基于散斑干涉法的温度测试.doc

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1、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，是近十几年发展起来的一门全新的测试技术，其基本原理是利

2、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

3、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低温材料的限制，不能应用于某些极端环境的温度测量；

4、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精密仪器的不断更新进步，非接触测温方法在此基础上大

5、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程散斑现象早在1914年就被人们发现，但一直未予以

6、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Leenderz在国际光学会议上提出了利用散斑检测粗糙

7、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，其特点就是将电子信号进行数字化和数据处理，信息以数字图像的形式记

8、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斑干涉法。但在习惯上，人们往往将用电子处理方法实现

9、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，使条纹质量大大提高等。经过近几十年的研究和发展，

10、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，实时处理信息，快速方便；(2)它使用的图像采集卡(Fr

11、ame 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范围之内时，理论上我们就可以利用散斑干涉技术测量物

12、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体表面的温度场；而且系统光路比较简单，一般不需要防

13、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 系统模型建立2.1 系统模型建立总体思路数字散斑干

14、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

15、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

16、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

17、(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。2.2.2 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

18、涉，如图2.1所示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的光强可表示为： （2.1）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的光强变为 （2.2）图2.1 物体变形产生相位变化的示意图 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

19、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， =4 （2.3）实际情况，变化比变化慢得多，由式（2.3）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()=0时 将出现暗条纹这时 =2n n=, （2.4）当sin()=1 时 将出现亮条纹，并且该亮条纹带有斑点。这时 n=, （2.5）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

20、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。2.2.3 离面位移测量原理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

21、A/D转换，传输到计算机随机存储器，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2.2所示，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。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 （2.6）图2.2 离面位移测量原理图其合成复振幅为： （2.7）对应的光强分布为 （2.8） 式中为的共轭光波复振幅。当物体变形后，由于物体表面发生离面位移(沿轴方向)，使物光与参考光产生2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 （2.9

22、）此时，CCD电视摄像机记录的光强分布为 （2.10）采用减法模式，并取绝对值为 （2.11）当=2n n=, 时 （2.12），呈现暗条纹,将(2.9)代入(2.12)式得 （2.13）通过统计暗条纹级数n，代入式（2.13），即可求出离面位移。2.3 应变温度模型的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。2.3.1 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，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，

23、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26。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

24、么在每个小时间段内，系统都可近似看作是热平衡态。2.3.2 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26。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

25、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： （2.14）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： （2.15）其中表示体积，表示压强，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。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

26、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26，28： （2.16）2.3.3 弹性体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，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28。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

27、体，有以下假设28,29：1） 弹性体材料均匀、连续；2） 弹性体各个方向上的力学性质相同；3） 弹性体几何大小的变化及形状的改变量与其总尺寸相比很小。金属试件材料均匀，内部各向力学性质相同，在加热过程中，受热连续，且加热后形变与其总尺寸相比很小，所以可以看做弹性体形变来处理。这里我们首先研究金属受热引起某一个方向上的微小形变，即弹性体形变的一维问题，进而推广至三维的方法来处理。弹性体通常采用应变来描述形变。所谓应变，是指物体受外力作用时发生的相对形变，即其体积、长度和形状的变化与其原有值之比。根据连续体力学弹性体规律我们可知，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 （2.17

28、）其中表示受热后试件发生的形变，表示受热之前原试件的长度，表示应变。如图2.3所示：图2.3 一维方向下试件加热形变示意图在热源的作用下，金属试件发生离面位移，根据力学定义我们可知，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 （2.18）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。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，力与伸长成正比，即 （2.19）但是物体形变不仅取决于外力，也取决与物体本身的长度，为了更好的描述材料本身特性，我们这里采用

29、相对伸长应变来描述，上式改写为 （2.20）当物体发生应变时，在形变的任意横截面处都存在一对应力，于是有下面的关系式： （2.21）以上比例关系写成等式即为： （2.22）其中比例系数称为材料的弹性模量，它决定于材料自身的性质。2.3.4 应变与温度的关系温度改变引起金属试件发生微小形变，这种形变是沿着各个方向的，为了方便研究，我们假设热效应只引起金属试件一个方向的膨胀，物体体积的改变只与该方向形变有关，如图2.4所示，SSF 图2.4 立体试件中某一方向形变示意图结合图2.4，我们可以得到物体体积变化与形变的关系式 （2.23）根据压强及应变的定义将(2.22)式变形可得： （2.24）联立

30、（2.16）、（2.23）、（2.24）可以得到 （2.25）通过运算得到 (2.26)其中为测试试件时实验室的温度，这样，通过式（2.26）我们就建立了应变与温度间的关系。 2.4 本章小结本章首先对整个系统模型的建立进行了总体分析，明确了散斑干涉法测温是一种间接测温方法，总体模型的建立需要分成两个小模型来分别进行分析设计的思路。在第二节中介绍了散斑概念及数字散斑干涉理论，并根据实际需要选定了离面位移测量模型，建立了物体应变与数字散斑干涉条纹之间的关系。第三节通过热力学固态方程的描述以及连续体力学中弹性理论相关知识，建立了温度与物体应变之间的关系，从而将温度与散斑干涉条纹联系起来，从理论上证

