【正文】 （ 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。在實(shí)驗(yàn)過程中主要存在并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有深遠(yuǎn)影響的需要克服的問題： （ 1）在 散斑干涉法應(yīng)力變形測量實(shí)驗(yàn)中，要求勻速旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)螺母一圈，現(xiàn)在只能靠人力完成，在將來希望可以用單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)配合控制，這樣就會(huì)減少誤差。本文提出了將實(shí)驗(yàn)分成兩個(gè)步驟進(jìn)行的思路，即先進(jìn)性散斑干涉法應(yīng)力變形測量實(shí)驗(yàn)，而后在前一個(gè)實(shí)驗(yàn)取得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，再進(jìn)行散斑干涉測溫實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。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。 （ 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(shí)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。但是我們必須認(rèn)識到，本系統(tǒng)中的精確是在模型假設(shè)的前提下成立，各項(xiàng)參數(shù)為準(zhǔn)確參量的情況下得到的結(jié)論。圖 1800張圖像（即前十秒采集的照片）中相減處理后產(chǎn)生條紋的圖像中的三幅；圖 2200張（即后十二秒采集的照片）圖片中的相減處理后產(chǎn)生條紋的圖像中的三幅。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。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)。 定 CCD參數(shù)為分辨率： 320?160，幀頻 184fps，幅數(shù)為 4000。 散斑干涉法金屬熱變形測量實(shí)驗(yàn) 將散斑干涉法應(yīng)力變形測量中 的試件換為相同大小的另一塊鋼板，其余裝置保持不變。如果散斑圖像曝光過度會(huì)造成兩圖像相減圖像中心出現(xiàn)暗洞。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。 散斑干涉法應(yīng)力變形測量實(shí)驗(yàn) 應(yīng)力變形測量實(shí)驗(yàn)就是 通過給試件施加壓力使試件發(fā)生位移，從而導(dǎo)致散斑干涉條紋改變的實(shí)驗(yàn)。本測量系統(tǒng)所用的參考面同樣由鋼制成如圖 。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(dòng)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。 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(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時(shí)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。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 18 頁 共 32 頁 圖 分束鏡實(shí)物圖 圖 擴(kuò)束鏡實(shí)物圖 CCD 攝像機(jī) CCD(Charge Couple Device)是 70年代初期在美國首先研制成功的一種新型圖像傳感器，是一種光電耦合器件， CCD 突出特點(diǎn)是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號， CCD 的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。但是為了保持反射和折射的光束比，實(shí)驗(yàn)要求我們必須保護(hù)好分束鏡的鍍膜，切忌擦傷，損壞半反半透鏡。 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(shí)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。在可見光及紅外波段可產(chǎn)生多條譜線。 熱源的選取 本實(shí)驗(yàn)中，在對受熱后產(chǎn)生熱變形的試件用 CCD 采集散斑圖像時(shí)，要求保證試件的受熱狀態(tài)穩(wěn)定。 圖 實(shí)驗(yàn)總體思路框圖 實(shí)驗(yàn)裝置介紹與選擇 數(shù)字散斑瞬態(tài)高溫測試系統(tǒng)如圖 。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。 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(shí)，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)。所謂應(yīng)變，是指物體受外力作用時(shí)發(fā)生的相對形變，即其體積、長度和形狀的變化與其原有值之比。 為了簡化研究，對于彈性體，有以下假設(shè) [28,29]： 1） 彈性體材料均勻、連續(xù)； 2） 彈性體各個(gè)方向上的力學(xué)性質(zhì)相同； 3） 彈性體幾何大小的變化及形狀的改變量與其總尺寸相比很小。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)。 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。在整個(gè)加熱過程中，金屬受熱膨脹，溫度逐漸上升，整個(gè)變化過程是不穩(wěn)定的非平衡狀態(tài)，如果把整個(gè)加熱過程分解成無數(shù)個(gè)小時(shí)間段，那么在每個(gè)小時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)都中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 11 頁 共 32 頁 可近似看作是熱平衡態(tài)。 熱力學(xué)平衡態(tài)描述 由熱力學(xué)第零定律知道，溫度是 熱平衡狀態(tài)下熱力學(xué)系統(tǒng)存在的一個(gè)狀態(tài)函數(shù)[26]，要討論溫度與其他狀態(tài)量的關(guān)系，必須以熱平衡狀態(tài)作為前提，下面我們先介紹一下熱力學(xué)平衡態(tài)的概念： 在熱力學(xué)中，我們將與外界既沒有能量交換也沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)；與外界有能量交換但沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)稱為封閉系統(tǒng)。 