【正文】 of metal,pared to traditional technology of temperature measuring,this method has the characteristics of noncontact,high method is a kind of new discussion of temperature measurement technology and it has important research meanings. Papers in the full understanding on the basis of the principle of digital speckle interferometry,the heat conduction and thermal elastic theory,speckle interference fringe was deduced and the relationship between surface temperature。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。 測量溫度的方法有很多種，目前常用的測溫方法按接觸方式主要分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類 [2]。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)在于不會對被測物體產(chǎn)生干擾，并且還具有時間和空間分辨率高以及能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時測量等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外熱門研究的技術(shù)之一 [3]。 溫度的改變會引起物體自身的微小變形，這種形變量與溫度之間存在著確定的函數(shù)關(guān)系。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]。 溫度測試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，溫度測量技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展，溫度測量方法有很多，也有多種分類 ,由于測量原理的多樣性，很難找到一種完全理想的分類方法。下面分別介紹兩類測溫方法的原理及特點(diǎn)。接觸測溫法在測量時需要與被測物體或介質(zhì)充分接觸，利用熱傳導(dǎo)原理，使兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡。通常來說，接觸式測量儀表比較簡單，測試結(jié)果直觀可靠，儀器價格相對低廉，因而在實(shí)際生活中得到了廣泛的應(yīng)用 [7]。同時受到耐高溫和耐低溫材料的限制， 不能應(yīng)用于某些極端環(huán)境的溫度測量；另外在測量過程中，測量器件與溫度場直接接觸，會導(dǎo)致待測溫度場的自身獨(dú)立性受到破壞，加之測量時接觸不良等現(xiàn)象的存在，這些都會給測試結(jié)果帶來一定的誤差。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。但是這種方法會受到最主要的兩個方面的影響：被測對象表面狀態(tài)和測量介質(zhì)物性參數(shù)。 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。 圖 溫度測量方法分類 數(shù)字散斑干涉技術(shù)發(fā)展概況 數(shù)字散斑干涉技術(shù)發(fā)展歷程 散斑現(xiàn)象早在 1914 年就被人們發(fā)現(xiàn)，但一直未予以重視。 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]。隨后 1969年英國學(xué)者 Leenderz在國際光學(xué)會議上提出了利用散斑檢測粗 糙表面的光學(xué)干涉方法 ——散斑干涉測量法（ Speckle Interferometry） [12]。 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]。它通過把物體變形前后的散斑圖量化為數(shù)字圖像，存貯在幀存體中，由計(jì)算機(jī)用數(shù)字的方法對它進(jìn)行運(yùn)算，從而在監(jiān)視器上再現(xiàn)干涉條紋圖。 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)。但在習(xí)慣上，人們往往將用電子處理方法實(shí)現(xiàn)的電子散斑干涉法 (ESPI)和用數(shù)字處理方法實(shí)現(xiàn) [15]的數(shù)字散斑干涉法 (DSPI)統(tǒng)稱為電子散斑干涉法 (ESPI)。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 位鏡，解決了雙像光強(qiáng)不等的問題。 1996 年，天津大學(xué)的佟景偉、張東升等人對撞擊載荷下數(shù)字散斑離面位移的測試進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了撞擊載荷下的數(shù)字散斑干涉，使條紋質(zhì)量大大提高等。 數(shù)字散斑干涉技術(shù)的前景 隨著現(xiàn)代社會的迅速發(fā)展，要求散斑計(jì)量技術(shù)更趨向于 實(shí)用化。從 80年代初 ,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Dudderar等將光纖成功用于全息測量中 ,到現(xiàn)在 ,各種光纖和傳像束在 ESPI/DSPI系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究 ,獲得了較好的效果。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 ,問題會得到解決。但大量繁瑣重復(fù)的相關(guān)運(yùn)算 ,使得計(jì)算量非常龐大、處理數(shù)據(jù)的過程相當(dāng)?shù)木徛?,同時環(huán)境、光源等因素也影響了相關(guān)搜索的準(zhǔn)確性。同時 ,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)。 本論文的主要研究內(nèi)容 溫度引起物體形變， CCD 高速相機(jī)拍攝出物體形變在在激光照射下的散斑干涉條紋，通過散斑干涉條紋的數(shù)據(jù)，可以反演出物體表面的溫度變化。 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。 物體由于 某種原因引起溫度變化時，會發(fā)生位移或形變，而這種形變是由物體內(nèi)部的熱力學(xué)及材料學(xué)等性質(zhì)決定的，所以物體溫度與由于溫度而引起的位移或形變本身存在著一個定量關(guān)系，因此運(yùn)用相關(guān)的熱力學(xué)及材料學(xué)知識就可以建立起物體應(yīng)變與溫度的關(guān)系模型。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。 由散斑的成因可知，物體表面的性質(zhì)和照明光場的相干性對散斑都有著決定性的影響。同時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。當(dāng)用激光照明時，光學(xué)系統(tǒng)形成被照明表面的像，并且像與物的強(qiáng)度有類似的隨機(jī)分布，這就被稱為 “主觀散斑 ”；當(dāng)用激光照明粗糙表面時，其散射光的強(qiáng)度隨位置的不同而隨機(jī)變化，這就被稱為中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 7 頁 共 32 頁 “客觀散斑 ”。我們研究的散斑主要是像面散斑。 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作為理論基礎(chǔ)來進(jìn)行研究的。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。物體變形前像面上任一點(diǎn) ),( yx 的光強(qiáng)可表示為： ?c o s2),(0 BABA IIIIyxI ??? （ ） 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。 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， 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。 這時 ? ??? 12 ??? n 1??n , 2? , 3? … （ ） 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 I 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。各種測量方案均遵循上述理論。 雙光束 離面位移測試?yán)碚? 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。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]。 離面位移測量原理如圖 ，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。 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。 將 ()代入 ()式得 2?nl?? （ ） 通過統(tǒng)計(jì)暗條紋級數(shù) n，代入式（ ），即可求出離面位移 l? 。 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)[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)。 在本系統(tǒng)中，因?yàn)榇郎y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)。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)。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。 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。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。 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。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。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。如圖 ： 圖 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 F 和橫截面積 S 之間定義了一個應(yīng)力，其表達(dá)式為 SF?? （ ） l lsl?Fs中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 第 13 頁 共 32 頁 其中 ? 表示應(yīng)力， F 表示橫