【正文】 ，即為： TT pVVk )(1 ???? （ ） 其中 V 表示體積， P 表示壓強， T 表示溫度 拋開氣體物態(tài)方程，對于簡單固體（各向同性固體），可以通過實驗的方法測得體脹系數(shù) ? 和等溫壓縮系數(shù) Tk 。而金屬固體內(nèi)部性質(zhì)相同，故我們近視認為這是一個只需考慮體積和壓強兩個狀態(tài)參量便可確定的簡單系統(tǒng)，這就轉(zhuǎn)化為利用簡單系統(tǒng)下狀態(tài)方程進行描述的問題。由熱力學知識可以知道，物態(tài)方程正是聯(lián)系溫度與其他狀態(tài)參量之間的一個函數(shù)關(guān)系方程式，這為我們進行研究提供了思路。 固體狀態(tài)方程描述 一個熱力學系統(tǒng)的平衡態(tài)可以由它的幾何參量、力學參量、化學參量、電磁參量以及熱學參量的數(shù)值確定，熱力學所研究的全部宏觀物理量都可以表達為這五類參量的函數(shù)。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)。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)為熱力學平衡態(tài)。 應(yīng)變與溫度的模型建立 物體溫度的變化會導(dǎo)致物體發(fā)生微小的位移或形變，這種變化可由確定的函數(shù)關(guān)系式進行表達，從而建立物體應(yīng)變與溫度之間的關(guān)系模型，下面我們從熱力學與彈性力學的角度來確定這個關(guān)系式。 當物體變形后，由于物體表面發(fā)生離面位移 l? (沿 z 軸方向 )，使物光與參考光產(chǎn)生 2 l? 的光程差，于是在 CCD電視攝像 機成像平面上物光和參考光的位相差為 l??? 22??? （ ） 此時， CCD電視攝像機記錄的光強分布為 中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 10 頁 共 32 頁 )c o s (2),( 002201 ??? ????? rrr aaaayxI （ ） 采用減法模式，并取絕對值為 10 ),( IIyxI ?? ? ?)c o s ()c o s (2 000 rrraa ????? ????? 2s i n)(2s i n4 00 ???? ?????? ??? rraa （ ） 當 ?? =2n? n= 1? , 2? , 3? … 時 （ ） 0),( ?yxI ，呈現(xiàn)暗條紋。 圖 雙光束離面位移測量光路圖 圖 Laser為激光器， EP為擴束鏡， M為全反射鏡， BS為分光鏡。散斑干涉圖經(jīng)圖像采集卡實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)接嬎銠C隨機存中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 9 頁 共 32 頁 儲器，通過數(shù)字圖象處理這些干涉圖樣可計算出物體的位移。參考光束經(jīng)反射鏡反射后再次經(jīng)過分束器入射到 CCD 表面；同樣，物光束照射到物體表面后，經(jīng)物體漫反射后也再次通過分束鏡到達 CCD 表面。本次設(shè)計擬定為一維測量，最佳適用理論為離面位移測量理論，下面我們著重介紹離面位移測量的相關(guān)知識。 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。 當 sin( 2?? )=0時將出現(xiàn)暗條紋 這時 ?? n2?? 1??n , 2? , 3? … （ ） 當 sin( 2?? )=1時將出現(xiàn)亮條紋，并且該亮條 紋帶有斑點。物體某點 ),( yx發(fā)生形變時，將引起物光復(fù)振幅發(fā)生 ? ?的位相改變，這時，物光與參考光相互干涉使像面上點 ),( yx 的光強變?yōu)椋? )c o s (2),(1 ?? ????? BABA IIIIyxI （ ） 圖 物光與參考光的疊加干涉 反射鏡物體 半反半透鏡CCD擴束光干涉中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 8 頁 共 32 頁 在散斑圖像處理方式中，條紋的形成方式有減模式、加模式、相關(guān)模式，本系統(tǒng)主要利用減模式 來形成條紋。 IA照明被測物體表面，被測物體由成像透鏡成像，經(jīng)分束器到達像面； IB由分束器反射到像面，在像面上，物光與參考光相互干涉形成干涉散斑場。 