数字散斑瞬态高温测试技术方案设计

第一章 绪论1.1 研究目的和意义在工程实际中，由于工件和设备的各种运动，使得设备之间产生了许多非稳态导热现象。热力设备的启动，停机，变工况，突然冷却等，使设备产生了瞬态高温。若瞬态温度太高，则会由于过大的热应力而损坏部件，因此对瞬时温度的检测和控制变得极其重要。传统的温度探测器多是使用热-电的方法，而由热到电的过程需引入电阻、电感、电容等元件，这样温度的产生和探测之间会产生时间延迟，并且引入电路的过程可能会导致原温度场频率发生变化，同时一些机械的探测需要无接触性探测。另外，在很多情况下，当温度达到，甚至超过一定极限时，传统的温度传感器会失去探测能力。因此，传统的温度传感器遇到了很大的挑战，实现瞬态高温的实时、非接触性检测具有重大的意义。散斑干涉测量技术是60年代末由J. M. Burch 和J. T. To kardki首先提出的一种光学测量技术, 具有非接触、测量精度高、对环境的防震要求低、可在明光下操作、能进行全场测量等特点, 因而广泛应用于光学粗糙表面的变形测量和无损检测。随着计算机技术、电子技术和数字图像处理技术的发展, 形成了电子散斑干涉测量技术( electronic speckle pattern interferometry, 简称ESPI)，它具有实时处理信息、实时显示干涉条纹、快速方便、对工作环境的防震要求低并可以实现条纹自动化测量等优点。另外由散斑干涉模型可以知道，温度与弹性模量，等温压缩系数，体胀系数等有关系，而弹性模量等的测量时一个复杂的过程，如果本系统能非常完美地解决高温的测试，那么我们可以将本实验扩展为对弹性模量，等温压缩系数和体膨胀系数的测量，即本系统对其它物理量的研究也有重要意义。本文在充分利用ESPI优点的基础上，应用CCD通过图像采集卡把散斑图像变成一种完全数字化的图像，并且借助于计算机程序对变形或位移前后散斑图求相关运算而实现计量。这样，本系统即摆脱了传统高温测量的不足，又实现了高温测试的进一步的创新。1.2 瞬态高温测试技术和数字散斑测试技术的研究现状1.2.1 瞬态高温测试技术的研究现状对于瞬态高温探测方法的研究很多，其研究行业涉及广泛。尤其是涉及建筑学科和材料学科等相关领域，瞬态高温的研究更是层出不穷。但是，对于瞬态高温研究的力度仍然呈现不足，究其本源，对于瞬态高温的定量分析还缺乏更有力的理论依据，局部的仿真只针对个别的现状进行了粗略的讨论。综合过去一些专家的研究，现将他们的一些研究成果列举如下：1、温度的变化与辐射时间和辐射位移有关，一些学者立足于此提出了蓝宝石光纤黑体腔温度传感器外推测量高温的新方法。他们通过建立瞬态加热传热模型，利用几何条件、物性条件、时间条件和边界条件得出了温度关于时间和传热距离的函数，并用Ansys软件模拟现场得出了瞬态高温探测的准确性。2、由辐射定理可知，温度的变化会放出大量热，其具体体现是大量的热会产生红外辐射。基于此，部分学者提出了远红外测温技术。此技术具有不接触、 不停运、 不取样、 不解体，被动式检测， 简单方便等优点。由于温度的不同，发射出的波段不同，通过分析波谱，既而可以判断出温度的情况。3、测温不仅限于利用波长这一方法，比较成熟的研究中还有对亮度的使用。传统的探测器件和感光亮度的材料同样为测温研究做出了贡献。电子技术和计算机技术的发展使得测温技术更加智能化、自动化。一些学者利用物联网、单片机、传感器等手段测温，大大推进了测温技术的改革。1.2.2 数字散斑测试技术的研究现状散斑现象很早就被科学家们发现，由于散斑影响了全息图质量，散斑现象一直以来被人们当作噪声。尤其是激光散斑的特殊性，更激发了人们对消除散斑的研究。而后来，人们发现散斑和激光一样，同样是信息的载体，于是散斑测试技术得以飞速地发展。回顾散斑测试技术的发展，大概分为四大阶段，他们分别为：散斑照相法阶段，散斑干涉技术阶段，电子散斑干涉技术阶段（ESPI），数字散斑相关技术阶段(DSPI)。按照时间顺序，我们把数字散斑技术的发展历史列举如下：1914年，人们发现散斑现象；1960年，为了克服全息干涉技术的噪声，人们开始研究怎么消除散斑；1966年人们开始把散斑引入测量领域；1968年人们开始提出散斑照相术；1969年人们提出了散斑相关干涉计量术和剪切散斑干涉术；1971年人们提出电子散斑干涉术；20世纪80年代初，随着视频记录和计算机图像处理技术的引入,数字散斑相关技术诞生，数字散斑相关技术得到了很广泛的应用。国外对数字散斑相关技术的研究起步早，他们对燃烧学和热物理学做出了很优秀的检测，把理论上的无损检测落实到了实际生活中，提高了测量的精确度，从更为微观的应变上着手，配合光学的高精密度，真正实现了精密测量。