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1、. . .云纹干涉法测量流体温度场毕业论文目 录1 高温云纹干涉法基本理论与研究概况11.1引言11.2 云纹干涉法的基本原理11.2.1基于空间虚栅概念的解释21.2.2云纹干涉法的波前干涉理论31.3云纹干涉法实验方法与技术51.3.1双光束光路系统51.3.2三反镜光路系统51.3.3大准直镜光路系统61.3.4光栅分光光路系统71.4云纹干涉法在高温领域的研究概况91.5小结112 莫尔偏折法测量流体温度场的基本原理122.1格拉斯通戴尔（Gladstone-Dale）公式122.2非均匀介质中光线的传播132.3莫尔偏折法测温的基本原理132.4傅立叶变换求取莫尔条纹相位的基本原理1
2、82.5小结213 基于MATLAB的图像仿真得到相位的移动223.1试验系统及其基本工作原理223.2基于MATLAB的图像处理以获得相位变化223.3 总结27总结28参考文献29致 谢32.参考资料. . .1 高温云纹干涉法基本理论与研究概况1.1引言近二十年来，由于激光技术和近代光学和计算机技术的发展和推动及其在实验力学领域中的应用，产生了以全息干涉法、散斑干涉法、云纹干涉法和数字图象处理为主要研究和应用容的“现代光测力学新领域”。云纹干涉法是八十年代初兴起的一种具有非接触测量、可进行全场和实时分析的高灵敏度大量程的光学测量方法，通常使用频率为6002400线/mm的高密度光栅，其测
3、量位移灵敏度比传统的云纹法高几十倍甚至上百倍。由于云纹干涉法的上述优点，它己经受到了广大实验力学工作者的日益重视，并被誉为八十年代以来实验力学领域中的最重要发展。云纹干涉法是以试件表面的高灵敏度云纹光栅作为变形的传感元件的，因而高质量的高灵敏度云纹光栅及其复制也成为该方法推广应用的关键技术。近十几年以来，云纹干涉法的严格理论基础得到建立，光栅的制作技术也己经成熟。随着科学工程技术发展的需要，云纹干涉法在解决新材料性能研究、无损检测、细微观力学分析、三维变形测量、实时应变场测量、微电子封装热变形、高温材料变形测量以及现场条件下的变形测量等方面提供了极其有效的实验研究手段，并对材料科学、细观力学、
4、断裂力学等相关学科的发展起到了积极的推动作用。本文主要工作着重于云纹干涉法测流体温度场，理解莫尔条纹的形成原理和莫尔条纹干涉法测量温度的原理后，对比不同的云纹干涉法应用实例，选择了激光云纹法实验装置，对云纹干涉法测流体温度场的理论进行了仿真说明。1.2 云纹干涉法的基本原理云纹干涉法在其发展历史上先后出现了两种解释，即基于空间虚栅的解释与波前干涉理论。前者借助了几何云纹法的基本思想，给云纹干涉法以简单描述;后者则从光的波前干涉理论出发对云纹干涉法进行了严格的理论推导和解释。1.2.1基于空间虚栅概念的解释最常见的云纹干涉法光路是由云纹干涉法的创始人D.Post倡导的双光束对称入射试件栅光路，如
5、图1.1所示。D.Post最早对云纹干涉法的解释为:对称于试件栅法向入射的两束相干准直光在试件表面的交汇区域形成频率为试件栅两倍()的空间虚栅，当试件受载变形时，刻制或复制在试件表面的试件栅也随之变形，变形后的试件栅与作为基准的空间虚栅相互作用形成云纹图，该云纹图即为沿虚栅主方向的面位移等值线，并提出了类似于几何云纹的面位移计算公式: (1-1) 图1.1云纹干涉法的空间虚栅解释D.Post对这一方法的理论解释是以传统的几何云纹概念为基础的，对建立有关云纹干涉法的一些基本概念是有帮助的，能够满足一般实验现象及实验结果处理的要求。但该解释并没有揭示云纹干涉法的物理本质，不仅不能正确解释实验中的某
