云紋干涉法測(cè)量流體溫度場(chǎng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)-在線瀏覽
2024-09-11 18:41本頁(yè)面
【正文】 件下的變形場(chǎng)測(cè)量。 ，準(zhǔn)直激光束垂直入射到一個(gè)高頻正交云紋光柵的表面，在互相垂直的光柵方向產(chǎn)生對(duì)稱的士l級(jí)衍射光，利用四個(gè)反射鏡將這四束衍射光反射到試件表面，這樣即可同時(shí)測(cè)量U、V變形位移場(chǎng)。該光路的關(guān)鍵元件是分光光柵，要求具有很高的質(zhì)量，以保證衍射的四束光仍然是準(zhǔn)直光。該光路系統(tǒng)的光學(xué)元件和試件之間有一定的距離，可以用于處于復(fù)雜環(huán)境中(如高溫環(huán)境)的試件變形測(cè)量。由于云紋干涉法是以復(fù)制在試件或構(gòu)件表面的云紋光柵為試件變形的傳感元件的，因而制作高質(zhì)量、高靈敏度和高精度的試件柵便成為云紋干涉法推廣應(yīng)用的關(guān)鍵性元件。云紋光柵的制作途徑通常有機(jī)刻和光刻兩種。根據(jù)全息干涉原理，全息光柵的頻率與雙光束的夾角2和光源的波長(zhǎng)兄有關(guān)，并由下式?jīng)Q定: （110）為了消除光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件的缺陷和不潔凈引起的散斑噪聲對(duì)光柵質(zhì)量的影響，利用上述制柵系統(tǒng)可以獲得高質(zhì)量的全息云紋光柵，由此獲得云紋條紋可以與光彈性條紋想媲美，為云紋干涉法的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在現(xiàn)代光測(cè)力學(xué)中，云紋法在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用使于六十年代。在以后的發(fā)展中，人們不斷改進(jìn)高溫柵的制作工藝，使高溫柵的制作水平有所提高。同年，Lytle Johnson對(duì)焊接板的熱應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行了研究。他在后來(lái)還提出了使用鎳網(wǎng)制作振幅型高溫粗柵的方法并把高溫柵的使用溫度提高到1370攝氏度。許多實(shí)驗(yàn)工作者致力于這方面的研究。他應(yīng)用此工藝在青銅、不銹鋼材料上制作了高溫柵，并且分別進(jìn)行了550℃長(zhǎng)時(shí)間氧化實(shí)驗(yàn)和750℃短時(shí)間氧化實(shí)驗(yàn)。高溫條件下的光柵復(fù)制技術(shù)是高溫云紋干涉法的另一重要技術(shù)。試件冷卻到室溫，試件柵隨之變形，在室溫下利用云紋干涉法測(cè)出這種熱變形。八十年代后期以來(lái)，微電子封裝技術(shù)朝著大規(guī)模、高密度表面安裝的方向迅猛發(fā)展。針對(duì)這一問(wèn)題的具體特點(diǎn)，成功地研究了一系列新型微電子封裝組件的熱應(yīng)變問(wèn)題，并使高溫云紋干涉法實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到更進(jìn)一步的發(fā)展。本章首先闡述了云紋干涉法理論上的兩種基本解釋，對(duì)云紋干涉法的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、光柵技術(shù)等進(jìn)行了介紹，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)工作者對(duì)云紋干涉法在高溫測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)行了綜述。2 莫爾偏折法測(cè)量流體溫度場(chǎng)的基本原理－戴爾（GladstoneDale）公式 對(duì)于均勻透明介質(zhì)，根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的知識(shí)可以得到它的折射率是介質(zhì)密度的函數(shù)，用羅倫茨－羅倫茲（LorenzLorentz）關(guān)系式表示為 （21）其中是介質(zhì)密度。K值隨氣體的種類的不同而不同，且隨波長(zhǎng)略有變化。