在国内，由于中国在此方面起步晚，数字散斑测量技术的发展要落后一些。但总体来说，数字散斑相关技术已实现了航天、医学、生物学等多领域的应用，数字散斑测温技术的研究仍是当前较为前沿的科学。1.3本文所要解决的问题和内容安排本系统是基于数字散斑相关技术的瞬态高温测试方案，其测试原理为：瞬间高温引起试件形变，高速CCD相机拍摄出试件形变的散斑干涉条纹，通过散斑干涉条纹这个直观的数据，可以间接测出试件表面产生的高温是多少，从而完成系统设计的目地。为此，从整体上，本系统需要重点处理三个问题：（1）建立高温应变-温度模型，（2）选择数字散斑测量理论，并找出应变与条纹数之间的关系，（3）搭建实验系统平台，通过实验收集相关数据，着重检验本系统的精确性、可靠性。为了解决上述问题，本文将按以下内容阐述本系统：首先，本文要介绍数字散斑高温测试的理论和建模过程，数字散斑高温测试涉及材料学，热力学，光学，统计学，是一个复杂的学科综合，正确处理各物理量是本文的重要内容。其次，本文涉及实验，选择实验方法、搭建实验系统、收集实验数据以及实验数据的仿真是本文所要描述的内容。最后本文要介绍通过实验数据的后期处理，并简单阐述本系统的优点与不足，为瞬态高温的研究做进一步探究。1.4本章小结本章第一节通过比较传统测温和数字散斑测温的区别说明了数字散斑测温的优势，又从散斑干涉模型的推广，进一步阐述了数字散斑测温的重要意义。第二节代表性地列举了目前测温的主要几种方法，并按时间为主线，介绍了数字散斑干涉的发展历程。第三节，简单地介绍了本文要解决的问题和内容分布情况。第二章 数字散斑瞬态高温测试模型的建立2.1散斑和干涉的基本理论数字散斑测试是在全息成像的对立基础上受到启发而创立的一门测试技术。其缘由是在全息成像过程中，由于散斑干涉使得全息图像的干涉条纹受到干扰，故而需要寻找方法消除散斑干扰，而后来，人们发现在这种干扰的背后，携带了大量可利用信息。由此基于散斑干涉的系统得以发展，故而，在建立散斑干涉测试模型之前，我们，必须简单回顾一下散斑及其干涉的一些基本理论。2.1.1 什么是散斑当激光照射在墙壁、纸张、毛玻璃等这些平均起伏大于波长数量级的光学粗糙表面（或透过光学粗糙的透射板）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（或透射光场）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。散斑是在相干照明的情况下在漫射式的反射或透射表面观察到的随机分布的具有“闪烁”颗粒状外貌的微小光斑，有亮散斑和暗散斑之分。本文所指的散斑，为激光产生的散斑，激光的高相干性使散斑现象显而易见。实际上，散斑就是来自粗糙表面不同面积元的光波之间的自身干涉现象，因而它也是粗糙表面的某些信息的携带者。借助于散斑不仅可以研究粗糙表面本身，而且还可以研究其位置及形状的变化。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。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。本系统的散斑是像面散斑，属于主观散斑。2.1.2 光的干涉光的干涉属于波动学理论，故光波与其它波一样，在空间传播时都遵从独立传播定理，在叠加区引起的光振动需满足光的叠加原理。先假设有两列光波，在空间某一叠加区叠加，且两列波之间的夹角为，考虑一般情况，可设 （1）且，。两列波经叠加后总光强为 （2）当时间固定后，其中，（2）式中第三项即为干涉项，因此，系统产生干涉与否，由第三项决定。由上述式子我们可知，只有当相等， ，固定时才可能产生干涉，这就要求我们构建系统时需要考虑三个条件。第一条就是散斑干涉的光源必须是单色光源，其次是两列相干光要尽量平行，尽量减小的值，会使散斑干涉明显一些，最后就是两列光波的初相位之差要固定，即产生干涉要求两列波波形稳定。2.2应变-温度模型的建立由测试原理可知，要解决散斑测试的问题，必须弄清温度与应变之间的联系，温度与应变的联系同时与热学和力学相关，下面我们将从热学和力学两个方面为应变和温度建立关系式。2.2.1 固体物态方程的描述在热力学中，我们将与外界有能量交换但没有物质交换的系统称为封闭系统。如果封闭系统经过足够长的时间后，系统的各种宏观性质在一定时间内不发生任何变化，我们称之为热力学平衡。在本系统中，因为所测试件通常为金属固体，其只吸收能量无物质交换，故我们我们可以认为该试件内部属于封闭系统。在试件的一端加热后，一段时间内试件会膨胀，试件膨胀的整个状态是不稳定的，但就某一有限时刻来说，试件可以看成固体的热力学平衡状态。温度是衡量热力学平衡状态的一个指标。在本系统中，我们欲将温度这个变量转化成其他变量，有一个思路可以尝试，那就是建立物态方程。