數(shù)字散斑干涉技術(shù)原理及應(yīng)用范圍 數(shù)字散斑干涉法 [22]是用激光光束直接照射到測試表面，再用電子攝像機采集其變形前后表面散斑顆粒干涉形成的條紋，以測定其離面和面內(nèi)位移的一種新型、先進的測試技術(shù)，其基本原理介紹如下： 在散斑場中引入一束參考 光，使散斑場與參考光發(fā)生干涉，如圖 [23]。 激光散斑的特征主要用它的大小、對比度 (襯度 )及其運動規(guī)律來表征 [20,21]。前者實質(zhì)上是像面散斑，后者則是通過自由空間傳播形成的近場散斑和遠場散斑 [19]。按觀察條件將散斑分成主觀散斑與客觀散斑兩種類型。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。 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 當激光照射光學粗糙表面上時，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的空間光強分布，呈現(xiàn)出顆粒狀的結(jié)構(gòu)，這就是散斑 [18]。 因此，通過以上兩個關(guān)系模型進行相關(guān)變量代換，就可以建立起散斑干涉條紋與物體溫度之間的關(guān)系，達到利用數(shù)字散斑干涉法間接測量溫度的目的。當待測物體發(fā)生某種形變會引起物光與參考光之間的相位差變化，會形成另一幅散斑干涉圖像，通過采集待測物體形變前后兩幀圖像，對其運用相關(guān)算法進行處理，就可以得到待測物體的變形量，這樣就建立起了散斑干涉條紋與物體應(yīng)變之間的關(guān)系模型。為此需要重點研究下列問題： (1)建立試件與溫度變化模型； (2)根據(jù)數(shù)字散斑測量理論，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變與條紋數(shù)之間的關(guān)系； (3)搭建實驗平臺，進行實驗，檢驗該方法的可靠性； (4)對散斑相關(guān)條 紋分析處理； (5)通過實驗數(shù)據(jù)得到散斑相關(guān)條紋變化與溫度變化之間的關(guān)系。散斑干涉計量技術(shù)在很多應(yīng)用中有著其它方法不可比 擬的優(yōu)勢 ,除被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)測量中 [17],還在汽車、天文、防偽、信息處理、表面粗糙度、三維面型測量等方面都有所建樹。但隨著算法的發(fā)展、簡化 ,和計算機日新月異的更新 ,這些問題會逐漸得到解決。數(shù)字散斑相關(guān)測量方法是 80年代末由日本 Yamaguchi和美國南卡羅來納大學的 Panson等人獨立提出的 ,是一種計算機輔助的測量方法 ,具有光路簡單、對測量環(huán)境要求低、自動進行數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點 [16]。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。要解決這一問題，就必須解決檢測系統(tǒng)的實時性好、小型化、提高抗干擾能力等 ,由此散斑計量技術(shù)又發(fā)展了新的技術(shù)。 經(jīng)過近幾十年的研究和發(fā)展，數(shù)字散斑干涉測量技術(shù)已經(jīng)成為一種比較成熟的高精度無損測量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于振動、位移、形變、斷裂及粗糙度等的測量，成中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 5 頁 共 32 頁 為當前國際上的熱門研究課題之一。之后又把視頻技術(shù)、計算機技術(shù)引入錯位散斑干涉術(shù)，從而形成了數(shù)字錯位散斑干涉術(shù)。 我國對數(shù)字散斑干涉技術(shù)的研究和應(yīng)用起步比較晚，所以在技術(shù)和產(chǎn)品化方面處于學習和創(chuàng)新的初步發(fā)展階段，經(jīng)過不懈努力，也取得了一定的研究成果。目前，該技術(shù)逐步代替了以往的用電子處理方法的電子散斑干涉法。數(shù)字散斑干涉減小了電子散斑的噪聲，大大提高了干涉條紋的清晰度。數(shù)字散斑干涉技術(shù) (DSPI)是在電子散斑干涉計量技術(shù)上發(fā)展起來的，其特點就是將電子信號進行數(shù)字化和數(shù)據(jù)處理，信息以數(shù)字圖像的形式記錄下來，存儲在計算機中。 