則對(duì) n( x,y,z)有 (24a) 或 (24b) 式（2－4a）、（2－4b）表明溫度一階導(dǎo)數(shù)和所測(cè)的折射率一階導(dǎo)數(shù)之間有比較簡(jiǎn)單的關(guān)系，由式（22）和式（23）可得溫度場(chǎng) T 與折射率場(chǎng) n 的關(guān)系為 (25) 在莫爾偏折法中，通過(guò)測(cè)量莫爾條紋的位移獲得光線經(jīng)過(guò)流體的偏折角，從而進(jìn)一步獲得流體的折射率場(chǎng) n，再借助于（2－5）式獲得流體的溫度場(chǎng) T。設(shè)光線沿z 軸正方向傳播，由幾何分析和理論分析都可以得到光線穿過(guò)非均勻折射率場(chǎng)時(shí)偏折的角度為: (26a) 兩式中的積分均指對(duì)于整個(gè)光線所穿過(guò)得路程的積分，其中L為探測(cè)光束所經(jīng)過(guò)的試驗(yàn)段的長(zhǎng)度，和分別表示光線穿過(guò)非均勻折射率場(chǎng)后的偏折角在xz和yz平面內(nèi)的投影,n為介質(zhì)的折射率。另一方面，折射率場(chǎng)和光線通過(guò)位相物體后的偏折角是密切相關(guān)的。 莫爾偏折法是建立于莫爾效應(yīng)基礎(chǔ)上的一種光學(xué)方法。圖 21為莫爾條紋產(chǎn)生機(jī)理的示意圖，圖中兩個(gè)光柵 G1和 G2的節(jié)距均為 p，它們與 x 軸的夾角均為θ/2。簡(jiǎn)單的幾何分析即可得 其中k 和m 均為整數(shù)，對(duì)于一級(jí)亮紋有 mk=1由（2－7）可以解得: (29)實(shí)驗(yàn)中θ角很小，從而我們有以下近似： (210) 一級(jí)亮紋對(duì)應(yīng)于l=mk=1。從而可知，（2－10）式是對(duì)莫爾條紋的亮紋位置的描寫(xiě)，它反映了條紋的位置x和條紋的級(jí)次l之間的關(guān)系。莫爾偏折法測(cè)溫的基本原理如圖 23所示。在 x y平面內(nèi)，光柵G1,G2與x軸交角分別為 +θ/2和θ/2。在 yz 平面和xz 平面的投影分別為和。如果光線穿過(guò)被測(cè)介質(zhì)后通過(guò)光柵，由于光線的偏折會(huì)使莫爾條紋產(chǎn)生位移。 綜上可知，在圖 2－2 所示的坐標(biāo)系中，條紋垂直于 x 軸，光線受擾后條紋位移沿著 x 軸方向，偏折角在 yz 平面的投影決定了條紋的位移量 h ( x,y)。、d 都是已知常數(shù)，從而只要求得莫爾條紋得相位分布( x,y)，就可以得到光線偏折角，進(jìn)而得到介質(zhì)得折射率場(chǎng)，最終得到流體溫度場(chǎng)。圖 24莫爾偏折法測(cè)溫框圖，由莫爾條紋的相位變化得到光線偏折角，進(jìn)而求出流體的折射率場(chǎng)，最后求的溫度場(chǎng)的變化，由得到待求溫度。莫爾偏折法圖像處理的主要研究?jī)?nèi)容為從莫爾條紋的光學(xué)圖像中如何提取條紋的相位信息。莫爾條紋圖案光強(qiáng)分布滿足如下關(guān)系： （219）其中為相位，包含了待測(cè)試的有用信息；和是由于背景輻射、不均勻反射和傳播引起的噪聲信息參數(shù)；是干涉條紋在空間周期性變化的基頻，它對(duì)條紋的影響要大于和。對(duì)式（220）進(jìn)行傅里葉變換(固定 y，對(duì) x 坐標(biāo)做一維傅立葉變換)，可得 (221)其中各大寫(xiě)字母表示傅立葉頻譜分布函數(shù)，f為x方向的空間頻率。通過(guò)帶通濾波濾去和只保留下并對(duì)進(jìn)行傅立葉逆變換可以得到 (222)圖25 莫爾條紋的空間頻譜通過(guò)恒等變形得到 （223）由（223）式得 (224)其中和分別表示對(duì)復(fù)數(shù)取虛部和實(shí)部。無(wú)流場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)的莫爾條紋的分布函數(shù)為： （226）對(duì)上式傅立葉變換、濾波、傅立葉逆變換，得到 （227）將（227）式乘以（221）式的共軛得 （228）令，才是實(shí)驗(yàn)中能反映光線偏折角的相位分布。由此可得 （229） 借助于（229）式，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，便可以從實(shí)驗(yàn)中的莫爾條紋圖像確定條紋的相位值，再利用（218）式，確定光束通過(guò)熱流體溫度場(chǎng)后的偏折角，由此進(jìn)一步確定流體溫度場(chǎng)T。借助于測(cè)量莫爾條紋的相位來(lái)獲得條紋位移量，再由位移量來(lái)獲得光線通過(guò)熱流體溫度場(chǎng)后的光線偏折角，進(jìn)而得
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