【正文】 （ 6）在散斑干涉法金屬熱變形測量實驗中，薄鋼片在整個實驗過程中，一直被固定在一個金屬試 件架上，這樣會影響到薄鋼板的表面形變量，因此我們要研究一種不影響其表面形變的方法。 （ 4） 在本次實驗中，我們采取的是先加熱到一定的溫度，然后采集降溫過程中的條紋變化，因此導致測試的溫度在 400度至 800度之間，在這個溫度區(qū)間中發(fā)現了不同的規(guī)律，下一步我們應該測量 400攝氏度至室溫的溫度下的鋼片的溫度變化與條紋的關系，完善總體的溫度與條紋的關系。 （ 2）在散斑干涉法金屬熱變形測量實驗中加熱源用小功率陶瓷電加熱板作為熱源能更加安全。隨著光學精密儀器、圖像處理技術的不斷發(fā)展，散斑干涉技術在溫度測試方面的優(yōu)勢將會逐漸顯現出來，有待進一步更 深入的研究。 （ 4）對系統模型涉及到的部分參量后期處理方法進行了探討說明。 （ 3）搭 建了系統驗證性實驗平臺，得到了反應溫度信息的散斑干涉條紋圖樣。 （ 2）認真學習了散斑干涉法測量原理，熱力學以及彈性力學的相關知識，通過物體應變量將散斑干涉條紋與溫度聯系起來，建立起測試系統的理論模型，在理論上說明了利用散斑干涉技術進行溫度測試的可行性。本文提出的是基于散斑干涉法的溫度測試技術，這是一種新型的光學測溫方法，具有高精度、全場性、非接觸、實時性、高靈敏度等特點，是對溫度測試技術的全新探討。 （ 4）在對試件加熱以及整個系統的實驗中，試件一直固定在一個金屬材質的試件架上，即試件架一直對試件施加這一個力，這個力會對試件形變量產生影響，最終影響到實驗數據的精確度。 （ 2）試件受熱不均勻：本系統實驗中，采用丁烷氣體加熱器對試件進行直接加熱，這樣會導致試件表面受熱不均勻，從而導致試件局部產生的離面位移不相同，而散斑的變化只能反映試件的局部離面位移，從而反映局部的溫度變化；本次實驗中用紅外熱像儀直接測的試件的溫度，其反映的也是局部溫度。我們把最后處理的數據帶入到數字散斑測溫的一般公式中，所得到的溫度與紅外熱像儀實際測到的溫度有不小的差距。 Matlab圖像處理后統計的結果如表 ： 表 后 12秒，干涉條紋級數 溫差表 干涉條紋級數 2 3 4 圖片間隔 (張 ) 5 7 9 理論溫差 (oC) 14 21 28 實際溫度估算值 (oC) 中北大學 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 ?? ，理論上計算的溫差 CT o7?? 實驗誤差分析 本次系統采用 CCD 高速相機采集圖像，圖像采集時間間隔約為 秒，具有很高的精確度；推得數字 散斑測溫的一般公式02 )1( Tl nEkT T ??? ? ?，它的優(yōu)點除了涵蓋數字散斑干涉測試的優(yōu)點外，還有精度較高的優(yōu)勢。 中北大學 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，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 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 實驗總結： 在本實驗中，通過紅外熱像儀對試件實際溫度的測試，以及用 Matelab處理得到的照片，統計出如下結果： （ 1）用紅外熱像儀實測得，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。 則可得圖像采集的時間： 22184/4000 ??t 秒 相鄰圖片的時間間隔為： ???t 秒 將采集系統中任意兩張照 片通過 Matlab相減處理后得到有干涉條紋的圖像，再將散斑干涉條紋經濾波、去噪等數據處理后 ,可以得到激光的條紋圖如圖 、圖 所示。 實驗數據的分析處理 查金屬的熱膨脹系數表之小鋼板的熱膨脹系數 ? 為 C?? /10* 5 ,測量得小鋼板的厚度 mml 3? ；激光器的波長 ?? 。金屬鋼的等溫壓縮系數 Tk 數值很小，幾乎不隨溫度的改變而發(fā)生變化，可以看作常量來處理。 中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 24 頁 共 32 頁 4 實驗后期分析 處理 實驗相關參數分析 在第二章我們建立了應變與散斑干涉條紋數以及應變與溫度的關系，現在我們將式 2?nl?? 