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。當用相干性很好的光（如激光）照射漫反射表面時，漫反射表面形成無數(shù)小光點，類似于點光源，它們反射的光彼此相互干涉，并在物體表中北大學 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)隨機分布的點，人們把這些相干的亮點和暗點稱為散斑，把這種隨機分布的散斑結(jié)構(gòu)稱為散斑場。到了 20 世紀 40 年代英國 DenisGabor 提出全息術(shù) [10]，但是由于散斑的存 在，影響了全息圖的質(zhì)量，散斑由引起人們的關(guān)注，并開始作為一種噪聲得到了系統(tǒng)的研究，對此進行大量的工作是圖如何消除散斑效應(yīng)。同時，還要不斷探索新的溫度測量方法，改進原有測量技術(shù)，以滿足各種條件下的溫度測量需求。隨著科技的發(fā)展，近年來某些極端環(huán)境溫度條件下的研究取得了快速的發(fā)展，加上熱輻射技術(shù)和光學精密儀器的不斷更新進步，非接觸測溫方法在此基礎(chǔ)上大放異彩，成為近些年溫度測量研究的重點。非接觸式測溫方法由于不需要與被測對象直接接觸，不會干擾溫度場，因此保證了溫度場本身的真實性；而且測溫范圍很廣 ，不受測溫上限的限制，一般情況下動態(tài)響應(yīng)特性也很好，可以實現(xiàn)實時性，全場性測量。 非接觸式測溫方法則不需要與被測對象接觸，則不會干擾溫度場，動態(tài)響應(yīng)特性一般也很好，但是會受到被測對象表面狀態(tài)或測量介質(zhì)物性參數(shù)的影響 [8]。 但是接觸式測溫方法的缺點也很明顯，由于測溫元件與被測物體需要進行充分的熱交換，所以需要一定的時間才能達到熱平衡，因而存在測溫延遲現(xiàn)象。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。 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。按照大的方向劃分可分為接觸式測溫和非接觸測溫兩大類，如圖 [6]。 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，因而不會干擾溫度場；實驗過程中反映試件變形的散斑條紋即時顯示在計算機屏幕上，能迅速記錄瞬時溫度場的全過程，具有實時性，直觀性的特點；試件發(fā)生微小變形就可觀察到反映其形變的散斑干涉條紋的變化，具有很高的靈敏 度，因此與其他測量方法相比，能夠更精確地測量物體表面的溫度場；而且系統(tǒng)光路比較簡單，一般不需要防震臺，對光源功率要求也不高，對待測試件的材料尺寸和形狀中北大學 20xx 屆畢業(yè)論文 第 2 頁 共 32 頁 沒有特殊要求，是一種簡單新穎的溫度測量方法 [5]。當這種變形量處于散斑干涉模型的測量范圍之內(nèi)時，理論上我們就可以利用散斑干涉技術(shù)測量物體受熱后 發(fā)生的微小形變量，再通過形變量與溫度的關(guān)系式進行代換，最終得到不同形變時刻對應(yīng)的物體溫度。本課題主要研究基于高速相機數(shù)字散斑干涉法的一種溫度測試技術(shù)，是光學測溫方法的一種全新技術(shù)。在非接觸測溫方法中，光學原理測溫技術(shù)，是近十幾年發(fā)展起來的一門全新的測試技術(shù)，利 用溫度的變化所引起的光學圖樣的變化來測量并計算出該物理量是其基本原理?？茖W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。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 20xx 屆畢業(yè)論文 第 I 頁 共 II 頁 目 錄 1 緒論 ...................................................................................................................................... 1 研究背景及意義 ........................................................................................................ 1 溫度測試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 ...................................................................