【正文】 PU參與，因此圖像傳輸速度可達(dá)40MB/S。本系統(tǒng)采用的圖像采集卡VIDEOPICSM是北京大恒圖像視覺有限公司設(shè)計的基于PCI總線的高速黑白圖像采集卡。 本系統(tǒng)CCD采用日本先鋒公司生產(chǎn)的Pioneer Times PNT313型黑白攝像機(jī)，其基本性能參數(shù)如下：分辨率：CCIR：500(H)582(V) EIA：510(H)492(V)光靈敏度：性噪比：48db工作溫度：20o~50o工作電源：DC12V/800mA CCD相機(jī)立體圖 CCD 鏡頭實物圖 圖像采集卡圖像采集卡是作為圖像與計算機(jī)之間的通信接口部件，它是將視頻信號變?yōu)橛嬎銠C(jī)數(shù)字圖像的硬件設(shè)備。視頻信號中的每一個離散的電壓信號的大小對應(yīng)于該光敏像元上圖像的光強(qiáng)，信號輸出的時序?qū)?yīng)于該光敏像元在CCD上的空間位置，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(xué)成像系統(tǒng)成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元將其上的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)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(kuò)束鏡后的分布情況，本系統(tǒng)的擴(kuò)束鏡正是起到了擴(kuò)大光束半徑的作用。擴(kuò)束鏡是一種將光的光束半徑擴(kuò)大的一種鏡片，它帶來的好處是將光束覆蓋的范圍擴(kuò)大，其不良后果就是給光的準(zhǔn)直帶來了麻煩，是光準(zhǔn)直的對立面。介于其結(jié)構(gòu)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(qiáng)比的透射光與反射光，按照反射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)的比例關(guān)系分類，有固定分束比分束鏡和可變分束比分束鏡兩類。按其形狀分類，反射鏡可分為平面反射鏡，球面反射鏡和非球面反射鏡，本系統(tǒng)使用的反射鏡是平面反射鏡。本實驗所選用的HeNe激光器如圖1所示，其功率為5mw。放電管長數(shù)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(dá)幾十毫瓦。 HeNe激光器是最早研制成功的氣體激光器。為達(dá)到上述要求，我們采用小功率陶瓷電加熱板作為熱源，這樣可以使熱源與試件均勻接觸，保證試件各處受熱均勻。 金屬試件的選取 為了測量方便，本系統(tǒng)選取銅制薄板作為測量試件，主要是因為金屬銅是熱和電的良導(dǎo)體，熔點(diǎn)高，加熱過程中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；熱膨脹系數(shù)較大，受熱后形變量明顯，易于觀察；且金屬銅材料內(nèi)部均勻，各向同性，當(dāng)熱源撤去后能逐漸恢復(fù)原狀，滿足系統(tǒng)模型中彈性體的要求。 散斑干涉系統(tǒng)紅外熱像儀試 件加熱裝置 實驗總體思路框圖 實驗裝置介紹與選擇 本系統(tǒng)實驗裝置主要包括測試試件、熱源、HeNe激光器、擴(kuò)束鏡、分束鏡、反射鏡、CCD相攝機(jī)、圖像采集卡、計算機(jī)（內(nèi)裝圖像處理軟件）以及紅外熱像儀。根據(jù)這一基本思路，我們進(jìn)行了實驗設(shè)計。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。 本章小結(jié)本章首先對整個系統(tǒng)模型的建立進(jìn)行了總體分析，明確了散斑干涉法測溫是一種間接測溫方法，總體模型的建立需要分成兩個小模型來分別進(jìn)行分析設(shè)計的思路。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)系由大量的實驗證明，在伸長縮小足夠小的情況下，力與伸長成正比，即 （）但是物體形變不僅取決于外力，也取決與物體本身的長度，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)變來描述，上式改寫為 （）當(dāng)物體發(fā)生應(yīng)變時，在形變的任意橫截面處都存在一對應(yīng)力，于是有下面的關(guān)系式： （）以上比例關(guān)系寫成等式即為： （）其中比例系數(shù)稱為材料的彈性模量，它決定于材料自身的性質(zhì)。