基于金属热变形的散斑干涉测温技术研究毕业论文(编辑修改稿)

基于金属热变形的散斑干涉测温技术研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

(3)搭建实验平台，进行实验，检验该方法的可靠性； (4)对散斑相关条 纹分析处理； (5)通过实验数据得到散斑相关条纹变化与温度变化之间的关系。 中北大学 20xx 届毕业论文 第 6 页 共 32 页 2 系统模型 系统模型建立 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。 应变 数字散斑干涉条纹 模型的建立 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，这就被称为中北大学 20xx 届毕业论文 第 7 页 共 32 页 “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]。 我们研究的散斑主要是像面散斑。 激光散斑的特征主要用它的大小、对比度 (衬度 )及其运动规律来表征 [20,21]。 散斑的大小与观察平面的位置及与照明光波的波长 有关；散斑的对比度和被测物体的表面粗糙度有着很密切的关系，决定了是否能产生可判读的散斑图；如果被激光照明的粗糙表面发生位移或变形，则在观测平面上的散斑图也要产生相应的变化，这就是散斑的运动规律特性，本文正是利用了散斑的这一特性作为理论基础来进行研究的。 数字散斑干涉技术原理及应用范围 数字散斑干涉法 [22]是用激光光束直接照射到测试表面，再用电子摄像机采集其变形前后表面散斑颗粒干涉形成的条纹，以测定其离面和面内位移的一种新型、先进的测试技术，其基本原理介绍如下： 在散斑场中引入一束参考 光，使散斑场与参考光发生干涉，如图 [23]。 物光 IA和参考光 IB是由同一激光光源发出的两束相干光。 IA照明被测物体表面，被测物体由成像透镜成像，经分束器到达像面； IB由分束器反射到像面，在像面上，物光与参考光相互干涉形成干涉散斑场。 物体变形前像面上任一点 ),( yx 的光强可表示为： c o s2),(0 BABA IIIIyxI  （ ） 式中， IA和 IB分别为物光和参考光强度，  是一个随机散斑位相。 物体某点 ),( yx发生形变时，将引起物光复振幅发生  的位相改变，这时，物光与参考光相互干涉使像面上点 ),( yx 的光强变为： )c o s (2),(1   BABA IIIIyxI （ ） 图 物光与参考光的叠加干涉 反射镜物体 半反半透镜CCD扩束光干涉中北大学 20xx 届毕业论文 第 8 页 共 32 页 在散斑图像处理方式中，条纹的形成方式有减模式、加模式、相关模式，本系统主要利用减模式 来形成条纹。 在减模式运算中，变形前的散斑干涉场图像存在图像板中与变形后的散斑干涉场图像相减并取绝对值，这时， 10 ),( IIyxI  =4 BAII     21s in221s in （ ） 实际情况，  变化比  变化慢得多，由式（ ）可看到它有两个互相调 制的函数项，第一项频率高，表示散斑，第二项变化频率低，表示散斑条纹。 当 sin( 2 )=0时将出现暗条纹 这时  n2 1n , 2 , 3 … （ ） 当 sin( 2 )=1时将出现亮条纹，并且该亮条 纹带有斑点。 这时   12  n 1n , 2 , 3 … （ ） 若物体发生微小位移，则物体移动前后散斑干涉条纹发生改变 [24]，会造成物光复振幅的总的位相改变  ， 由于光强差 I 是相位差   的函数，所以若物体表面各部位位移不同，其光强差也不同，由此可产生明暗变化的光强差条纹，利用这种方法可以测量出物体的位移。 目前，数字散斑干涉技术主要用于五个方面的测量，它们分别是：面内位移测量，离面位移测量，表面形状测量，三维位移场测量和位相物体测量。 各种测量方案均遵循上述理论。 本次设计拟定为一维测量，最佳适用理论为离面位移测量理论，下面我们着重介绍离面位移测量的相关知识。 双光束 离面位移测试理论 激光被准直扩束系统扩束后照射到分束器上，被分束器分为物光束和参考光束。 参考光束经反射镜反射后再次经过分束器入射到 CCD 表面；同样，物光束照射到物体表面后，经物体漫反射后也再次通过分束镜到达 CCD 表面。 参考光束和物光束在 CCD感光面附近相遇并发生干涉现象，把 CCD所采集到的干涉图样称之为散斑干涉图 [25]。 散斑干涉图经图像采集卡实现 A/D 转换，传输到计算机随机存中北大学 20xx 届毕业论文 第 9 页 共 32 页 储器，通过数字图象处理这些干涉图样可计算出物体的位移。 离面位移测量原理如图 ，激光束经过全反镜，扩束镜和分束镜分成物光和参考光，它们分别照射 到漫反射的物表面和参考面上之后再返回，两束返回的光束在成像面上相互干涉形成干涉条纹。 图 双光束离面位移测量光路图 图 Laser为激光器， EP为扩束镜， M为全反射镜， BS为分光镜。 