【正文】 測 本 測試系 統(tǒng)的可行性以及精度，我們?cè)趯?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 本實(shí)驗(yàn)中，在對(duì)受熱后產(chǎn)生熱變形的試件用 CCD 采集散斑圖像時(shí)，要求保證試件的受熱狀態(tài)穩(wěn)定，其上各處溫度變化盡可能相同。 散斑干涉系統(tǒng) 紅外熱像儀 試 件 加熱裝置 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 16 頁 共 32 頁 HeNe 激光器 由于散斑干涉測量方法中需 要具有良好相干性的光源，因此采用激光光源。在可見光及紅外波段可產(chǎn)生多條譜線。由于其可輸出連續(xù)可見光，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、價(jià)格 低 廉等優(yōu)點(diǎn)，在準(zhǔn)直、定位、全息照相、測量、精密計(jì)算、光盤錄放等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 圖 HeNe激光器實(shí)物圖 反射鏡、分束鏡、 擴(kuò)束鏡的相關(guān)知識(shí) 反射鏡是一種利用反射定理工作的光學(xué)元器件，通過在普通光學(xué)玻璃的背面涂上一層銀薄膜，可以使光學(xué)玻璃形成反射鏡。 分束鏡是一種特殊的反射鏡， 和反射鏡的成型原理類似，在光學(xué)玻璃表面鍍上一層或多層薄膜，這時(shí)一束激光投射到鍍膜玻璃上后，通過反射和折射，激光就被分為兩束或更多束，這種 鍍膜玻璃就叫做分束鏡。本系統(tǒng)中所使用的半透半反鏡是一種固定分束比分束鏡， 其反射和折射光 強(qiáng) 比 理論上 為 1:1。但是為了保持反射和 折射的光束比，實(shí)驗(yàn)要求我們必須保護(hù)好分束鏡的鍍膜，切忌擦傷， 損壞 半反 半透鏡。 由 激光原理知識(shí)我們可以知道光的 發(fā)散 角 和 束腰半徑 是激光的兩個(gè)重要參數(shù)，擴(kuò)束鏡的作用就是改變這兩個(gè)參數(shù)，從而改變激光傳播的廣場分布，通常情況 下，擴(kuò)束鏡 是由一個(gè)凹透鏡和一個(gè)凸透鏡構(gòu)成的。 圖 平面反射鏡實(shí)物圖 圖 擴(kuò)束鏡實(shí)物圖 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 18 頁 共 32 頁 圖 分束鏡實(shí)物圖 CCD 攝像機(jī) CCD (Charge Couple Device)是 70 年代初期在美國首先研制成功的一種新型圖像傳感器， 是一種光電耦合器件， CCD 突出 特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號(hào)， CCD 的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。在一定 頻率的時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下， CCD 的輸出端可以獲得被測對(duì)像的視頻信號(hào)。 CCD 攝像器件不但具有體積小、重量輕、功耗小、工作 電壓低和抗燒毀等優(yōu)點(diǎn)，而且在分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時(shí)傳輸和自掃描等方面的優(yōu)越性，也是其它攝像器件無法比擬的。圖像采集卡把 CCD 傳送過 來的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將其輸入計(jì)算機(jī)，供顯示、存儲(chǔ)和 測量工作。輸入的視頻信號(hào)、經(jīng)模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器、比例縮放、裁剪等處理，通過 PCI 總線傳到 VGA 卡實(shí)時(shí)顯示或傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)存實(shí)時(shí)存 儲(chǔ)。 VIDEOPCISM圖像采集卡基本結(jié)構(gòu)及工作原理如圖 所示 ： 圖 VIDEOPCISM圖像采集卡基本結(jié)構(gòu) 四路復(fù)合視頻輸入經(jīng)多路開關(guān)，軟件選擇其中一路作為當(dāng)前輸入， 經(jīng)過濾波 輸出到A/D 卡 進(jìn)行模 /數(shù)變換。 紅外熱像儀 紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外能量 (熱量 )，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對(duì)溫度值進(jìn)行計(jì)算的一種檢測設(shè)備。由于近年來的技術(shù)革新，尤其表現(xiàn)在探測器技術(shù)，內(nèi)置可見光照相機(jī)，各種自動(dòng)功能，分析軟件的發(fā)展等等，使得紅外分析解決方案比以往更為經(jīng)濟(jì)有效。基本性能參數(shù)如下 ： 最小焦距 ； 幀頻： 50/60Hz ； FOV視場 ： 24＂ (寬 )? 