31、明了利用散斑干涉法进行温度测试的可行性。3 数字散斑干涉法测量温度实验设计3.1 实验设计总体思路 温度改变会引起试件发生微小形变，通过散斑干涉技术采集试件形变前后两次干涉图样，然后将两组数据进行软件处理，并利用相关数学模型进行计算，最终得出实验结果。根据这一基本思路，我们进行了实验设计。如图3.1所示，整个测试系统有三大模块组成，分别为加热装置、试件、测量系统，为了检测本测试系统的可行性以及精度，我们在实验的同时采用红外热像仪记录同一时刻试件的温度，将两种测温方法所得实验数据进行分析比较。 散斑干涉系统红外热像仪试 件加热装置图3.1 实验总体思路框图3.2 实验装置介绍与选择 本系统实验装

32、置主要包括测试试件、热源、He-Ne激光器、扩束镜、分束镜、反射镜、CCD相摄机、图像采集卡、计算机（内装图像处理软件）以及红外热像仪。下面就本实验系统的需要进行具体的介绍与选取。3.2.1 金属试件的选取 为了测量方便，本系统选取铜制薄板作为测量试件，主要是因为金属铜是热和电的良导体，熔点高，加热过程中化学性质稳定；热膨胀系数较大，受热后形变量明显，易于观察；且金属铜材料内部均匀，各向同性，当热源撤去后能逐渐恢复原状，满足系统模型中弹性体的要求。3.2.2 热源的选取 本实验中，在对受热后产生热变形的试件用CCD采集散斑图像时，要求保证试件的受热状态稳定，其上各处温度变化尽可能相同。为达到上

33、述要求，我们采用小功率陶瓷电加热板作为热源，这样可以使热源与试件均匀接触，保证试件各处受热均匀。3.2.3 He-Ne激光器由于散斑干涉测量方法中需要具有良好相干性的光源，因此采用激光光源。 He-Ne激光器是最早研制成功的气体激光器。在可见光及红外波段可产生多条谱线。放电管长数十厘米的He-Ne激光器输出功率为毫瓦量级，放电管长1m2m的激光器其输出功率可达几十毫瓦。由于其可输出连续可见光，而且结构简单、体积较小、价格低廉等优点，在准直、定位、全息照相、测量、精密计算、光盘录放等方面得到了广泛的应用。本实验所选用的He-Ne激光器如图1所示，其功率为5mw，波长为632.8nm。图3.2 H

34、e-Ne激光器实物图3.2.4 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。分束镜是一种特殊的反射镜，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具有一定光强比的透射光与反射光，按照反射光强与透射光强的比例关系分类，有固定分束比分束镜和可变分束比分束镜两

35、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，其反射和折射光强比理论上为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，损坏半反半透镜。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。由激光原理知识我们可以知道光的发散角和束腰半径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，扩束镜是由一个凹透镜和一个凸

36、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情况，本系统的扩束镜正是起到了扩大光束半径的作用。图3.3 平面反射镜实物图图3.4 扩束镜实物图 图3.5 分束镜实物图3.2.5 CCD摄像机CCD (Charge Couple Device)是70年代初期在美国首先研制成功的一种新型图像传感器，是一种光电耦合器件，CCD突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号，CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。被检测对像的光信息通过光学成像系统成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元将其上的光强度转换成电荷量。在一定频率的时钟脉冲的驱动下，CCD的输出

37、端可以获得被测对像的视频信号。视频信号中的每一个离散的电压信号的大小对应于该光敏像元上图像的光强，信号输出的时序对应于该光敏像元在CCD上的空间位置，从而CCD用自身电子扫描方式完成信息从空间域到时间域的变换。CCD摄像器件不但具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面的优越性，也是其它摄像器件无法比拟的。 本系统CCD采用日本先锋公司生产的Pioneer Times PNT-313型黑白摄像机，其基本性能参数如下：分辨率：CCIR：500(H)582(V) EIA：510(H)492(V)光灵敏度：0.05Lux性噪比：48d

38、b工作温度：-20o50o工作电源：DC12V/800mA图3.6 CCD相机立体图图3.7 CCD 镜头实物图3.2.6 图像采集卡图像采集卡是作为图像与计算机之间的通信接口部件，它是将视频信号变为计算机数字图像的硬件设备。图像采集卡把CCD传送过来的视频信号转换为数字信号，然后将其输入计算机，供显示、存储和测量工作。本系统采用的图像采集卡VIDEO-PIC-SM是北京大恒图像视觉有限公司设计的基于PCI总线的高速黑白图像采集卡。输入的视频信号、经模/数转换器、比例缩放、裁剪等处理，通过PCI总线传到VGA卡实时显示或传到计算机内存实时存储。数据的传送过程是由图像卡控制的，无需CPU参与，因