所谓物态方程，就是温度与其他几何参量、力学参量、化学参量和电磁参量之间的函数关系方程式。对于温度转化应变模型而言，只考虑物体体积和压强两个状态参量的简单系统是远远不够的。但简单系统的物态方程是最实用的方程，这是研究物态变化的基础。在介绍物态方程之前，本文需定义以下概念：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： （3）等温压缩系数,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： （4）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，可以通过实验的方法测得体胀系数和等温压缩系数。通过查阅文献可知，固体的膨胀系数是温度的函数，与压强近似无关，其后期的计算我们将会重新提到这一点，在这里我们将上诉两个参数看为定值，即为常数。则可以建立以下物态方程： （5）2.2.2 弹性体拉伸形变的一维问题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，物体体内的质元会产生一种弹性回复力，即物体既有抗拒外力作用以恢复其形状不变的能力。在外力不大的作用撤消后，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。对于弹性体，有以下假设：弹性体材料均匀、连续；弹性体各个方向上的力学性质相同；弹性体形状的改变量与其总尺寸相比很小。试件在加热过程中，可看作是材料均匀，受热连续，各方向力学性质相同，且加热后形变与其总尺寸相比很小的模型，故我们将其看成弹性体，其受热力变化示意图如下：图2-1 一维方向下试件加热形变示意图根据连续体力学弹性规律我们可知，在一维方向上进行的加热变形属于线应变，根据定义，线应变 （6）其中表示受热后伸长的长度，表示受热之前原试件的长度，表示应变在受到热力的作用下，根据物理学的定义我们可知，在截面上所施加的力和横截面积之间定义了一个应力，其表达式为 （7）其中表示应力，表示横截面所受力的大小，表示横截面积。为了简化运算，我们把力看成是垂直作用到横截面上的，这样，式中就表示为正应力，其切应变的讨论与本方法类似，本文暂不讨讨论。工程技术中，材料力学为我们提供了应力和应变的相互关系，这一部分被称作弹性理论。根据弹性理论我们可以知道，关于应变和应力之间的关系由大量的实验证明，在伸长缩小足够小的情况下，应力与应变成正比，即 （8） 故同理可知 （9）进而我们重新引入一个正比例常数弹性模量来描述这个规律，这样弹性体拉伸形变的一维问题得到解决，即： （10）2.2.3 正应变与温度间的关系三维坐标下的受热应变的情况复杂，不便于讨论其性质，我们假设其热效应只引起一个方向的膨胀，如图所示：图2-2 三维体中一维方向形变示意图结合图2-2可知 （11）根据压强的定义将(10)式变形可以得到如下公式： （12）将(11)和(12)带入(5)中可以得到通过运算得到 (13)其中,为测试试件时实验室的温度，通过上述的计算，我们建立了应变与温度间的关系，由式子(11)可知温度引起固体形变的原因主要有四个方面，首先是材料，弹性模量随着材料的不同而不同，表征出不同材料在相同的外界温度下，热胀冷缩效果是不一样的；其次是物体的尺寸，式中常数虽然只代表了一维情况下的坐标参量，但已经能充分说明了这个问题，落实到现实中，大物体的热胀冷缩效应非常不明显；再次是线膨胀系数，当然如果是体结构，上升为体膨胀系数，从宏观上它表示温度的力效应，但是从微观上，表示出物质的粒子属性；最后就是等温压缩系数，这个很好理解，就是温度恒定后，增大物体的压强，必然引起物体的膨胀。2.3数字散斑测量模型的建立数字散斑相关技术（DSPI）是在电子散斑干涉技术（ESPI）的基础上发展起来的，它们的区别是电子散斑干涉技术是用光电子器件记录散斑场的光强信息，通过电子处理的方法获得散斑干涉条纹，而数字散斑相关技术从本质上来讲是一种完全依赖于电子技术和数字技术的散斑照相术，图像生成过程与传统散斑图像生成过程完全相同，只是应用CCD（CMOS，本文用CCD，以下均用CCD）通过图像采集卡把散斑图像变成一种完全数字化的图像，且分析方法借助于计算机程序对变形或位移前后散斑图求相关运算而实现计量的一种方法。所以，从测量机理上来讲数字散斑相关技术和电子散斑干涉技术是一样的，它们具有相似的测量原理图，唯一不同的就是测量图中使用的器件和设备。故我们可以充分利用电子散斑干涉技术为我们的瞬态高温测试搭建测量原理图，下面我们将介绍数字散斑测量模型。