动测量和温度场测量中的应用性研究.pdf

陕西师范大学 硕士学位论文 像面全息在振动测量和温度场测量中的应用性研究 姓名：张红军 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：王应宗 20040401 y 6 1 0 0 9 2 像面全息在振动测量和温度场测量中的应用性研究 张红军 摘要：全息技术( h o l o g r a p h y ) 是上世纪最重要的物理发明之一，它的原理是由 英国科学家g a b o r 于1 9 4 8 年最早提出的。盖伯为提高电子显微镜的分辨率，提出 了一种同时记录物体光波振幅和相位的方法，并用实验证实了这一想法。他用汞灯 作为光源，采用同轴全息图的记录方式，制成了第一张全息图。1 9 6 0 年激光器的出 现，使全息术得到了很快的发展，也使全息术的应用范围大大扩展，现在全息技术 已经应用到工程、医学、艺术、包装、印刷等领域。 随着科学技术与生产的发展，对机械设备的工作性能及工作强度要求日趋苛 刻。自动化程度与生产效率的提高，伴随着设备的结构也越来越复杂设备中各环 节的关联也越来越紧密。为了保证设备的安全运行，对机械和机构的故障进行早 期的诊断极为重要。而对机械设备进行振动实验，通过测量设备振动的各项参数， 与正常值对比，可以检测该设备是否存在故障，查出故障所在，进而消除安全隐患。 因此振动测量是故障诊断的一种重要手段。同时振动测量对改进机械设备的设计， 检验产品的合格率等领域也有重要价值。 复杂温度场存在于工业中多种用于燃烧或加热的设备中。如电力工业中的锅 炉，冶金工业终端加热炉，均热炉及热处理炉等。在这些设备的操作中，温度分布即 温度场( 而不是点温度) 是确定设备状态的重要参数。深入研究即全面描述设备内 热量及能量传递过程，研究设备内被加热工件内部温度场随外界温度场变化的规 律，提高燃料的燃烧率及炉子的生产效率，提高产品质量，节约能源，炉子热工过程 的模化及炉子结构设计的优化，寻求最佳热制度及最优控制策略，降低金属烧损率 以及减少环境污染等方面，都需要温度场分布的信息。温度场测量在工业生产中作 用巨大，研究温度场的测量具有重要的意义。 振动测量和温度场测量的方法很多，但其中以光学的方法最多，应用全息技术 测量振动和温度场的分布，具有非接触、全场、精确度高等优点。本文主要针对全 息术在测量散射体振动和温度场中，由于物体对光是漫反射，物光太弱，影响对比 度和分辨率，提出用像面记录的方法改善干涉条纹对比度。同时将时间平均法和像 面记录方式结合起来提出像面全息时间平均法，将二次曝光法和像面记录方式结 合起来提出像面全息二次曝光法。利用这两种方法可以得到清晰的干涉条纹，在白 光下再现为清晰的彩色条纹。 本论文所做的工作主要有四部分：第一部分详尽地叙述了振动测量和温度场 测量研究的发展现状，阐述了本论文的研究目的。第二部分详细的介绍了像面全息 原理以及全息干涉计量方法：单次曝光法、二次曝光法、时间平均法，分析了它们 各自的优点。第三部分提出像面全息时间平均法并将该方法用于振动膜面的研究， 分别对轴对称膜振动、非轴对称膜振动和有裂纹膜面振动进行了分析。第四部分 提出了像面全息二次曝光法并将该方法用于温度场的研究，分别对轴对称温度场、 非轴对称温度场进行了分析。 实验结果表明：用本文所提出的方法进行振动和温度场测量，得到的干涉条纹 清晰、对比度高、分辨率好，且可以在白光下再现，使用方便，结果可靠，准确度高， 是切实可行的。尤其是像面全息时间平均法的提出可以使全息术在无损检测中有 更好的发展前景。但是，本文对膜面裂纹的研究没有深入下去，只是定性说明了如 何利用裂纹的干涉图样确定裂纹的大致位置。对裂纹的准确定位将是我们需要进 一步研究的内容，对温度场干涉条纹的定量分析工作也需更深入的研究。 关键词：像面全息时间平均法像面全息二次曝光法膜振动 温度场测量 i i t h e a p p l i e d r e s e a r c ho f i m a g ep l a n eh o l o g r a m i nv i b r a t i o n m e a s u r ea n d t e m p e r a t u r e f i e l dm e a s u r e h u n g j u nz h a n g a b s t r a c t ：h o l o g r a p h yw a s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h y s i c a li n v e n t i o n si nt h e l a s tc e n t u r y t h eb r i t i s hs c i e n t i s td e n n i sg a b o rb r o u g h tt h ep r i n c i p l eo fh o l o g r a p h y f i r s t l yi n1 9 4 8 g a b o rp u tf o r w a r d am e t h o dt h a tc a l lr e c o r db o t ha m p l i t u d ea n dp h a s eo f t h eo r i g i n a lw a v es i m u l t a n e o u s l ya n dp r o v e di ti ne x p e r i m e n t s h ei n v e n t e dt h ef i r s t h o l o g r a p ha d o p t i n gi n - l i n er e c o r d i n gs y s t e m s i n c e1 9 6 0t h ea p p e a r a n c eo f l a s e rm a d e h o l o g r a p h yd e v e l o pr a p i d l y a n dt h ea p p l i e dr a n g eo fh o l o g r a p h yh a v eb e e n e x t e n d e d n o w h o l o g r a p h yh a v eb e e na p p l i e d i n e n g i n e e r i n g ，m e d i c i n e ，a r t i c l e ，p a c k a g i n g , p r i n t i n ga n d s o m a n y f i e l d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c et e c h n o l o g ya n dt h ep r o d u c t i o n ，i ti sc r i t i ct o t h ew o r kc a p a b i l i t yo ft h em a c h i n e e q u i p m e n ta n dt h e w o r ki n t e n s 时w i u lt