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1、清华大学2012届毕业论文基于散斑干涉法的温度测试1 绪论1.1 研究背景及意义温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制中七个基本物理量之一，它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系1。随着科技的迅速发展，高温、超高温、低温、超低温等非常态实验及工程应用越来越多，越来越复杂；另一方面，武器型号、重大装备及精密制造技术的发展也需要进行温度场的检测研究。科学技术发展日新月异，行业需求不断提高，对温度测量的精确度要求也越来越高，因此温度场的测量研究一直都受到人们的广泛关注。温度的测量方法有很多，目前常用的测温方法主要有接触式测温和非接触式测温两大类。在非接触测温方法中，光学测温技术2，是近
2、十几年发展起来的一门全新的测试技术，其基本原理是利用温度的变化所引起的光学性质的变化来测量并计算出该物理量。光学测温法由于不与被测物体直接接触，不会对被测物体产生干扰，并且具有时间和空间分辨率高以及能实现现场实时测量等优点，成为国内外研究的热门3。本课题主要研究基于数字散斑干涉法的一种温度测试技术，是光学测温方法的一种全新技术。1.2 温度测试技术发展现状由于温度与科学研究及国民经济中工农业生产密切相关，近年来，国内外各种温度测试技术层出不穷，按照大的方向划分，可分为接触式测温和非接触测温两大类，如图1.1所示4。下面分别介绍两类测温方法的原理及特点。光谱法测温声波微波法测温温度测试方法接触式
3、测温方法非接触式测温方法膨胀式测温电量式测温接触式光热测温辐射式测温激光干涉测温图1.1 温度测量方法分类接触式测温方法包括膨胀式测温、电量式测温和接触式光电、热色测温等几大类。接触测温法在测量时需要与被测物体或介质充分接触，利用热传导原理，使两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡。这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。通常来说，接触式测量仪表比较简单，测试结果直观可靠，仪器价格相对低廉，因而在实际生活中得到了广泛的应用。但是接触式测温方法的缺点也很明显，由于测温元件与被测物体需要进行充分的热交换，所以需要一定的时间才能达到热平衡，因而存在测温延迟现象。同时受到耐高温和耐
4、低温材料的限制，不能应用于某些极端环境的温度测量；另外在测量过程中，测量器件与温度场直接接触，会导致待测温度场的自身独立性受到破坏，加之测量时接触不良等现象的存在，这些都会给测试结果带来一定的误差。 非接触式测温方法不需要与被测对象直接接触，因而不会干扰温度场，保证了温度场本身的真实性；而且测温范围很广，不受测温上限的限制，动态响应特性一般也很好，可以实现实时性，全场性测量。但是这种方法会受到被测对象表面状态或测量介质物性参数的影响。非接触测温方法主要包括辐射式测温、光谱法测温、激光干涉式测温以及声波测温方法等。由于科技的进步，近年来某些极端环境下温度的研究得到快速发展，加上热辐射技术以及光学
5、精密仪器的不断更新进步，非接触测温方法在此基础上大显身手，成为近些年研究的重点5。虽然温度测量方法多种多样，但在很多情况下，对于实际工程现场或一些特殊条件下的温度测量4，比如对极端低温或高温环境温度、腐蚀性介质温度、流体或固体表面温度、固体内部温度分布、微小尺寸目标温度、生物体内温度、大空间温度分布、强电磁场干扰条件下温度测量来讲，要想得到准确可靠的结果并非易事，需要非常熟悉各种测量方法的原理及特点，结合被测对象要求选择合适的测量方法才能完成。同时，还要不断探索新的温度测量方法，改进原有测量技术，来满足各种条件下的温度测量需求。1.3 数字散斑干涉技术发展概况1.3.1 数字散斑干涉技术发展历