2.3.1 DSPI测量的原理和范围DSPI主要用于测量物体的微小变化量，在物体变化前，首先进行第一次图像采集，记录下初始状态的光强分布。在CCD摄像机将光强分布信号转换成相应的视频信号后，又经A/D变换器数值化，然后存于帧图像存贮器中；当物体变形后，进行第二次图像采集，也存于帧图像存贮器中。将这帧图像相减后。显示于监视器上，即为DSPI的相关条文图。目前，根据ESPI的发展，数字散斑相关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，即大体框架均为参考光与变量光经CCD进入图像处理系统，最后得到条纹，分析结果得到各自相应的目的。数字散斑测量，需首先采集参考光波和变化前的光波，设记录平面为X-Y平面，参考光波和变化前的物光波复振幅分布分别为和。 （14） （15）这里分别为参考光与初始物光的振幅。设物体对光波不产生吸收，变化物光波与初始物光波具有相同的实振幅，仅仅附加一个变化了的位相，则变化物光波为 （16）物体变化前采集的光强分布为： （17），分别为参考光与原始物光的光强。物体变化后采集的光强分布 （18） 将式(17)减去式(18)可以得到相关条纹光强分布 （19）本次设计为一维测量，最佳适用理论为离面位移测量理论，下面我们介绍离面位移测量。2.3.2 离面位移测量光路当物体发生位移后两散斑波前之间有相对位相的变化，引起了散斑图的变化，因此在散斑图中含有位移的信息，以图2-3为例说明。从在图2-3中我们可以知道从光源经处理得到的扩束光通过半反半透镜后，一部分透过透镜，经反射镜返回，为我们提供参考光，此部分的参考光是定值，是固定不变的。而经过透镜反射回透镜的光会随着物平面的不同而不同。从CCD上拍得的散斑图会因为位移的改变而使散斑图样发生变化，通过散斑图样的变化，我们即可测出位移。所以散斑图携带了位移的信息。对于离面位移的具体测量，我们建立了如图2-4所示的装置，对于物表面的具体局部的测量，我们建立了如图2-5所示的示意图。2.3.3 离面位移测量原理双光束离面位移测量的光路布置如图所示，激光束经全反镜M，扩束镜EP和分束镜BS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。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 （20） 图2-3 物光与参考光的叠加干涉CCDLaserMEPBSZ物表面Laser 激光器EP 扩束镜M 全反镜BS 分光镜CCD 电视摄像机图2-4 离面位移测量光路图2-5 测量离面位移原理图局部放大其合成复振幅为式（21） （21）对应的光强分布为 （22） 式中为的共轭光波复振幅。当物体变形后，由于物体表面点的离面位移（为Z轴方向），使物光的光程发生改变，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 （23）此时，CCD电视摄像机记录的光强分布为 （24）采用减法模式，即（12）减（14）式，并取绝对值为 （25）当时 （26）呈现暗条纹,将(23)代入(26)式得 （27）通过统计暗条纹级数n，代入式（27），即可求出。2.4本章小结本章首先介绍了散斑的定义和干涉的相关概念，奠定了模型的基础。在第二节中通过热力学的状态方程描述和弹性体拉伸形变方程建立了温度-位移模型。最后选择数字散斑测量方案中的离面位移测量方案，并介绍了以电子散斑为基础的数字散斑干涉理论，从而建立了位移与条纹数之间的关系，从理论上，问题得以完满解决。第三章 数字散斑瞬态高温测试系统设计3.1设计思路本系统为准静态的散斑干涉实验方案，即在试件变形前，我们通过CCD采集一个数据，作为参考，试件变形后，通过CCD采集另一个数据，经过一定的公式变换，将两次数据进行比较，即可得出试件所受温度的大小。从总体思路上我们将系统按如下简图设置：试 件乙 炔 焰CO2激光器热 像 仪热 电 偶散斑干涉系统图3-1 实验总体思路框图我们将高温测试系统按左中右的次序分为三层。第一层为加热层，即如图所示，我们可以选择CO2激光器或者乙炔焰作为第一层，其目的是使试件充分受热，然后引起变形。第二层为试件层，试件层通常选用导热性强的试件，比如金属试件，切忌选用绝热试件，其原因是，绝热型试件受热后形变不明显，另外，试件还要求能耐高温，可塑性好，在高温撤去后能恢复原状，只有这样，才能保证我们的实验顺利进行，为此我们拟定选择铜作为加热试件。第三层为探测层，此层的目的在于能够运用散斑干涉系统间接性测量出试件的温度，并且能证明本次测量方案是正确的，为达到此目的，我们可以用热像仪，热电偶等传统的测量工具同时测量，然后粗略地估计一下本实验方案是否可行。