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。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]。各種測量方案均遵循上述理論。 在減模式運(yùn)算中，變形前的散斑干涉場圖像存在圖像板中與變形后的散斑干涉場圖像相減并取絕對值，這時(shí)， 10 ),( IIyxI ?? =4 BAII ? ? ? ???? ????21s in221s in （ ） 實(shí)際情況， ?? 變化比 ? 變化慢得多，由式（ ）可看到它有兩個(gè)互相調(diào) 制的函數(shù)項(xiàng)，第一項(xiàng)頻率高，表示散斑，第二項(xiàng)變化頻率低，表示散斑條紋。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。我們研究的散斑主要是像面散斑。同時(shí)按照光場的傳播方式，將散斑場分為遠(yuǎn)場散斑 (與夫瑯和費(fèi)衍射對應(yīng) )、近場散斑 (與菲涅爾衍射對應(yīng) )和像面散斑三種類型。為了更好地利用實(shí)驗(yàn)效果來驗(yàn)證本文理論，本課題主要以受熱條件下的金屬固體作為研究對象，模型的建立也是依此作為基礎(chǔ)進(jìn)行。 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。同時(shí) ,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(cuò)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)。目前 ,半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合效率問題是發(fā)展的關(guān)鍵 ,相信在未來的幾年 ,問題會(huì)得到解決。 數(shù)字散斑干涉技術(shù)的前景 隨著現(xiàn)代社會(huì)的迅速發(fā)展，要求散斑計(jì)量技術(shù)更趨向于 實(shí)用化。例如，八十年代末，天津大學(xué)秦玉文教授首次提出使用渥爾德棱鏡作錯(cuò) 位鏡，解決了雙像光強(qiáng)不等的問題。 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)。 1971 年英國學(xué)者 Butter 和 Leenderz以及美國學(xué)者 Makovski 相繼成功的以電視攝相機(jī)取代了全息干板的使用，視頻檢測技術(shù)的引進(jìn)使得采用可視化方式來記錄并處理靜態(tài)和動(dòng)態(tài)光學(xué)粗糙表面的位移成為可能，這種技術(shù)被稱為電子散斑干涉測量法 (ESPI)[13]。 1962 年貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Rigden 和 Gordon 首先解釋了激光散斑現(xiàn)象的產(chǎn)生 [11]。 雖然溫度測量方法多種多樣 ,但在很多情況下，對于實(shí)際工程現(xiàn)場或一些特殊條件下的溫度測量 [9]，比如對極限溫度、高溫腐蝕性介質(zhì)溫度、氣流溫度、表面溫度、固體內(nèi)部溫度分布、微尺寸目標(biāo) 溫度、大空間溫度分布、生物體內(nèi)溫度、電磁中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 3 頁 共 32 頁 干擾條件下溫度測量來講，要想得到準(zhǔn)確可靠的結(jié)果并非易事，需要非常熟悉各種測量方法的原理及特點(diǎn) ,結(jié)合被測對象要求選擇合適的測量方法才能完成。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。通常來說，接觸式測量儀表比較簡單，測試結(jié)果直觀可靠，儀器價(jià)格相對低廉，因而在實(shí)際生活中得到了廣泛的應(yīng)用 [7]。下面分別介紹兩類測溫方法的原理及特點(diǎn)。因此本課題提出利用散斑干涉技術(shù)測量溫度實(shí)質(zhì)上是測量物體因溫度改變而發(fā)生的變形量，然后通過后期計(jì)算得到結(jié)果，這是一種間接測溫方法 [4]。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(huì)對被測物體產(chǎn)生干擾，并且還具有時(shí)間和空間分辨率高以及能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)測量等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外熱門研究的技術(shù)之一 [3]。隨著科技的迅速發(fā)展，高溫、超高溫、低溫、超低溫等非常態(tài)實(shí)驗(yàn)及工程應(yīng)用越來越多，越來越復(fù)雜；另一方面，武器型號、重大裝備及精密制造技術(shù)的發(fā)展也需要進(jìn)行溫度場的檢測研究。 論文在充分了解數(shù)字散斑干涉測量原理的基礎(chǔ)上， 從熱傳導(dǎo)和熱彈性理論出發(fā)，推導(dǎo)了散斑干涉條紋與物體表面溫度的關(guān)系；采用高速相機(jī)搭建了系統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)平臺，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，獲得了包含物體溫度信息的散斑干涉條紋圖，驗(yàn)證了利用散斑干涉技術(shù)進(jìn)行溫度測試的可行性，并進(jìn)行了誤差分析。 畢業(yè)論文 基于金屬熱變形的散斑干涉測溫技術(shù)研究 學(xué)生姓名： 學(xué)號 10051041 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 光電信息工程 指導(dǎo)教師： 王小燕 20xx 年 6 月 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 基于金屬熱變形的散斑干涉測溫技術(shù)研究 摘要 溫度測試與科學(xué)研究及國民經(jīng)濟(jì)中工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)。 為兵器、航天領(lǐng)域振動(dòng)、腐蝕等惡劣條件下的溫度測試研究，提供了一 種全新方案?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，行業(yè)需求不斷提高，對溫度測量的精確度要求也越來越高，因此溫度場的測量研究一直都受到人們的廣泛關(guān)注。本課題主要研究基于高速相機(jī)數(shù)字散斑干涉法的一種溫度測試技術(shù)，是光學(xué)測溫方法的一種全新技術(shù)。 數(shù)字散斑干涉技術(shù)測溫屬于非接觸式測溫方法，即測量過程不需要與被測對象接觸，因而不會(huì)干擾溫度場；實(shí)驗(yàn)過程中反映試件變形的散斑條紋即時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，能迅速記錄瞬時(shí)溫度場的全過程，具有實(shí)時(shí)性，直觀