與式 ? ? TEklTTEkll TT ??????? 11 0 ??聯立，消去共同參量 l? ，可以得式（ ）： 02 )1( Tl nEkT T ??? ? ? () 上式即為聯系溫度 T 與散斑干涉條紋數 n 的函數關系式，顯然，要想得到溫度，我們必須知道小鋼板的解熱的溫度 0T ，初始厚度 l ，激光波長 ? 以及金屬鋼板的膨脹系數 ? ，等溫壓縮系數 Tk 和彈性模量。接下來詳細介紹了實驗過程中所用到器件的相關知識以及選取理由，為接下來的實驗過程打下基礎；接著給出了實驗光路圖，確立了整個實驗要分兩步走的思路。 用紅外熱像儀同步測量，加熱三分鐘的鋼板在停止加熱后，圖像采集的時間內的溫度變化。 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進行圖像采集。實驗裝置實物圖如圖 。再定 CCD 參數為分辨率 320?160，幀頻200fps，幅數為 4000。這暗洞使散斑圖像攜帶的物件形變信息大量丟失，對后續(xù)圖像處理產生極大的困難。 中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 22 頁 共 32 頁 調節(jié)相機鏡頭光圈，通過觀察圖像采集軟件窗口中物件上的散斑圖像的明暗，來判斷圖像是否曝光過度。 放入被測試件和 CCD攝像機，調節(jié)分束鏡上二維調整臺的微調旋扭，使被試件 反射的光的中心照射到 CCD攝像機接收表面上。 圖 實驗裝置實物圖 調整 HeNe 激光器激光管的俯仰 ,使激光器發(fā)出的光束平行于工作平臺的工作面。本實驗利用試件夾具背后的旋轉螺栓（帶有刻度 ）來給試件施加不同的壓力，具體實驗步驟如下： 調平實驗平臺。下面我們具體介紹這兩個實驗的過程。 圖 參考面實物圖 系統實現 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度是否相同以及周圍雜質光的干擾等都會直接影響散斑干涉條紋的產生與否及質量好壞，加上儀器準直繁瑣，受熱金屬試件變形不明顯等因素的影響，這就決定了實驗前的調試工作將會耗 費大量時間。 中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 20 頁 共 32 頁 圖 紅外熱像儀實物圖 參考面 試件的參考面是測量試件表面形變的基準，且要求參考面的表 面的散射特性在理論上與試件表面的散射特性相同，由本測試系統所采用的光路分析可知：當參考面和試件表面具有相同的形狀時，使得本系統理論上的光程差將為零，這也符合波面理論。本系統中使用的紅外熱像儀 MS6550如圖 。紅外熱像儀能夠將探測到的熱量精確量化，不僅能夠觀察熱圖像，還能夠對發(fā)熱的故障區(qū)域進行準確識別和嚴格分析。本實驗中使用的高速相機實物如圖 。視頻信號中的每一個離散的電壓信號的大小對應于該光敏像元上圖像的光強，信號輸出的時序對應于該光敏像元在 CCD 上的空中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 19 頁 共 32 頁 間位置，從而 CCD 用自身電子掃描方式完成信息從空間域到時間域的變換。被檢測對像的光信息通過光學成像系統成像于 CCD的光敏面上， CCD的光敏像元將其上的光強度轉換成電荷量。凹透鏡和凸透鏡的鏡面特征直接決定光束通過擴束鏡后的分布情況，本系統的擴 束鏡正是起到了擴大光束半徑的作用。 擴束鏡（如圖 ）是一種將光的光束半徑擴大的一種鏡片，它帶來的好處是將光束覆蓋的范圍擴大，其不良后果就是給光的準直帶來了麻煩，是光準直的對立面。介于其結構的特殊性，在實驗過程中，半透半反鏡可能會沾上外界的灰塵，為了使實驗效果更好，通常情況下我們需 要擦干凈分束鏡。分束鏡的作用是將一束光分成兩束或兩束以上具有一定光強比的透射光與反射光，按照反射光強與透射光強的比例關系分類，有固定分束比分束鏡和可變分束比分束鏡兩類。本實驗所選用的 HeNe 激光器如圖 所示，其功率為5mw，波長為 。