1、清华大学 2012 届毕业论文第 1 页 共 34 页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、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。清华大学 2012 届毕业
3、论文第 2 页 共 34 页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，
4、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；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
5、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、流体或固体清华大学 2012 届毕业论文第 3 页 共 34 页表面温度、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
6、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
7、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
8、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
9、推广，数字图象列阵也逐步发展到今天的 512x512 或 1024x1024，灰度等级清华大学 2012 届毕业论文第 4 页 共 34 页发展到 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
10、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，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
11、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(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
12、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。清华大学 2012 届毕业论文第 5 页 共 34 页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
13、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，
14、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。清华大学 2012 届毕业论文第 6 页 共 34 页2 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
15、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。为了更好地利清华大学 2012 届毕业
16、论文第 7 页 共 34 页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
17、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(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
18、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。I A 照明被
19、测物体表面，被测物体由成像透镜成像，经分束器到达像面；I B 由分束器反射到像面，在像面上，物光与清华大学 2012 届毕业论文第 8 页 共 34 页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：),(yxcos2),(0 BABAIIyxI（2.1）式中，I A 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),(yx 干涉使像面上点 的光强变为),(yx)cos(21 BABAIII（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
20、、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 ),(IyxI=4 BA21sin2sin（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2清华大学 2012 届毕业论文第 9 页 共 34 页这时 =2n n= , , 123（2.4）当 sin( )=1 时 将出现亮条纹，并且该亮条纹带有斑点。2这时 n= , , 12n 123（2.5）若物体发生微小
21、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I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。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
22、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（
23、2.6）),(00,),(0yxirr reayxE清华大学 2012 届毕业论文第 10 页 共 34 页反 射 镜物 体 半 反 半 透 镜 CD扩 束 光 干 涉图 2.2 离面位移测量原理图其合成复振幅为：（2.7）),(),(0,(,(),(0 yxiryxi reaeayxE对应的光强分布为),(),(),(*0 yxEI（2.8） )cos2 0020 rrraa式中 为 的共轭光波复振幅。),(*yxE),(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lz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l（2.9）l2此时，CCD 电视摄像机记录的光强分布为（2.10）)cos(),( 00201 rrraayxI采用减法模式，并取绝对值为 10 ),(II)cos()cos(200rrra（2.11）2inin40rr当 =2n n= , , 时 （2.12）13