6、程散斑现象早在1914年就被人们发现，但一直未予以重视。到了20世纪40年代英国学者Denis Gabor提出全息术6，但是由于散斑的存在，影响了全息图的质量，散斑由此引起人们的关注，并开始作为一种噪声得到了系统的研究，对此进行大量的工作是试图如何消除散斑效应。1962年贝尔实验室的Rigden和Gordon首先解释了激光散斑现象的产生7。当用相干性很好的光（如激光）照射漫反射表面时，漫反射表面形成无数小光点，类似于点光源，它们反射的光彼此相互干涉，并在物体表面前方的空间形成了无数随机分布的点，人们把这些相干的亮点和暗点称为散斑，把这种随机分布的散斑结构称为散斑场8。随后1969年英国学者Le
7、enderz在国际光学会议上提出了利用散斑检测粗糙表面的光学干涉方法散斑干涉测量法（Speckle Interferometry）9。在早期的检测中,由于散斑干涉测量法采用全息干板作为记录介质，需要复杂的后期光学滤波和数据处理工作，因此导致该技术难以得到推广。1971年英国学者Butter和Leenderz10以及美国学者Makovski11相继成功的以电视摄相机取代了全息干板的使用，视频检测技术的引进使得采用可视化方式来记录并处理静态和动态光学粗糙表面的位移成为可能，这种技术被称为电子散斑干涉测量法(ESPI)。数字散斑干涉技术(DSPI)是在电子散斑干涉计量技术上发展起来的，其特点就是将电
8、子信号进行数字化和数据处理，信息以数字图像的形式记录下来，存储在计算机中。它通过把物体变形前后的散斑图量化为数字图像，存贮在帧存体中，由计算机用数字的方法对它进行运算，从而在监视器上再现干涉条纹图。数字散斑干涉减小了电子散斑的噪声，大大提高了干涉条纹的清晰度。1980年Nakadate12首次实现并得到512x512列阵的数字散斑干涉条纹，但直到1984年才由Creath正式提出来并作为一种新技术加以推广，数字图象列阵也逐步发展到今天的512x512或1024x1024，灰度等级发展到256，而且以微机和图像板取代了原始的大型数字图象处理系统。目前，该技术逐步代替了以往的用电子处理方法的电子散
9、斑干涉法。但在习惯上，人们往往将用电子处理方法实现的电子散斑干涉法(ESPI)和用数字处理方法实现的数字散斑干涉法(DSPI)统称为电子散斑干涉法(ESPI)。 我国对数字散斑干涉技术的研究和应用起步比较晚，所以在技术和产品化方面处于学习和创新的初步发展阶段，经过不懈努力，也取得了一定的研究成果。例如，八十年代末，天津大学秦玉文教授13首次提出使用渥尔德棱镜作错位镜，解决了双像光强不等的问题。之后又把视频技术、计算机技术引入错位散斑干涉术，从而形成了数字错位散斑干涉术。1996年，天津大学的佟景伟、张东升14,15等人对撞击载荷下数字散斑离面位移的测试进行了研究，实现了撞击载荷下的数字散斑干涉
10、，使条纹质量大大提高等。经过近几十年的研究和发展，数字散斑干涉测量技术已经成为一种比较成熟的高精度无损测量技术，广泛应用于振动、位移、形变、断裂及粗糙度等的测量，成为当前国际上的热门研究课题之一。1.3.2 数字散斑干涉技术的特点数字散斑干涉技术是一种测量光学粗糙表面位移或变形等物理量的干涉测量技术，具有波长量级的灵敏度，广泛应用在无损检测中。由于它综合了现代发展的多项技术:激光技术、视频技术、电子技术、计算机技术、信息与数字图象处理技术及精密测试技术，因此数字散斑干涉技术具有如下特点16:(l)它采用CCD摄像机和电子存储器取代了全息干板记录物面散斑场的光强信息，可实现实时显示干涉条纹，实时