6、些重要现象，而且也约束了该方法的进一步发展。1.2.2云纹干涉法的波前干涉理论从1984年起，戴福隆教授和D.Post等人对云纹干涉法进行了严格的理论推导和解释建立了云纹干涉法的波前干涉理论。图1.2云纹干涉法的波前干涉原理图 如图1.2所示，当两束相干准直光A、B以入射角(为光波波长，fs为试件栅频率)对称入射试件栅时，则将获得沿试件表面法向传播光波A的正一级衍射光波A和B的负一级衍射光波B。当试件未受力时，A和B均为平面光波。 (1-2） 其中,为常数，a为光波振幅。 当试件受力变形后，平面光波A和B变为和试件表面位移有关的翘曲波前，其位相也将发生相应的变化，翘曲波前A和B可表示为: （1
7、-3）其中，分别为变形引起的正负一级衍射光波的位相变化，它们与试件表面x方向的位移u和z方向的位移w有如下关系: （1-4） 正负一级衍射光波通过成像系统后，在照相底版平面上发生干涉，底版所记录的光强分布为: （1-5）其中为常数，。可等价于刚体位移产生的均匀位相差。z方向的位移w对光强分布的影响被消除。 如果用波长数n表示相对光程变化，并考虑到光程与位相之间的关系 （1-6）由此得到x方向面位移u的表达式 （1-7）式中，NX是u场等位移条纹级数。类似地，采用y方向对称入射的双光束光路可以获得y方向面位移v的表达式 （1-8）到此，我们得到了云纹干涉法位移与条纹级数之间关系的全部表达式。根据
8、位移场即可计算出应变场。 （1-9）其中为试件栅频率，分别为u场和v场位移条纹级数。1.3云纹干涉法实验方法与技术 云纹干涉法光路系统的基本要求是保证对称入射到试件栅上两束等强度的相干准直光。经过十几年的发展，云纹干涉法的光路系统不断优化发展，有些已经仪器化。下面简单介绍几种典型光路及其各自特点。1.3.1双光束光路系统 图1.3是云纹干涉法最基本的双光束光路，具有光学元件少、操作简单等特点。该光路只能测量单方向位移场，而且反射镜要紧挨试件。在某些特殊情况下(如试件处于高温环境)，反射镜不可能靠近试件，则不能使用该光路。图1.3基本的双光束云纹干涉法光路1.3.2三反镜光路系统 图1.4所示的
9、光路是在图1.3中光路的基础上增加了两个反射镜，从而使得该光路可以同时测量双方向的位移场。它的缺点与图1.3的光路一样，三反镜必须靠近试件，这在特殊的测试条件下有时是不可能的。图1.4三反镜光路1.3.3大准直镜光路系统图1.5所示的光路利用一个大准直镜产生一束面积较大的准直光，利用四个反射镜将其分为四束准直光(图中只画了竖直方向的光束，水平方向也可分为两束准直光)，然后通过另外四个反射镜将四束准直光反射到试件表面。该光路可以同时测量双方向位移场，而且光学元件与试件有一定距离，可以用于高温等复杂条件下的变形场测量。该光路的缺点是需要一个大准直镜和较多的反射镜，这使得整个光路系统较为庞大、调节更