第三层散斑干涉系统的设计由第二章可知，我们可沿用EPSI的离面位移测量装置图，但是我们需要将其改进，那就是在ESPI的基础上加入图像处理系统，如图3-2所示。3.2实验器材介绍数字散斑瞬态高温测试系统从材料，器件（包括软、硬件）上来说，共需要10类器材，它们分别是铜板、激光器、乙炔、反射镜、扩束镜、分束镜、热电偶、热像仪、CCD摄像机和图像处理系统。我们将反射镜、扩束镜和分束镜归为一节，热电偶和热像仪归为一节，铜板和乙炔焰归为一节，下面本文将分六节来介绍本测试系统所需器材的特性。图3-2 散斑干涉系统图3.2.1 反射镜、分束镜、扩束镜的相关知识反射镜是一种利用反射定理工作的光学元器件，通过在普通光学玻璃的背面涂上一层银薄膜，可以使光学玻璃形成反射镜。按其形状分类，反射镜可分为平面反射镜，球面反射镜和非球面反射镜，本系统使用的反射镜是平面反射镜。按反射程度分，可分为全反射镜和分束镜。所谓分束镜，就是指其光强并不是全部反射的反射镜。本系统中使用了两个全反射镜和一个分束镜，并且要求本系统中的分束镜为半透半反镜，下面我们来简单介绍一下分束镜。和反射镜的成型原理类似，在光学玻璃表面镀上一层或多层薄膜，这时一束激光投射到镀膜玻璃上后，通过反射和折射，激光就被分为两束或更多束，这种镀膜玻璃就叫做分束镜。分束镜的作用是将一束光分成两束或两束以上光。分束镜主要用于将入射光束分成具有一定光强比的透射与反射两束光，故按此分类有固定分束比分束镜和可变分束比分束镜两类。本系统中所使用的半透半反镜是一种固定分束比分束镜，理论上要求其反射和折射光束比为1:1。介于其结构的特殊性，在实验过程中，半透半反镜可能会沾上外界的灰尘，为了使实验效果更好，通常情况下我们需要擦干净分束镜。但是为了保持反射和折射的光束比，实验要求我们必须保护好分束镜的镀膜，切忌擦伤，切忌损坏半透半反镜。本系统共有三类镜面，上面我们已经介绍了平面全反射镜和半透半反镜，下面我们来介绍扩束镜。扩束镜是一种将光的光束半径扩大的一种镜片，它带来的好处是将光束覆盖的范围扩大，其不良后果就是给光的准直带来了麻烦，是光准直的对立面。有激光原理知识我们可以知道光的束腰半径和发散角是激光的两个重要参数，扩束镜的作用就是改变这两个参数，从而改变激光传播的广场分布，通常情况下，扩束镜的是由一个凹透镜和一个凸透镜构成的。凹透镜和凸透镜的镜面特征直接决定光束通过扩束镜后的分布特点，本系统的扩束镜就是利用了这个原理。3.2.2 激光和激光器激光，取其英文名称LASER解释，就是受激辐射的光放大，但是实现光放大，必须满足粒子数反转和充分的泵补能量这两个条件。在光子简并度高这个实质条件下，激光表现出了四大特性，即单色性、方向性、高亮度和较强的相干性。本系统就是基于激光的方向性好，干涉性强，并且亮度集中这几个特点，才可将位移的变化量测量出来。激光器一般由工作物质、谐振腔和泵补源组成。按照能量最低原理，一般情况下，高能态粒子数目比低能态粒子数目少，利用泵补源提供能量才能使低能态的粒子到达高能级，实现粒子数目反转，从而在激发工作物质的情况下产生更多相同频率的光子。这些光子通过光学谐振腔，对模进行选择，最终才能形成稳定的激光光源，所以激光器的研究主要围绕激光光谱的宽度而展开。对于激光器，大体可以分为气体激光器、固体激光器、染料激光器和半导体激光器。完成整个系统需要关注两个激光器，一个是4D激光器，另一个是CO2激光器。本系统所使用的光源为QJH-4D激光器，激光波长632.8nm，输出功率1.5mW，模式为单模，发散角1.5mrad，即本系统光源发出的是单模红光。该 图3-3 扩束镜和反射镜图3-4 半透半反镜（分束镜）激光器属于氦氖激光器，工作物质是氦和氖，但起主要作用的物质是氖气，其结构有内腔式、外腔式和半内腔式，本系统所使用的是内腔式。4D激光器属于四能级系统，氦气在其中起着传递能量的作用。在形成激光之初，氦氖激光器输出三个波长，除了上述的632.8 nm外，还有1.15m和3.39m，其中以632.8 nm的性能最佳。本系统拟定备用触发铜板变形的发光器件是CO2激光器。CO2激光器的输出谱线波长分布在9m-11m之间，通常我们调整其波长为10.6m。目前国内生产的CO2激光器的输出功率在2W到80W之间，我们可以选取功率较大的CO2激光器进行热处理。图3-5 氦氖激光器3.2.3 热电偶和热像仪热电偶是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。热电偶的结构和使用提出了一个概念，热电效应。所谓热电效应就是指两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势的现象。