11、处理信息，快速方便；(2)它使用的图像采集卡(Frame Grabber Board)速率快，采集散斑场信息快速及时，从而对工作环境的要求大大降低。测试过程中不需要防震处理，可以走出实验室，进入现场测试；(3)它采用相减模式处理干涉散斑场，可消除一般杂散光的影响，所以它可以在明室下操作，这给工作人员带来了方便；(4)数字散斑条纹图能够以数字形式存入帧存介质中，便于条纹的后期处理，再结合计算机软件技术，使条纹自动分析成为可能，为实现条纹自动化测量创造了良好的条件。1.4 本课题研究意义温度的改变会引起物体自身的微小变形，这种形变量与温度之间存在着确定的函数关系。当这种变形量处于散斑干涉模型的测量
12、范围之内时，理论上我们就可以利用散斑干涉技术测量物体受热后发生的微小形变量，再通过形变量与温度的关系式进行代换，最终得到不同形变时刻对应的物体温度。因此本课题提出利用散斑干涉技术测量温度实质上是测量物体因温度改变而发生的变形量，然后通过后期计算得到结果，这是一种间接测温方法。数字散斑干涉技术测温属于非接触式测温方法，即测量过程不需要与被测对象接触，因而不会干扰温度场；实验过程中反映试件变形的散斑条纹即时显示在计算机屏幕上，能迅速记录瞬时温度场的全过程，具有实时性，直观性的特点；试件发生微小变形就可观察到反映其形变的散斑干涉条纹的变化，具有很高的灵敏度，因此与其他测量方法相比，能够更精确地测量物
13、体表面的温度场；而且系统光路比较简单，一般不需要防震台，对光源功率要求也不高，对待测试件的材料尺寸和形状没有特殊要求17，是一种简单新颖的温度测量方法。1.5 本论文的主要工作内容及结构安排本论文是基于散斑干涉法的温度测试技术研究方案，要求在学习理解了散斑干涉测量技术的基础上，建立起温度场测量的理论模型，然后设计具体的实验方案进行验证，并对实验相关参数进行分析、讨论。具体的结构安排如下：第一章：介绍课题研究背景和相关技术的国内外研究现状，明确本课题研究意义；第二章：建立散斑干涉技术测温方法的理论模型；第三章：设计并操作具体的验证性实验；第四章：实验后期相关参数处理；第五章：全文总结与展望。2
14、系统模型建立2.1 系统模型建立总体思路数字散斑干涉技术是一种测量光学粗糙表面位移或变形等物理量的干涉测量技术，通过引入参考光与物光相干涉形成散斑干涉图像，并以此作为待测物体形貌变化的信息载体。当待测物体发生某种形变会引起物光与参考光之间的相位差变化，会形成另一幅散斑干涉图像，通过采集待测物体形变前后两帧图像，对其运用相关算法进行处理，就可以得到待测物体的变形量，这样就建立起了散斑干涉条纹与物体应变之间的关系模型。物体由于某种原因引起温度变化时，会发生位移或形变，而这种形变是由物体内部的热力学及材料学等性质决定的，所以物体温度与由于温度而引起的位移或形变本身存在着一个定量关系，因此运用相关的热
15、力学及材料学知识就可以建立起物体应变与温度的关系模型。因此，通过以上两个关系模型进行相关变量代换，就可以建立起散斑干涉条纹与物体温度之间的关系，达到利用数字散斑干涉法间接测量温度的目的。为了更好地利用实验效果来验证本文理论，本课题主要以受热条件下的金属固体作为研究对象，模型的建立也是依此作为基础进行。2.2 应变-数字散斑干涉条纹模型的建立2.2.1 散斑的形成及其特性当激光照射光学粗糙表面上时，这些表面上无规则分布的面元散射的子波相互叠加使反射光场具有随机的空间光强分布，呈现出颗粒状的结构，这就是散斑18。由散斑的成因可知，物体表面的性质和照明光场的相干性对散斑都有着决定性的影响。因此散斑的分类也就多种多样，按物体表面的性质可以将散斑分成强散射屏产生的正态散斑和弱散射屏产生非正态散斑；按照明光场的相干性可以将散斑分成完全相干散斑和部分相干散斑。同时按照光场的传播方式，将散斑场分为远场散斑(与夫琅和费衍射对应)、近场散斑(与菲涅尔衍射对应)和像面散斑三种类型。按观察条件将散斑分成主观散斑与客观散斑两种类型。当用激光照明时，光学系统形成被照明表面的像，并且像与物的强度有类似的随机分布，这就被称为“主观散斑”；当用激光照明粗糙表面时，其散射光的强度随位置的不同而随机变化，这就被称为“客观散斑”。前者实质上是像面散斑，后者则是通过自由空间传播形成的近场散斑和远场散斑19。我们研究