： 一維方向下試件加熱形變示意圖在熱源的作用下，金屬試件發(fā)生離面位移，根據(jù)力學(xué)定義我們可知，在截面上所施加的力和橫截面積之間定義了一個應(yīng)力，其表達(dá)式為 （）其中表示應(yīng)力，表示橫截面所受力的大小，表示橫截面積。所謂應(yīng)變，是指物體受外力作用時發(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。這里我們首先研究金屬受熱引起某一個方向上的微小形變，即彈性體形變的一維問題，進(jìn)而推廣至三維的方法來處理。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。在外力不大或形變不大的情況下，外力去除后，物體將恢復(fù)其原有的大小和形狀，這種形變稱為彈性形變，這種物體稱為彈性體，物質(zhì)的這種特性稱為彈性[28]。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)。在介紹簡單系統(tǒng)物態(tài)方程以前，我們先介紹幾個與物態(tài)方程有關(guān)的物理量。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。而溫度正是熱學(xué)中特有的狀態(tài)參量，要研究溫度，就必須建立溫度與其他四類參量之間的關(guān)系。在整個加熱過程中，金屬受熱膨脹，溫度逐漸上升，整個變化過程是不穩(wěn)定的非平衡狀態(tài)，如果把整個加熱過程分解成無數(shù)個小時間段，那么在每個小時間段內(nèi)，系統(tǒng)都可近似看作是熱平衡態(tài)。在本系統(tǒng)中，因為待測試件擬采用金屬固體，其與外界熱源只有能量傳遞而無物質(zhì)交換，因此金屬試件本身屬于封閉系統(tǒng)。 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)存在的一個狀態(tài)函數(shù)，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)。當(dāng)物體變形后，由于物體表面發(fā)生離面位移(沿軸方向)，使物光與參考光產(chǎn)生2的光程差，于是在CCD電視攝像機(jī)成像平面上物光和參考光的位相差為 （）此時，CCD電視攝像機(jī)記錄的光強(qiáng)分布為 （）采用減法模式，并取絕對值為 （）當(dāng)=2n n=,… 時 （），呈現(xiàn)暗條紋,將()代入()式得 （）通過統(tǒng)計暗條紋級數(shù)n，代入式（），即可求出離面位移。，激光束經(jīng)過全反鏡，擴(kuò)束鏡和分束鏡分成物光和參考光，它們分別照射到漫反射的物表面和參考面上之后再返回，兩束返回的光束在成像面上相互干涉形成干涉條紋。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]。 離面位移測量原理激光被準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后照射到分束器上，被分束器分為物光束和參考光束。各種測量方案均遵循上述理論。這時 n=,… （）若物體發(fā)生微小位移，則物體移動前后散斑干涉條紋發(fā)生改變[24]，會造成物光復(fù)振幅的總的位相改變，由于光強(qiáng)差是相位差的函數(shù)，所以若物體表面各部位位移不同，其光強(qiáng)差也不同，由此可產(chǎn)生明暗變化的光強(qiáng)差條紋，利用這種方法可以測量出物體的位移。 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， =4 （）實際情況，變化比變化慢得多，由式（）可看到它有兩個互相調(diào)制的函數(shù)項，第一項頻率高，表示散斑，第二項變化頻率低，表示散斑條紋。物體變形前像面上任一點(diǎn)的光強(qiáng)可表示為： （）式中，IA和IB分別為物光和參考光強(qiáng)度，是一個隨機(jī)散斑位相。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。散斑的大小與觀察平面的位置及與照明光波的波長有關(guān)；散斑的對比度和被測物體的表面粗糙度有著很密切的關(guān)系，決定了是否能產(chǎn)生可判讀的散斑圖；如果被激光照明的粗糙表面發(fā)生位移或變形，則在觀測平面上的散斑圖也要產(chǎn)生相應(yīng)的變化，這就是散斑的運(yùn)動規(guī)律特性，本文正是利用了散斑的這一特性