图中热端和冷端温度场不同，材料A和材料B不同，故而导致冷端呈现电势差。热电偶有四大基本定理:(1)A、B材料相同时,；（2）时，；（3）热电偶的热电势输出只与两点温度及材料的性质有关，与材料的中间各点的温度、形状及大小无关；（4）在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总电势没有影响。图3-6 热电效应根据斯忒藩-波尔兹曼定理我们可以知道，任何有温度的物体都会发出红外线，热像仪就是接收物体发出的红外线，通过有颜色的图片来显示被测量物表面的温度分布，故热像仪又名红外热像仪。红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。测量时只需将红外热像仪上显示的图样与一标准得图样对比即可。3.2.4 CCD相关知识CCD来源于英文名称Charge-coupled Device，即电荷耦合器件，从传感器的角度讲，CCD是一种固态图像传感器，由于它具有光电转换、信息存储和延时等功能，且集成度高，功耗小，所以在固体图像传感、信息存储和处理等方面得到了广泛的应用。CCD与其他大多数器件不同的是它以电荷作为信号，而其它大多数器件是以电流或电压为信号。下面我们以MOS（金属-氧化物-半导体）为例简单回顾一下CCD的原理。CCD按从上到下分别为金属，氧化物和半导体，结构属于电容。当一束光打在MOS管电容上后，光子进入衬底，电子吸收光子，受到激发，在半导体上形成电子空穴对，从而把光子能量转移记录，不同的光子能量形成的势阱容量不同，故一副光图变为一副电图，在MOS管上加一时钟脉冲，势阱就会朝着一个固定方向，即上面的电荷就会朝一个方向移动，进而实现电荷转移。CCD获取可以获取线图像和面图像，因此CCD可以分成线阵CCD图像传感器和面阵CCD图像传感器，而它们的区别在于移位寄存器的输出方式不同，CCD涉及的移位寄存器的输出等内容涉及广泛，这里就不做过多的介绍了。 图3-7 CCD立体图图3-8 CCD镜头3.2.5 铜板和乙炔焰铜在化学中属于过渡金属元素，是实际生活中使用较为广泛的一种重要金属之一。纯铜呈紫红色，密度较大，大约为8.92克/立方厘米，熔点在1100度左右，沸点高达2500多摄氏度。其物理特性是延展性好，耐磨损，是热和电的良好导体。本系统的试件必须满足耐高温，变形大，且在热源撤去后能恢复原状，铜的特性能够满足本系统实验要求。另外，本系统在试件选材上要避免刚体，尽量选择弹性体，所以本系统必须要保证铜的晶体结构是否符合要求。在控制温度不超过铜试件热变形不可恢复的极限情况下，要使铜恢复原状，这是弹性体的要求。同时铜的晶胞参数，表明，铜是一种内部均匀的材料，能满足实验各向同性的基本要求。对于热源，本系统认为可以选择乙炔，首先让我们来了解一下乙炔的基本性质：乙炔，分子式为C2H2，俗称风煤、电石气，在室温下是一种无色、极易燃的气体,其密度约为1.12Kg/m3，熔点为-83摄氏度，沸点为-81摄氏度，火焰温度大约为3100OC,热值12800千卡/m3,纯乙炔在空气中燃烧2100度左右，在氧气中燃烧为3600 OC。乙炔是一种有机原料，应用十分广泛。由上面的知识我们可以知道，本系统用乙炔作为热源是可以的。3.2.6 图像处理系统软件本系统图像处理软件共有两个，一个为电子散斑干涉信息处理系统（ESPI），另一个为数字图像散斑相关系统(DIC),以下是ESPI的用户界面。图3-9 ESPI的用户界面界面从上到下依次为标题栏、菜单栏、工具栏和状态栏，对于主界面，从左往右依次为工具箱、图像窗口、帮助窗口历史记录显示和信息显示窗口。菜单栏包括文件，编辑，视图，预处理，后期处理，作图，图像合成，彩色图像处理，外部程序，窗口，帮助。在本软件中，我们重点要研究预处理，后期处理，图像合成和彩色图像处理四大菜单。对于图像的前期预处理过程，本软件设置了以下几种处理方法：灰度变换，平滑处理，传统增强处理，偏微分方程处理，产生噪声，边缘检测，边缘锐化，清除图像边缘，卷积以及细化。后期处理菜单栏中共有以下信息：信息显示，文本标签，骨架线提取，曲线插值，曲线平滑，相位去噪声，去包裹，保真度和平滑度。在ESPI图像合成的方法主要包括：加运算，减运算，逻辑运算和其他运算，对于彩色图像，本软件设置了以下功能：灰度化，图像着色，亮度调整，对比度调整，特效处理。对于DIC,其用户界面见下图：图3-10 DIC的用户界面这里要注意的是图像1和图像2中载入的图像必须是经过灰度化处理的图片。算法的选择是一个很复杂的过程，本文在这里务须作过多介绍。3.3实验步骤在上述理论的基础上，为了验证本文所建立的模型是否合理，特建立此验证性试验。本系统涉及散斑干涉，由于参考光与散斑光对比度较大，将使干涉条纹被背景光所覆盖。