39、此图像传输速度可达40MB/S。VIDEO-PCI-SM图像采集卡基本结构及工作原理如图3.8所示：复合视频输入1复合视频输入2复合视频输入3复合视频输入4多 路开 关滤波A /D缓存PCI总线VGA显示系统内存图3.8 VIDEO-PCI-SM图像采集卡基本结构四路复合视频输入经多路开关，软件选择其中一路作为当前输入，经过滤波输出到A/D卡进行模/数变换。数字化后的图像信号经各种图像处理、如比例缩放、裁剪、位屏蔽后，利用PCI总线，传到VGA卡显示或计算机内存中存储。3.2.7 红外热像仪 红外热像仪是通过非接触探测红外能量(热量)，并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可

40、以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热像仪能够将探测到的热量精确量化，不仅能够观察热图像，还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。由于近年来的技术革新，尤其表现在探测器技术，内置可见光照相机，各种自动功能，分析软件的发展等等，使得红外分析解决方案比以往更为经济有效。本实验选用型号为ThermoVision A40的红外热像仪进行非接触式测量物体表面的温度，它具有精确的非接触温度测量、高质量的红外热图像(320240像素)及无需维护的非制冷微量热型探测器，坚固和紧凑，内置聚焦马达/自动聚焦。基本性能参数如下：最小焦距0.3m；帧频：50/60Hz ；FOV视场：24(宽)18(高)；空间

41、分辨率：1.3mrad；热灵敏度： 0.08；测量范围：- 40500； 3.3 光路结构本系统采用离面位移测试光路进行实验，其光路设计如图3.9 所示，由激光器发出的激光束，经过扩束镜形成光斑放大了的激光束，再经过半反半透镜分成两束光，一束照射到反射镜再返回，另一束照射到金属铜试件的表面再返回，两束返回的光束相互干涉形成干涉条纹，并由CCD接收，通过数据采集卡输入到计算机中显示。图3.9 离面位移测量光路图3.4 激光散斑干涉测量实验散斑干涉测量光路涉及参考光与物光的相互干涉，由于两束光之间的光程差大小以及光强度是否相同以及周围杂质光的干扰等都会直接影响散斑干涉条纹的产生与否及质量好坏，加上

42、仪器准直繁琐，受热金属试件变形不明显等因素的影响，这就决定了实验前的调试工作将会耗费大量时间。因此，直接进行高温热变形测量实验比较困难，为此本实验决定分为两个步骤进行：首先搭建系统进行散斑干涉法应力变形测量实验，该实验干涉条纹移动效果比较明显，目的在于调试整个系统的可靠性，当第一个实验取得较好的实验结果时，再利用该系统进行散斑干涉法金属热变形测量实验，省时高效，效果明显。下面我们分别介绍这两个实验的具体过程。3.4.1 散斑干涉法应力变形测量实验 应力变形测量实验就是通过给试件施加压力使试件发生位移，从而导致散斑干涉条纹改变的实验。本实验利用试件夹具背后的旋转螺栓（带有刻度）来给铜片施加不同的

43、压力，具体实验步骤如下： 1、调平实验平台。2、按照实验光路图3.9摆放好实验仪器，先把各个仪器的中心高度调至共轴。3、调整He-Ne激光器激光管的俯仰，使激光器发出的光束平行于工作平台的工作面。分别放入扩束镜和准直镜，调节准直镜，使通过它的被扩束的激光变成平行光，平行光束应通过放入光路中（分光镜、被测试件、反光镜等）部件的中心且平行于平台。4、放入被测试件和CCD摄像机，调节分光镜上二维调整台的微调旋扭，使被试件反射的光的中心照射到CCD摄像机接收表面上。5、而后放入平面反射镜，要使平面反射镜到分光镜的距离和被测物品到分光镜的距离相同，调节使被平面镜反射的光束的中心也入射到CCD摄像机接收表

44、面上，这时便可以在计算机采集图像的软件上看到干涉条纹。6、调节CCD接收表面与透镜的距离，使屏幕上得到最清晰、最完整的散斑图像。调节反光镜上的二维调整架的微调旋扭，使得到的图像的干涉图像最清晰且位于中心位置。7、这时首先采集一张散斑图样，并编号记录；然后调节试件夹具背后的的旋转螺栓开始给试件加压，每次旋转0.5mm，然后采集一次图样，并编号记录；这样采集8到10张图样即可。随着螺栓的调节，计算机屏幕上出现的干涉条纹逐渐增加，且为同心圆环。这里需要注意的是在旋紧螺栓之后，不要马上进行图样采集，要等待测试件平稳后再进行记录。8、打开计算机上matlab软件，采用相减并取绝对值的算法依次处理采集图样，为了得到图像相关的条纹图，具体采用相邻编号相减的方法处理，即图2减去图1，图3减去图2的方式，依此类推。 图3.10 实验装置实物图图3.11 计算机采集的相邻编号散斑图样图3.12 相减算法处理后得到的散斑干涉条纹图3.4.2 散斑干涉法金属热变形测量实验热变形测量实验是本章的重点，以上应力变形实验已经为该实