18＂ (高 )； 空間分辨率 ： ； 熱靈敏度 ： ℃ ； 復(fù)合視頻輸入 1 復(fù)合視頻輸入 2 復(fù)合視頻輸 入 3 復(fù)合視頻輸入 4 多 路 開 關(guān) 濾波 A /D 緩存 P C I 總線 VGA 顯示 系統(tǒng)內(nèi)存 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 21 頁 共 32 頁 測量范圍 ： 40~500℃ ； 光路結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)采用離面位移測試光路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其光路設(shè)計(jì)如圖 所示，由激光器發(fā)出的激光束，經(jīng)過擴(kuò)束鏡形成光斑放大了 的激光束，再經(jīng)過半反半透鏡分成兩束光，一束照射到反射鏡再返回，另一束照射到金屬銅試件的表面再返回，兩束返回的光束 相互 干涉形成干涉條紋 ，并由 CCD 接收，通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)中顯示。因此 ， 直接進(jìn)行高溫?zé)嶙冃螠y量實(shí)驗(yàn) 比較困難，為此本實(shí)驗(yàn)決定分為兩個(gè)步驟進(jìn)行：首先搭建系統(tǒng)進(jìn)行散斑干涉 法 應(yīng)力 變形 測量實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)干涉條紋移動(dòng)效果比較明顯，目的在于調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)實(shí)驗(yàn)取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)， 再利用該系統(tǒng) 進(jìn)行 散斑干涉法 金屬熱變形測量實(shí)驗(yàn) ，省時(shí)高效，效果明顯。 散斑干涉 法應(yīng)力變形測量 實(shí)驗(yàn) 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 22 頁 共 32 頁 應(yīng)力變形測量實(shí)驗(yàn)就是 通過給試件施加壓力使試件發(fā)生位移， 從而導(dǎo)致散斑干涉條紋 改變 的 實(shí)驗(yàn) 。 按照實(shí)驗(yàn)光路圖 擺放好 實(shí)驗(yàn)儀器 ，先把各個(gè)儀器的中心高度調(diào)至共軸。分別放入擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直鏡，調(diào)節(jié)準(zhǔn)直鏡，使通過它的被擴(kuò)束的激光變成平行光，平行光束應(yīng)通過放入光路中（分光鏡、 被測試件 、反光鏡等） 部件的中心且平行于平臺(tái)。 而后放入平面反射 鏡，要使平面反射鏡到分光鏡 的距離和被測物品到分光鏡的距離相同， 調(diào)節(jié) 使被平面鏡 反射的光束的中心也入射到 CCD 攝像機(jī)接收表面上 ， 這時(shí)便可以在 計(jì)算機(jī) 采集圖像的軟件上看到干涉條紋。調(diào)節(jié)反光鏡上的二維調(diào)整架的微調(diào)旋扭，使得到的圖像的干涉 圖像 最清晰且 位于 中心位置。 隨著 螺栓 的調(diào)節(jié)， 計(jì)算機(jī) 屏幕上出現(xiàn)的干涉條 紋 逐漸增加，且為同心圓環(huán)。 打開計(jì)算機(jī)上 matlab 軟件，采用相減 并取絕對(duì)值的算法 依次處理采集圖樣，為了得到圖像相關(guān)的條紋圖，具體采用相鄰編號(hào)相減的方法處理，即圖 2減去圖 1，圖3 減去圖 2 的方式，依 此 類推。 將上一個(gè)實(shí)驗(yàn)的試件換成同樣大小的另一塊銅 板 ，而將力作用變換為熱作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 微調(diào)裝置， 使計(jì)算機(jī)屏幕上得到最清晰、最完整的散斑圖像 ，且位于中心位置，這時(shí)采集一張散斑圖并且編號(hào)記錄。每隔 5 秒進(jìn)行一次散斑圖樣采集，并編號(hào)記錄，同時(shí)運(yùn)用紅外熱像儀對(duì)銅板溫度進(jìn)行測試，并記錄數(shù)據(jù)。 這里需要注意 在加熱板放置在待測物背后時(shí)，不要馬上進(jìn)行照片記錄，因 為 此時(shí)加熱板的與物體的摩擦?xí)斐纱郎y 物體表面散斑的劇烈振動(dòng)，變形太大超出測量范圍，待接觸穩(wěn)定后再進(jìn)行采集記錄。 圖 計(jì)算機(jī)采集到的部分相鄰散斑圖 樣 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 25 頁 共 32 頁 圖 相減處理后得到的散斑條紋圖樣 本章小結(jié) 本章是對(duì)第二章提出的測量模型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)介紹，首先提出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基本思路，確立了實(shí)驗(yàn)整體框架圖。