10、为烦琐，而且大准直镜的加工也很困难。图1.5大准直镜光路1.3.4光栅分光光路系统 在图1.6所示的云纹干涉法光路中，准直激光束垂直入射到一个高频正交云纹光栅的表面，在互相垂直的光栅方向产生对称的士l级衍射光，利用四个反射镜将这四束衍射光反射到试件表面，这样即可同时测量U、V变形位移场。该光路结构紧凑，调节方便，适用于开发云纹干涉法的测试仪器。该光路的关键元件是分光光栅，要求具有很高的质量，以保证衍射的四束光仍然是准直光。通过调节四个反射镜的角度，可以改变入射到试件表面的激光束夹角，从而适用于不同试件栅频率的测量。该光路系统的光学元件和试件之间有一定的距离，可以用于处于复杂环境中(如高温环境)
11、的试件变形测量。另外，利用微型马达驱动分光光栅，可以方便地实现云纹干涉法的相移技术，以提高测量的灵敏度和精度。图1.6采用光栅分光的云纹干涉法光路由于云纹干涉法是以复制在试件或构件表面的云纹光栅为试件变形的传感元件的，因而制作高质量、高灵敏度和高精度的试件栅便成为云纹干涉法推广应用的关键性元件。云纹光栅的制作是云纹干涉法的重要容，也是影响和制约云纹干涉法推广应用的关键技术。云纹光栅的制作途径通常有机刻和光刻两种。由于机刻的方法不仅费时和昂贵，而且光栅频率即灵敏度受到限制，因此云纹干涉法中所使用的光栅通常采用光刻的方法，即采用激光全息干涉系统和光致抗蚀剂(即光刻胶)刻蚀云纹光栅。根据全息干涉原理
12、，全息光栅的频率与双光束的夹角2和光源的波长兄有关，并由下式决定: （1-10）为了消除光学系统中光学元件的缺陷和不洁净引起的散斑噪声对光栅质量的影响，采用了如图1.7所示的旋转点光源全息千涉系统图1.7旋转点光源全息光栅制作系统利用上述制栅系统可以获得高质量的全息云纹光栅，由此获得云纹条纹可以与光弹性条纹想媲美，为云纹干涉法的广泛应用奠定了基础。1.4云纹干涉法在高温领域的研究概况 云纹干涉法应用于高温条件的关键技术在于研制承受高温的全息云纹光栅以高温条件下的变形试件栅复制技术。在现代光测力学中，云纹法在高温领域的应用使于六十年代。1964年Dnatu.P.首次使用光刻腐蚀法制作高温栅并对不
13、锈钢板的热应变进行了测量。随后，.C.A.scimaarelal和P.S.Theocarics分别提出了使用光刻镀层法和光刻涂层法制作高温栅的技术。在以后的发展中，人们不断改进高温栅的制作工艺，使高温栅的制作水平有所提高。1974年M.D.E.CALUWE提出了使用电解光刻腐蚀法制作高温栅的工艺，使高温位相粗栅的质量有所提高。同年，Lytle Johnson对焊接板的热应变问题进行了研究。1979年Cluod.G.提出了利用选择性镀层制作高温栅的工艺，使振幅型高温粗栅的使用温度围有所提高。他在后来还提出了使用镍网制作振幅型高温粗栅的方法并把高温栅的使用温度提高到1370摄氏度。在云纹干涉法技术
14、中，高温栅技术的发展最早从B.S一J.Kang的耐温550的硅橡胶栅开始的，这一耐高温光栅的应用不仅发展了高温云纹干涉法实验技术，而且将高温云纹干涉法实验技术的应用研究带入了一个新的领域，即高温细观断裂力学的研究领域，它成功地揭示了材料高温断裂力学的一部分特征。自从P.1fju和D.Post于1991年提出了在金属膜表面湿法刻蚀高频栅制作高温光栅的想法以来，许多实验工作者致力于这方面的研究。谢惠民在1992年首次提出了一种新型的双镀层高温云纹光栅制作工艺，它的特点概括为:在不同的材料表面上，利用两种抗氧化能力强的金属镀层制作云纹光栅，使得该工艺制作的高温云纹光栅具有广泛的适用性。他应用此工艺在青铜、不锈钢材料上制作了高温栅，并且分别进行了550长时间氧化实验和750短时间氧化实验。为了解决陶瓷材料的热冲击断裂和航空发动机叶片残余变形测量以及材料在强激光辐照下的变形测试等新
