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1、清华大学2012届毕业设计说明书云纹干涉法测量流体温度场的毕业设计说明书摘 要微细尺度对流换热温度场的光学测量技术是微细尺度传热学研究领域的重要研究内容，它可以为微细尺度传热学的实验研究提供有效的技术途径。本文针对微细尺度对流换热温度场的特点，提出了一种可用于微细尺度对流换热温度场测量的傅立叶变换莫尔偏折法。提高莫尔偏折法的测量灵敏度，是解决微细尺度对流换热温度场测量的关键。本文研究并探索了提高测量灵敏度的三个技术途径。研究了利用莫尔偏折法测量微细尺度对流换热流体温度场的基本原理，建立了该方法的几何光学和物理光学模型，分析并掌握了莫尔条纹的形成规律，讨论了实验装置中光学参数对莫尔偏折法测量温度
2、的影响，提出了探测微细尺度热流场对光学参数的要求。最后，本文进行了实验验证，利用傅立叶变换莫尔偏折法测量了竖直加热细丝自然对流温度场。实验中不仅顺利地探测到了细丝加热前后莫尔条纹的变化，还得到了细丝周围流场的温度分布。实验验证表明，本文所提出的测量微细尺度对流换热温度场的傅立叶变换莫尔偏折法是可行的，所提出的提高微细尺度流场测量灵敏度的三种技术途径也是有效的，它将对微细尺度传热学的研究提供一种有效的实验方法。关键词：微细尺度传热学，莫尔偏折法，傅立叶变换，温度场测量。AbstractOptical flow visualization and measurement is one of the
3、 interesting fields in the experimental researches of heat transfer, especially in the field of mini/micro scale heat transfer. An optical method, Fourier Transform Moir Deflectometry, applicable to mini/micro scale heat transfer, is proposed in this paper. In this paper, the researches are focused
4、on the improvement of measurement sensitivity, so as to meet the needs of measurement for mini/micro scale fluid temperature distribution. Three approaches are presented. physical and mathematical models of Moir Deflectometry are investigated to make clear the rule of Moir fringes generation. Based
5、on the investigation, it is pointed out how to select appropriate optical parameters to measure the teperature of mini/micro scale fluid. To verify the optical method, temperature distribution for natural convection around a vertical heated thin wire was measured by Fourier Transform Moir Deflectome
6、try. The small phase variation in moir fringes,when the thin wire was heated, was obtained successfully. Furthermore, the temperature distribution around the heated thin wire was finally determined. proposed in this paper is actually applicable to mini/micro scale fluidtemperature measurement. The r
7、esearches also showed that the three approaches to improve the measurement sensitivity work well. The optical method will be a useful experiment technique for mini/micro scale heat transfer.Key words: Mini/micro scale heat transfer, Moir Deflectometry, Fourier transform, Temperature measurement目 录1
8、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182.5小结213 基于MATLAB的图像仿真得到相
9、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第I页 共III页清华大学2012届毕业设计说明书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内容的“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，其测量位移灵敏度比传统的
10、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、断裂力学等相关学科的
11、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，如图1.1所示。D.P
12、ost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内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内位移等值线，并提出了类似于几何云纹的面内位移计算公式: (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些重要现象，而
13、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: （1-3）其中，分
14、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方向面内位移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方向面内位移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
