【正文】 ， 便于條紋的后期處理，再結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，使條紋自動分析成為可能，為實(shí)現(xiàn)條紋自動化測量創(chuàng)造了良好的條件。當(dāng)這種變形量處于散斑干涉模型的測量范圍之內(nèi)時(shí)，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(jìn)行代換，最終得到不同形變時(shí)刻對應(yīng)的物體溫度。 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(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，直觀性的特點(diǎn)；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沒有特殊要求 [17]，是一種清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 5 頁 共 32 頁 簡單新穎的溫度測量方法。 具體的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章：介紹課題研究背景和相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，明確本課題研 究意義； 第二章：建立散斑干涉技術(shù)測溫方法的理論模型； 第三章：設(shè)計(jì)并操作具體的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)； 第四章：實(shí)驗(yàn) 后期 相關(guān)參數(shù) 處理； 第五章：全文總結(jié)與展望。 當(dāng) 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(yùn)用相關(guān)算法進(jìn)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 。 因此 ，通過以上兩個(gè)關(guān)系模型進(jìn)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(dá)到利用數(shù)字散斑干涉法間接測量溫度的目的。 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(dāng)激光照射 光學(xué)粗糙表面 上時(shí)，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(jī)的空間光強(qiáng)分布，呈現(xiàn)出顆粒狀的結(jié)構(gòu)，這就是散斑 [18]。 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(qiáng)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。按觀察條件將散斑分成主觀散斑與客觀散斑兩種類型。前者實(shí)質(zhì)上是像清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 7 頁 共 32 頁 面散斑，后者則是通過自由空間傳播形成的近場散斑和遠(yuǎn)場散斑 [19]。 激光散斑的特征主要用它的大小、對比度 (襯度 )及其運(yùn)動規(guī)律來表征 [20,21]。 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(jī)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(jìn)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 所示 [23]。 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(dá) 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。 物體某點(diǎn) ),( yx 發(fā)生形變時(shí)，將引起 物光復(fù)振幅發(fā)生 ? ? 的位相改變 ， 這時(shí) ， 物光與參考光相互干涉使 像面上點(diǎn) ),( yx 的光強(qiáng) 變 為 )c o s (2),(1 ?? ????? BABA IIIIyxI （ ） 圖 物體變形產(chǎn)生 ? ? 相位變化的示意圖 清華 大學(xué) 2020 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。 當(dāng) sin( 2?? )=0 時(shí) 將出現(xiàn)暗條紋 這時(shí) ?? =2n? n= 1? , 2? , 3? ? （ ） 當(dāng) sin( 2?? )=1 時(shí) 將出現(xiàn)亮條紋，并且該亮條紋帶有斑點(diǎn)。 目前，數(shù)字散斑 干涉 技術(shù)主要用于五個(gè)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。本次設(shè)計(jì)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。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(dá) CCD 表面 。散斑干涉圖經(jīng)圖像采集卡實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)隨機(jī)存儲器，通過數(shù)字圖象處理這清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 9 頁 共 32 頁 些干涉圖樣可計(jì)算出物體的位移。 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?? （ ） 圖 離面位移測量 原理圖 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 os (2 00220 rrr aaaa ?? ???? （ ） 式中 ),(* yxE 為 ),( yxE 的共軛光波復(fù)振幅。 