放電管長數十厘米的 HeNe 激光器輸出功率為毫瓦量級，放電管長 1m~2m的激光器其輸出功率可達幾十毫瓦。HeNe 激光器是最早研制成功的氣體激光器。為達到上述要求，以及實驗室條件的限制，我們采用丁烷氣體加熱器如圖 ，用火焰充分加熱試件。 圖 基于散斑干涉的溫度測試系統圖 散斑干涉系統 紅外熱像儀 試 件 加熱裝置 中北大學 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，本系統選取一塊薄鋼板作為測量試件，主要是因為鋼是熱和電的良 導體，熔點高，加熱過程中化學性質穩(wěn)定；熱膨脹系數較大，受熱后形變量明顯，易于觀察；且金屬鋼材料內部均勻，各向同性，當熱源撤去后能逐漸恢復原狀，滿足系統模型中彈性體的要求。本系統實驗裝置主要包括測試試件、熱源、 HeNe 激光器、擴束鏡、分束鏡、反射鏡、 CCD相攝機、計算機（內裝圖像處理軟件）以及紅外熱像儀。 如圖 ，整個測試系統有三大模塊組成，分別為加熱裝置、試件、測量系統，為了檢測本測試系統的可行性以及精度，我們在實驗的同時采用紅外熱像儀記錄同一時刻試件的溫度，將兩種測溫方法所得實驗數據進行分析比較 。 中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 15 頁 共 32 頁 3 系統實現 設計思路 本實驗利用溫度改變會引起試件發(fā)生微小形變，通過散斑干涉技術采集試件形變前后兩次干涉圖樣，然后將兩組數據進行軟件處理，并利用相關數學模型進行計算，最終得出實驗結果。在第二節(jié)中介紹了散斑概念及數字散斑干涉理論，并根據實際需要選定了離面位移測量模型，建立了物體應變與數字散斑干涉條紋之間的關系。 應變與溫度的關系 溫度改變引起金屬試件發(fā)生微小形變，這種形變是沿著各個方向的，為了方便研究，我們假設熱效應只引起金屬試件一個方向的膨脹，物體體積的改變只與該方向形變有關 [30]，如圖 : 圖 立體試件中某一方向形變示意圖 結合圖 ，我們可以得到物體體積變化與形變的 關系式 S S F l ll ?? 中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 14 頁 共 32 頁 ?????? 1)0,( ),( 00 l llTV pTV （ ） 根據壓強及應變的定義將 ()式變形可得： ?Ep? （ ） 聯立（ ）、（ ）、（ ）可以得到 ??? EkTT T????? )(11 0 （ ） 通過運算得到 ? ? TEklTTEkll TT ??????? 11 0 ?? （ ） 其中 0T 為測試試件時實驗室的溫度，這樣，通過式（ ）我們就建立了應變與溫度間的關系。 為了簡化運算，我們把力看成是垂 直作用到橫截面上的，這樣，式中 ? 就表示為正應力。根據連續(xù)體力學彈性體規(guī)律我們可知，在 一維方向上進行的加熱變形屬于線應變，根據定義，線應變 : ll??? （ ） 其中 l? 表示受熱后試件發(fā)生的形變， l 表示受熱之前原試件的長度， ? 表示應變。 彈性體通常采用應變來描述形變。 金屬試件材料均勻，內部各向力學性質相同，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。本系統中的金屬試件受到高溫的作用下，形變較小，且在工程實際問題中，這種形變甚至可以忽略，故我們可以認為試件為彈性體?？紤]到這兩點，則可以建立以下物態(tài)方程： ])(1)[0,(),( 000 pkTTTVpTV T???? ? （ ） 彈性體形變的一維問題 中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 12 頁 共 32 頁 物體在外力的作用下，質元間的相對位置會發(fā)生微小變化，從而使物體發(fā)生形變，此時，體內各質元處于一種新的緊張狀態(tài)，產生了一種彈性回復力，即物體有抗拒外力作用以恢復其形狀不變的能力。 體脹系數 ? ，在給出壓強保持不變的情況下，溫度升高 1K所引起的物體體積的相對變化，即為： pTVV )(1 ???? （ ） 等溫壓縮系數 Tk ，在給出溫度保持不變的情況下，增加單位壓強所引起的物體體積的相對變化