最后一部分介紹了散斑干涉法應(yīng)力變形測量實(shí)驗(yàn)和散斑干 涉法金屬熱變形測量實(shí)驗(yàn)的具體步驟，得到了散斑干涉圖樣 ，為下 一 步數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證模型的可行性做好準(zhǔn)備。 顯然 ， 要想得到溫度，我們必須知道銅板的初始溫度 0T ， 初始厚度 l ，激光波長 ?以及金屬銅的膨脹系數(shù) ? ，等溫壓縮系數(shù) Tk 和彈性模 量 E 。金屬銅的等溫壓縮系數(shù) Tk 數(shù)值很小，幾乎不隨溫度的改變而發(fā)生變化，可以看作常量來處理。 金屬銅的膨脹系數(shù) ? ， 散斑干涉條紋 數(shù) n ，是實(shí)驗(yàn)后期處理的重點(diǎn)，下面分別介紹。 通過查閱相關(guān)資料 ， 我們得到一組有關(guān)金屬銅體膨脹系數(shù)隨溫度改變 而發(fā)生變化 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表 所示 。 表 銅的體膨脹系數(shù)隨溫度變化數(shù)據(jù) 溫度（ K） 300 400 500 600 700 800 900 1000 ? （ 106/K） 運(yùn)用 matlab 數(shù)據(jù)擬合程序處理 如下： x=300:100:1000 x = 300 400 500 600 700 800 900 1000 y=[,] 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 27 頁 共 32 頁 p1=polyfit(x,y,1) p1 = y1=polyval(p1,x) y1 = p2=polyfit(x,y,2) p2 = y2=polyval(p2,x) y2 = p5=polyfit(x,y,5) p5 = y5=polyval(p5,x) y5 = plot(x,y,39。,x,y1,39。,x,y2,39。,x,y5,39。) 圖 程序擬合曲線 由程序 結(jié)果 可 知，采用 5 次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合時(shí)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合的很好。而且膨脹系數(shù)本身是個(gè)數(shù)量級(jí)很小的參數(shù)，所以我們清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)論文 第 28 頁 共 32 頁 可以近似把 ? 與 T 看作線性關(guān)系處理，其關(guān)系式為： 3 2 .8 7 5 00 .1 3 5 0 ?? T? () 散斑干涉條紋 數(shù) n 的處理 將實(shí)驗(yàn)采集得到的散斑圖樣，利用 matlab 程序首先進(jìn)行數(shù)字圖像的相減處理得到包含條紋信息的干涉圖 ，然后經(jīng)過灰度變換、濾波、二值化、圖像銳化等技術(shù)處理 [30]，最終 得到清晰的干涉條紋骨架線，很方便的 得到 散斑干涉條紋數(shù) n 。 至此，實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)全部處理完畢，由于后期處理不是本文負(fù)責(zé)的重點(diǎn)，具體的驗(yàn)證結(jié)果這里不再敘述。 本 文 提出的 是基于散斑干涉法的溫度測試技術(shù) ，這是一種新型的光學(xué) 測溫方法， 具有高精度、全場性、非接觸、實(shí)時(shí)性、高靈敏度 等特點(diǎn)， 是 對(duì)溫度測試技術(shù)的全新探討。 （ 2）認(rèn)真學(xué)習(xí)了散斑干涉法測量原理，熱力學(xué)以及彈性力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，通過物 體應(yīng)變量將散斑干涉條紋與溫度聯(lián)系起來，建立起測試系統(tǒng)的理論模型， 在理論上 說明了利用散斑干涉技術(shù)進(jìn)行溫度測試 的 可行性。 （ 3）搭建了系統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 得到了反應(yīng)溫度 信息的散斑干涉條紋圖樣。 （ 4）對(duì)系統(tǒng)模型涉及到的部分參量 后期 處理方法進(jìn)行了探討說明。 隨著光學(xué)精密儀器、圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，散斑干涉技術(shù)在溫度測試方面的優(yōu)勢 將 會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來，有待進(jìn) 一步更深入的研究。 王 老師在我做畢業(yè) 論文 的每個(gè)階段都給予了悉心 指導(dǎo) ， 提出了很多寶貴意見 。 在本論文的構(gòu)思、查詢資料以及實(shí)驗(yàn)過程中，師姐給予了我很大幫助。 同時(shí)，也衷心感謝在完成論文過程中 給予 我?guī)椭?老師、 同學(xué)，感謝他們對(duì)我無私的關(guān)心和幫助 ， 是他們的支持使我能夠順利完成論文。 最后，謹(jǐn)向百忙中抽出寶貴時(shí)間評(píng)審論文的各位老師致以誠摯的謝意 !