應(yīng)變 — 溫度模型的建立 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(jìn)行表達(dá)，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(xué)與 彈性 力學(xué)的角度來確定這個(gè)關(guān)系式。 如果孤立系統(tǒng)經(jīng)過足夠長的時(shí)間后，系統(tǒng)的各種宏觀性質(zhì)在長時(shí)間內(nèi)不發(fā)生任何變化， 則稱這樣的狀態(tài) 為熱力學(xué)平衡態(tài) [26]。 但是，如果把熱源與金屬試件看成一個(gè)整體，它 們與外界幾乎沒有能量和物質(zhì)的交換 ，組成一個(gè)復(fù)合的孤立系統(tǒng)。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 11 頁 共 32 頁 固體狀態(tài)方程描述 一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)可以由它的幾何參量、力學(xué)參量、化學(xué)參量、 電磁 參量 以及熱學(xué)參量 的數(shù)值確定，熱力學(xué)所研 究的全部宏觀物理量都可以表達(dá)為這五 類參量的函數(shù) [26]。由 熱力學(xué)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(gè)函數(shù)關(guān)系方程式，這為我們進(jìn)行研究提供了思路。 而金屬固體內(nèi)部性質(zhì)相同，故我們近視認(rèn)為這是一個(gè)只需考慮體積和壓強(qiáng) 兩個(gè)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(jìn)行描述的問題 。 體脹系數(shù) ? ，在 給出壓強(qiáng)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(shù) Tk ， 在給出溫度保持不變的情況下，增加單位壓強(qiáng)所引起的物體體積的相對變化，即為： TT pVVk )(1 ???? （ ） 其中 V 表示體積， P 表示壓強(qiáng)， 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(shí)驗(yàn)的方法測得體脹系數(shù) ? 和等溫壓縮系數(shù) Tk 。 考慮到這 兩點(diǎn)， 則可以建立以下物態(tài)方程 [26， 28]： ])(1)[0,(),( 000 pkTTTVpTV T???? ? （ ） 彈性體形變的一維 問題 物體在外力的作用下，質(zhì)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，清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 12 頁 共 32 頁 此時(shí)，體內(nèi)各質(zhì)元處于一種新的緊張狀態(tài)，產(chǎn)生了一種彈性回復(fù)力，即物體有抗拒外力作用以恢復(fù)其形狀不變的能力。本系統(tǒng)中的金屬試件受到高溫的作用下，形變較小，且在工程實(shí)際問題中，這種形變甚至可以忽略，故我們可以認(rèn)為試件為彈性體。 金屬試件材料均勻，內(nèi)部各向力學(xué)性質(zhì)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。 彈性體通常采用應(yīng)變來描述形變。 根據(jù)連續(xù)體力學(xué)彈性體規(guī)律我們可知，在一維方向上進(jìn)行的加熱變形屬于線應(yīng)變，根據(jù)定義，線應(yīng)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(yīng)變 。 l lsl?Fs清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 13 頁 共 32 頁 為了簡化運(yùn)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(yīng)力 。 應(yīng)變與溫度的關(guān)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(gè)方向的，為了方便研究，我們假設(shè)熱效應(yīng)只引起金屬試件一個(gè)方向 的膨脹，物體體積的改變只與該方向形變有關(guān)，如圖 ， 圖 立體試件中某一方向形變示意圖 結(jié)合圖 ，我們可以得到物體體積變化與形變的關(guān)系式 S S F l ll ?? 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 14 頁 共 32 頁 ?????? 1)0,( ),( 00 l llTV pTV （ ） 根據(jù)壓強(qiáng)及應(yīng)變的定義將 ()式變形可得： ?Ep? （ ） 聯(lián)立 （ ）、（ ）、（ ） 可以得到 ??? EkTT T????? )(11 0 （ ） 通過運(yùn)算得到 ? ? TEklTTEkll TT ??????? 11 0 ?? () 其中 0T 為測試試件時(shí)實(shí)驗(yàn)室的溫度， 這樣，通過式 （ ） 我們 就 建立了應(yīng)變與溫度間的關(guān)系 。在第二節(jié)中介紹了散斑概念及數(shù)字散斑干涉理論，并根據(jù)實(shí)際需要選定了離面位移測量模型，建立了物體應(yīng)變與數(shù)字散斑干涉條紋之間的關(guān)系。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 15 頁 共 32 頁 3 數(shù)字散斑干涉法測量溫度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總體思路 溫度改變會引起試件發(fā)生微小形變，通過散斑干涉技術(shù)采集試件形變前后兩次干涉圖樣，然后將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件處理，并利用相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 如圖 ，整個(gè)測試系統(tǒng)有三大模塊組成，分別為加熱裝置、試件、測量系統(tǒng)，為了檢