【正文】 面位移或變形等物理量的干涉測量技術(shù)，具有波長量級(jí)的靈敏度，廣泛應(yīng)用在無損檢測中。測試過程中不需要防震處理，可以走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入現(xiàn)場測試；(3)它采用相減模式處理干涉散斑場，可消除一般雜散光的影響，所以它可以在明室下操作，這給工作人員帶來了方便；(4)數(shù)字散斑條紋圖能夠以數(shù)字形式存入幀存介質(zhì)中，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(dòng)分析成為可能，為實(shí)現(xiàn)條紋自動(dòng)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(duì)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(duì)象接觸，因而不會(huì)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(tái)，對(duì)光源功率要求也不高，對(duì)待測試件的材料尺寸和形狀沒有特殊要求[17]，是一種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(huì)引起物光與參考光之間的相位差變化，會(huì)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(duì)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(duì)比度(襯度)及其運(yùn)動(dòng)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，[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)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)的光強(qiáng)變?yōu)? （） 物體變形產(chǎn)生相位變化的示意圖

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()=0時(shí) 將出現(xiàn)暗條紋這時(shí) =2n n=,… （）當(dāng)sin()=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(shí)。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(chǔ)器，通過數(shù)字圖象處理這些干涉圖樣可計(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 （） 離面位移測量原理圖其合成復(fù)振幅為： （）對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布為 （） 式中為的共軛光波復(fù)振幅。 應(yīng)變—溫度模型的建立物體溫度的變化會(huì)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)。 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(shí)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(duì)變化，即為： （）等溫壓縮系數(shù)，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(duì)變化，即為： （）其中表示體積，表示壓強(qiáng)，表示溫度拋開氣體物態(tài)方程，對(duì)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)。考慮到這兩點(diǎn)，則可以建立以下物態(tài)方程[26，28]： （） 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(duì)位置會(huì)發(fā)生微小變化，從而使物體發(fā)生形變，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 （）其中表示受熱后試件發(fā)生的形變，表示受熱之前原試件的長度，表示應(yīng)變。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)，SSF 立體試件中某一方向形變示意圖，我們可以得到物體體積變化與形變的關(guān)系式 （）根據(jù)壓強(qiáng)及應(yīng)變的定義將()式變形可得： （）聯(lián)立（）、（）、（）可以得到 （）通過運(yùn)算得到 ()其中為測試試件時(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。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(huì)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。，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)，為了檢測本測試系統(tǒng)的可行性以及精度，我們在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)采用紅外熱像儀記錄同一時(shí)刻試件的溫度，將兩種測溫方法所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。下面就本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的需要進(jìn)行具體的介紹與選取。 熱源的選取