爾偏折法是建立于莫爾效應(yīng)基礎(chǔ)上的一種光學(xué)方法。由莫爾效應(yīng)產(chǎn)生的莫爾條紋圖是測試信息的載體。圖 21 為莫爾條紋產(chǎn)生機(jī)理的示意圖，圖中兩個光柵 G1 和 G2 的節(jié)距均為 p，它們與 x 軸的夾角均為θ /2。在一級亮紋 上取一點(diǎn) ( x ,y)，為了討論的方便，以對莫爾條紋的形成進(jìn)行細(xì)致分析，被討論區(qū)域放大圖如圖 22所示。簡單的幾何分析即可得 ? ?? ? pmxypkxy?????????????????????????????????????2s in2c o s2s in2c o s )82()72(?? 其中 k 和 m 均為整數(shù)，對于一級亮紋有 mk=1 由（ 2－ 7）可以解得 : )2/sin(2 )( ? pkmx ?? (29) 實(shí)驗(yàn)中θ角很小，從而我們有以下近似： ?? lppkmx ??? )( (210) 一級亮紋對應(yīng)于 l=mk=1。對二級亮紋的分析可以得到其相應(yīng) l= mk=2，如圖 21 所示。從而可知，（ 2－ 10）式是對莫爾條紋的亮紋位置的描寫，它反映了條紋的位置 x和條紋的級次 l之間的關(guān)系。從（ 2－ 10）式可知條紋 間距為 ?pp?39。 (211) 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 共 32 頁 圖 21莫爾條紋形成機(jī)理的序數(shù)方程法解釋中的幾何關(guān)系 圖 22對一級亮紋的序數(shù)方程分析 利用光束偏折產(chǎn)生莫爾條紋位移來進(jìn)行流體溫度場測量的方法稱為莫爾偏折法。莫爾偏折法測溫的基本原理如圖 23 所示。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 共 32 頁 圖 23 莫爾偏折法原理 圖中 G1,G2為兩個等節(jié)距光柵，光柵節(jié)距為 p ，兩個光柵之間的距離為 d。 在 x y平面內(nèi)，光柵 G1,G2與 x軸交角分別為 +θ /2 和 θ /2。光線透過被測非均勻介質(zhì)后，光線的傳播方向?qū)⑵x原來傳播方向的角度為 ? 。 ? 在 yz 平面和 xz 平面的投影分別為 y? 和 x? 。 當(dāng) d 滿足 Talbot 距離時，會在光柵 G2處產(chǎn)生光柵 G1的 Talbot 像，此時將會產(chǎn)生莫爾條紋。 如果光線穿過被測介質(zhì)后通過光柵，由于光線的偏折會使莫爾條紋產(chǎn)生位移。這時光柵的序數(shù)方程為 pkdxdyxy )(2s i n)39。(2c o s)( ????? ????????????????? (212) ? ?pmxy ??? ??????????????? 2s i n39。2c o s (213) 利用近似 12cos ????????，22sin ?? ???????解 (212) (213)得 ? ??? lpddx xy ??? 2/39。 （ 214） 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 17 頁 共 32 頁 考慮到 12/ ??? ，上式簡化為 ?? lpdx y ??39。 （ 215） 當(dāng)光線沒有通過位相物體時，由（ 2－ 10）式 x = lp/θ與（ 2－ 15）聯(lián)立得莫 爾條紋位移為 ? ? ? ??? dyxxxyxh y ,39。, ???