物体变形前，物光和参考光在 CCD 电视摄像机成像平面上的光波复振幅分别为：  ),(),(00),(),( ),(),(0yxirryxireyxayxEeyxayxE （ ） 其合成复振幅为： ),(),(0 ),(),(),( 0 yxiryxi reyxaeyxayxE   （ ） 对应的光强分布为 ),(),(),( *0 yxEyxEyxI  )c o s (2 00220 rrr aaaa   （ ） 式中 ),(* yxE 为 ),( yxE 的共轭光波复振幅。 当物体变形后，由于物体表面发生离面位移 l (沿 z 轴方向 )，使物光与参考光产生 2 l 的光程差，于是在 CCD电视摄像 机成像平面上物光和参考光的位相差为 l 22 （ ） 此时， CCD电视摄像机记录的光强分布为 中北大学 20xx 届毕业论文 第 10 页 共 32 页 )c o s (2),( 002201   rrr aaaayxI （ ） 采用减法模式，并取绝对值为 10 ),( IIyxI   )c o s ()c o s (2 000 rrraa   2s i n)(2s i n4 00    rraa （ ） 当  =2n n= 1 , 2 , 3 … 时 （ ） 0),( yxI ，呈现暗条纹。 将 ()代入 ()式得 2nl （ ） 通过统计暗条纹级数 n，代入式（ ），即可求出离面位移 l。 应变与温度的模型建立 物体温度的变化会导致物体发生微小的位移或形变，这种变化可由确定的函数关系式进行表达，从而建立物体应变与温度之间的关系模型，下面我们从热力学与弹性力学的角度来确定这个关系式。 热力学平衡态描述 由热力学第零定律知道，温度是 热平衡状态下热力学系统存在的一个状态函数[26]，要讨论温度与其他状态量的关系，必须以热平衡状态作为前提，下面我们先介绍一下热力学平衡态的概念： 在热力学中，我们将与外界既没有能量交换也没有物质交换的系统称为孤立系统；与外界有能量交换但没有物质交换的系统称为封闭系统。 如果孤立系统经过足够长的时间后，系统的各种宏观性质在长时间内不发生任何变化，则称这样的状态为热力学平衡态。 在本系统中，因为待测试件拟采用金属固体，其与外界热源只有能量传递而无物质交换，因此金属试件本身属于封闭系统。 但是，如果把热源与金 属试件看成一个整体，它们与外界几乎没有能量和物质的交换，组成一个复合的孤立系统。 在整个加热过程中，金属受热膨胀，温度逐渐上升，整个变化过程是不稳定的非平衡状态，如果把整个加热过程分解成无数个小时间段，那么在每个小时间段内，系统都中北大学 20xx 届毕业论文 第 11 页 共 32 页 可近似看作是热平衡态。 固体状态方程描述 一个热力学系统的平衡态可以由它的几何参量、力学参量、化学参量、电磁参量以及热学参量的数值确定，热力学所研究的全部宏观物理量都可以表达为这五类参量的函数。 而温度正是热学中特有的状态参量，要研究温度，就必须建立温度与其他四类参量之间 的关系。 由热力学知识可以知道，物态方程正是联系温度与其他状态参量之间的一个函数关系方程式，这为我们进行研究提供了思路。 本系统模型的建立选用金属固体作为测试试件，通过加热使金属发生微小形变[27]，这一研究过程不涉及电磁性质也不考虑与化学成分有关的性质，所以就不必引入电磁参量和化学参量。 而金属固体内部性质相同，故我们近视认为这是一个只需考虑体积和压强两个状态参量便可确定的简单系统，这就转化为利用简单系统下状态方程进行描述的问题。 在介绍简单系统物态方程以前，我们先介绍几个与物态方程有关的物理量。 体胀系数  ，在给出压强保持不变的情况下，温度升高 1K所引起的物体体积的相对变化，即为： pTVV )(1  （ ） 等温压缩系数 Tk ，在给出温度保持不变的情况下，增加单位压强所引起的物体体积的相对变化，即为： TT pVVk )(1  （ ） 其中 V 表示体积， P 表示压强， T 表示温度 抛开气体物态方程，对于简单固体（各向同性固体），可以通过实验的方法测得体胀系数  和等温压缩系数 Tk。 通过热力学知识可知，固体的膨胀系数是温度的函数，与压强近似无关；等温压缩系数的数值很小，在一定的温度范围内可以近似看作常数。 考虑到这两点，则可以建立以下物态方程： ])(1)[0,(),( 000 pkTTTVpTV T  （ ） 弹性体形变的一维问题 中北大学 20xx 届毕业论文 第 12 页 共 32 页 物体在外力的作用下，质元间的相对位置会发生微小变化，从而使物体发生形变，此时，体内各质元处于一种新的紧张状态，产生了一种弹性回复力，即物体有抗拒外力作用以恢复其形状不变的能力。 在外力不大或形变不大的情况下，外力去除后，物体将恢复其原有的大小和形状，这种形变称为弹性形变，这种物体称为弹性体，物质的这种特性称为弹性。 本系统中的金属试件受到高温的作用下，形变较小，且在工程实际问题中，这种形变甚至可以忽略，故我们可以认为试件为弹性体。 为了简化研究，对于弹性体。