因其光路调试难度大，干涉条纹不明显，图像处理系统复杂，故本实验将分两部分进行。首先进行力位移-散斑干涉实验，此试验是为高温瞬态-散斑干涉做准备的，第二部分在力位移-散斑干涉实验调整充分的情况下进行。下面我们将详细介绍这两部分内容：3.3.1 力位移-散斑干涉实验所谓力位移-散斑干涉，是指实验通过给试件加压力使试件发生位移，而位移导致散斑干涉条纹出现的现象。实验步骤1：依照图3-2连接光路在此光路图中我们需要注意以下几点：（1）扩束镜要与反光镜正对，即要保证扩束后的光束成一条直线进入反光镜中；（2）在光的干涉一节中，我们知道要使参考光和散斑光尽量平行，我们必须将分束镜调整至其与扩束镜-反射镜线成450的状态； 实验步骤2：固定各光学器件，给激光器和CCD通入电源，并开启氦氖激光器和CCD摄像机，调整光路。在这里我们需要注意的是：（1）CCD镜头要同时将试件上的散斑光束和反光镜中的光束采集到一起，并调整CCD镜头焦距，使采集的图像清晰；（2）在CCD镜头采集的光束中，要尽可能地减弱反射（参考）光的强度。实验步骤3：当上述条件得到满足的情况下开始移动试件背部的螺旋按钮，同时在计算机上打开Avermedia EZCapture程序，准备采集图样，图样样本应保证3至5个，编号为1,2,3,4如图所示3-12所示。在这里，本实验应注意的是在移动螺旋按钮时要记录螺旋按钮的移动值。并于事先利用公式估计一下移动距离与能产生条纹数目多少之间的具体情况。实验步骤4：打开电子散斑干涉信息处理系统应用程序，在菜单栏/文件中载入编号为1的图片，打开预处理选择偏微分方程处理，进行骨架线提取，按界面所提示的步骤进行，对所处理的图片命名为a1并保存；以同样的方式选择图片编号为2的图片，按上述方法继续操作并命名为a2依次将步骤3中的图片处理并重新命名a3,a4。打开图像合成栏，选择相减模式，载入变形前图片a1，变形后图片a2，计算确定的到图片b2，同样可以类似地处理一系列的图片，进而得到干涉条纹图。实验步骤5：数出条纹，带入公式中计算出结果，并与步骤3中所记录螺旋扭转示数进行比较，进行分析。图3-12 散斑图样样本（编号为1）图3-13 散斑干涉处理方法示意图注：因本实验条件效果不理想，上述图片仅供参考,理想图如图3-143.3.2 瞬态高温-散斑干涉实验瞬态高温-散斑干涉实验是本系统的重点，与上述力位移-散斑干涉不同的本系统将上述的试件换成了铜块，而将力作用换成了热作用。故从实验装置和步骤上，本实验与上述实验比较类似,下面本文将介绍瞬态高温的实验步骤：图3-14 相减得到的条纹图注：本图片来自文献17实验步骤1：搭建实验光路，将3.3.1中步骤1的试件换为铜板，其余光路不变，且注意事项与3.3.1中步骤1完全相同。实验步骤2：固定各光学器件并开启激光器和CCD相机调节光路，注意事同3.3.1中步骤2，并拍摄下未加热情况下的散斑图样，命名为21。实验步骤3：将乙炔焰置于铜板后面灼烧，使铜板发生一定形变，然后用CCD拍下变形后的散斑图样，并尽量多拍几张，分别命名为22,23,24。实验步骤4：将所得图像置于图像处理软件中，按3.3.1中步骤四进行处理，可得到散斑图。实验步骤5：记录条纹数目，撤掉光路系统，本实验系统图样采集完毕。3.4 本章小结本章着重介绍了系统的实验平台，3.1节介绍了系统平台的总体框架，3.2节分六部分介绍了实验所需要的器件以及一些与器件相关的核心知识点。在本文中，与器件有关的核心知识以激光原理，CCD原理和热电偶的知识最为丰富，这是本系统结合本专业所学到的灵活运用。最后本文介绍了实验系统所要注意的试验步骤，特别地，在实际操作过程中，本实验需要一个暗室作为平台，而且最好是在采集图样的同时，处理图样，以保证系统适时检测到实验过程中人为造成的不足。第四章 实验后期处理4.1 常量参数的处理根据第二章介绍的理论模型，我们将式和联立知道，数字散斑瞬态高温测试需要收集铜的体胀系数、等温压缩系数、弹性模量，条纹数目，铜板的原始长度,激光波长和室温,其中直接测量的数据是、和条纹数目，固定参数是、，而体胀系数随着温度的变化略有变化。通过实验我们可以得到条纹数目，现在我们需要列出已知数目的清单，拟合体胀系数。参数清单形式如下表表4-1 已知参数清单参数（104MPa） （）(nm)()n参数值82（依情况而定）632.825注：纯铜的弹性模量并不是一致的，轧制纯铜弹性模量为10.79，拔制纯铜为6.86 ，为此我们取其中间值作为弹性模量的取值。严格意义上，试件的弹性模量可以通过测量获得。4.2 体胀系数和等温压缩系数的处理根据定义，可以得出下列关系： (28)对于纯物质或组成不变的均相系统，若体积只是温度与压力的函数，即，则体积的微变为： （29）根据全微分条件即得 ： （30）这是与之间的关系式，特别地若与压力无关，则就与温度无关。