云紋干涉法測(cè)量流體溫度場(chǎng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(編輯修改稿)
2025-08-28 18:41 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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)。(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(cè)出這種熱變形。、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(lái)，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(wèn)題就越嚴(yán)重。針對(duì)這一問(wèn)題的具體特點(diǎn)，成功地研究了一系列新型微電子封裝組件的熱應(yīng)變問(wèn)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)電廠主蒸汽管道的蠕變監(jiān)測(cè)，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(jià)值的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，而且同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了高溫云紋干涉法實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)于曲面的變形問(wèn)題的研究，拓寬了高溫云紋干涉法的應(yīng)用范圍。本章首先闡述了云紋干涉法理論上的兩種基本解釋，對(duì)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(duì)目前國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)工作者對(duì)云紋干涉法在高溫測(cè)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(kāi)展云紋干涉法在高溫測(cè)試領(lǐng)域的研究準(zhǔn)備了必要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。2 莫爾偏折法測(cè)量流體溫度場(chǎng)的基本原理－戴爾（GladstoneDale）公式 對(duì)于均勻透明介質(zhì)，根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的知識(shí)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 （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(jiǎn)化為格拉德斯通－戴爾（Gladstone－Dale）公式，簡(jiǎn)稱 G－D 公式，即 （22）其中 K 為格拉德斯通－戴爾常數(shù)，簡(jiǎn)稱 G－D 常數(shù)。K值隨氣體的種類的不同而不同，且隨波長(zhǎng)略有變化。對(duì)于溫度場(chǎng)，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 (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(duì) n( x,y,z)有 (24a) 或 (24b) 式（2－4a）、（2－4b）表明溫度一階導(dǎo)數(shù)和所測(cè)的折射率一階導(dǎo)數(shù)之間有比較簡(jiǎn)單的關(guān)系，由式（22）和式（23）可得溫度場(chǎng) T 與折射率場(chǎng) n 的關(guān)系為 (25) 在莫爾偏折法中，通過(guò)測(cè)量莫爾條紋的位移獲得光線經(jīng)過(guò)流體的偏折角，從而進(jìn)一步獲得流體的折射率場(chǎng) n，再借助于（2－5）式獲得流體的溫度場(chǎng) T。 利用光線傳播的費(fèi)馬(Fermat)原理可知，光線通過(guò)穩(wěn)定的非均勻折射率場(chǎng)時(shí)光線的傳播方向會(huì)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(guò)非均勻折射率場(chǎng)時(shí)偏折的角度為: (26a) 兩式中的積分均指對(duì)于整個(gè)光線所穿過(guò)得路程的積分，其中L為探測(cè)光束所經(jīng)過(guò)的試驗(yàn)段的長(zhǎng)度，和分別表示光線穿過(guò)非均勻折射率場(chǎng)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(duì)于溫度呈二維分布的流場(chǎng)而言,和可以寫成如下更簡(jiǎn)單的形式 (26b) 由以上分析可見(jiàn)，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(chǎng)可以歸結(jié)為研究熱流體的折射率場(chǎng)的分布。另一方面，折射率場(chǎng)和光線通過(guò)位相物體后的偏折角是密切相關(guān)的。光學(xué)偏折法測(cè)溫就是通過(guò)光線在非均勻場(chǎng)中的偏折角的測(cè)量而獲得折射率場(chǎng)，進(jìn)而得到溫度場(chǎng)的。 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(cè)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(gè)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(jí)亮紋上取一點(diǎn)( x ,y)，為了討論的方便，以對(duì)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(jiǎn)單的幾何分析即可得 其中k 和m 均為整數(shù)，對(duì)于一級(jí)亮紋有 mk=1由（2－7）可以解得: (29)實(shí)驗(yàn)中θ角很小，從而我們有以下近似： (210) 一級(jí)亮紋對(duì)應(yīng)于l=mk=1。對(duì)二級(jí)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(duì)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(jí)次l之間的關(guān)系。從（2－10）式可知條紋間距為 (211) 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(duì)一級(jí)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(lái)進(jìn)行流體溫度場(chǎng)測(cè)量的方法稱為莫爾偏折法。莫爾偏折法測(cè)溫的基本原理如圖 23所示。圖 23 莫爾偏折法原理圖中 G1,G2為兩個(gè)等節(jié)距光柵，光柵節(jié)距為 p ，兩個(gè)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(guò)被測(cè)非均勻介質(zhì)后，光線的傳播方向?qū)⑵x原來(lái)傳播方向的角度為。在 yz 平面和xz 平面的投影分別為和。當(dāng)d 滿足 Talbot 距離時(shí)，會(huì)在光柵 G2處產(chǎn)生光柵G1的 Talbot 像，此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋。如果光線穿過(guò)被測(cè)介質(zhì)后通過(guò)光柵，由于光線的偏折會(huì)使莫爾條紋產(chǎn)生位移。這時(shí)光柵的序數(shù)方程為 (212) (213)利用近似，解(212) (213)得 （214）考慮到，上式簡(jiǎn)化為 （215）當(dāng)光線沒(méi)有通過(guò)位相物體時(shí)，由（2－10）式 x = lp/θ與（2－15）聯(lián)立得莫爾條紋位移為 (216)偏折角在 xz 軸平面的投影對(duì)莫爾條紋位移的貢獻(xiàn)不大。 綜上可知，在圖 2－2 所示的坐標(biāo)系中，條紋垂直于 x 軸，光線受擾后條紋位移沿著 x 軸方向
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