与是状态函数,它们的数值因物质的不同而不同。由实验可知，铜的是温度的函数，下表是由实验所得的不同温度下铜的数据值。表4-2 铜的体膨胀系数温度（K）3004005006007008009001000（10-6/K）50.152.554.957.660.061.863.666.0固体的等温压缩系数数值比较小，且在一定温度范围内保持不变，故根据所查文献我们可以赋予其值为10-11Pa-1。对于铜在具体某一温度下的值，我们可以利用数值拟合的办法，粗略地估计为以固定值，以下为铜的数值拟合程序处理情况：程序4-1 x=300,400,500,600,700,800,900,1000;y=50.1,52.5,54.9,57.6,60.0,61.8,63.6,66.0;plot(x,y)x=300,400,500,600,700,800,900,1000;y=50.1,52.5,54.9,57.6,60.0,61.8,63.6,66.0;x=x;y=y;A=ones(8,1),x,x.2,x.3,x.4,x.5,x.6,x.7;p=Ay;a0=p(1)a1=p(2)a2=p(3)a3=p(4)a4=p(5)a5=p(6)a6=p(7)a7=p(8)八次方程系数为a0 =16.8000a1 =0.2252a2 =-3.0233e-004a3 =-1.4213e-006a4 =6.1667e-009a5 =-9.5000e-012a6 =6.6667e-015a7 =-1.7857e-018由上述程序可知：,将所得的系数、带入，即可求出和的关系式。从而本系统的全部参数处理完毕，可以进入验证阶段。由于现在实验的条件并不具备，实验的验证阶段，本文不再叙述。43 本章小结本章结合第二章模型建立的内容，推导出数字散斑测温的一般公式，并认真分析了其中参数的处理方法。本章就处理参数值分为两类，一种为常数参数，另外一类是变参。对于常数参数，第一节以列表的方式展示出来，对于变化的参数，本文给定了一种参考方法，即为数值拟合方法，本文用了MATLAB拟合，对数值处理将有更多的探索意义。 第五章 总结与展望本文是基于散斑干涉的高温测试研究，系统以数字信号的方式将所测信号存贮，故我们称之为数字散斑高温测试系统。纵观全文，本文为研究数字散斑高温测试系统主要做出了以下工作：（1）明晰了数字散斑测试方案的概念以及发展历史。数字散斑干涉测试是一个前沿的测试技术，它扭转了人们的常规思维，把历史中人们认为是“废品”的散斑作为最有用的信息携带者，这不能不说是伟大的进步。也因为这样的矛盾，以电子散斑为基础的数字散斑干涉发展还很缓慢，应用并不是很不普及，这一点需要科技工作者的进一步努力。（2）创立了一维高温测试的数学模型。本数学模型是前所未有的探索，是理论上的创新。在充分学习了热学，力学和光学的基础上，运用弹性形变，热力学状态方程和光的干涉，再假设了试件一维形变的前提下，本模型得到了理论上的解决。它的优点除了涵盖电子散斑干涉测试的优点外，还有精度较高的优势。但是我们必须认识到，本系统中的精确是在模型假设前提成立，各参数为绝对参量的情况下得到的结论。实际生活中，弹性模量随着材料的成分不同而不同，温度变化略有差异，等温压缩系数，体胀系数等也是仿真拟合的近似，所以要实现精确测量必须克服很多数据采集技术问题。（3）搭建了瞬态高温测试系统，熟悉了所需元器件的测量原理和注意事项。本系统以所需的元器件，复习了本科阶段所涉及的光学测试核心知识。以本文为解释，可以认为光信息科学与技术就是一门以光为信息，通过信号与处理的方式解决实际问题的学科。和普通信息学科不同的是，光信息科学与技术从信息源，信息传播路径，以及信号接收终端，光学有独立自主的一套方案。回归本文数字散斑高温测试系统以激光为信号源，反射，扩束，分束，干涉等手段传播信号，最后以光电转换器件CCD接收待处理信号，真正把我们所学的只是运用到了实践中。随着光学，计算机等学科的逐步发展，我们有望通过虚拟模拟现场的方式进行高温测温，这样我们就可以避免人为操作，某些参数采集困难等的原因，从而致使结果不理想的现象出现。另外，从材料的粒子特性上下功夫，本文认为，可能会将整个测试系统推广到多方位、多角度测温上去，这一切将有待进一步探索。 参考文献1 闻德保.散斑图象处理技术研究及其在机械热变形测试中的应用D.硕士学位论文. 安徽：合肥工业大学，20082 吴君君. 基于电子散斑干涉的圆度误差测量方法研究D.硕士学位论文. 河北：燕山大学，20093 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