h e i m p r o v e m e n to ft h e a u t o m a t i z a t i o ne x t e n ta n dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi ti sm o r e c o m p l e x t ot h es t r u c t u r eo f t h em a c h i n e e q u i p m e n t t h ec o , u n c t i o no f t h ej o i n t so f t h e e q u i p m e n t i st i g h t e rt h a ne v e r i no r d e rt oe n s u r et h es a f er t m n i n go ft h em a c h i n ei ti s i m p o r t a n tt od i a g n o s ee a r l yt h em a l f u n c t i o no ft h ee q u i p m e n t m o r e o v e rw i t ht h e v i b r a t i o ne x p e r i m e n tw ec a r td e t e c tt h ev i b r a t i o n p a r a m e t e r so f t h em a c h i n ea n dc o n t r a s t i tt ot h en o r m a l v a l u e s ，w ec a nd e t e c tw h e t h e ra n dw h e r et h et r o u b l el i e s a tl a s tw ec a n t a k em e a s u r et ot h et r o u b l e st oa v o i dd a n g e r s t h e r e f o r ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n ti sa r t i m p o r t a n tm e a n st ot h em a l f u n c t i o nd i a g n o s e f u r t h e r m o r ei t i si m p o r t a n tt oi m p r o v e d e s i g nm a c h i n ee q u i p m e n ta n dc h e c k o u te l i g i b i l i t yo f p r o d u c t s c o m p l e xt e m p e r a t u r ef i e l dl i e si nm a n y k i n d so f b u r n i n go rh e a t i n ge q u i p m e n t si n i n d u s t r ys u c ha sb o i l e r si ne l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y ，e n dh e a t e r si nm e t a l l u r g yi n d u s t r y ， a v e r a g e h e a t e r sa n dh e a tp r o c e s s o r s i nt h e s e e q u i p m e n t st e m p e r a t u r e d l s t r i b u t i o n n a m e d t e m p e r a m e n tf i e l d ( n o tp o i n tt e m p e r a t u r e ) i si m p o r t a n tp a r a m e t e r so fe q u i p m e n t s t a t e i tn e e d s t e m p e r a m e n tf i e l d d i s t r i b u t i o ni n f o r m a t i o nt o i m p r o v ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n dt h ep r o d u c t sq u a l i t y ，t os a v ee n e r g ya n dm i n i s he n v i r o n m e n tp o l l u t i o n a n dt oi m p r o v ed e s i g no ft h ec a m ps c o v e s ot e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r ei si m p o r t a n tt o t h ei n d u s t r y p r o d u c t i o n n 嶂r e s e a r c ho f t e m p e r a t u r e f i e l dm e a s u r ei sm o r e i m p o r t a n t t h e r ea r cm a u ym e t h o d so fv i b r a t i o nm e a s u r ea n dt e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e b u t i i i t h eo p t i c a lm e t h o d sa r em o s to ft h e s e m e a s u r i n gv i b r a t i o na n dt e m p e r a t u r ef i e l du s i n g h o l o g r a p h yh a v ef u l l f i e l d ，n o n - c o n t a c t ，h i g hp r e c i s i o na n ds om a n ya d v a n t a g e s i n m e a s u r i n gs c a t t e ro b j e c tv i b r a t i o na n dt e m p e r a t u r ef i l e du s i n gh o l o g r a p h yt h eo b j e c t l i g h tw h i c hi s d i f f u s er e f l e c t e di ss ow e a kt h a tt h ec o n l x a s ta n dr e s o l v i n gp o w e ro f f r i n g e sa r ea f f e c t e d s ow ep u t f o r w a r di m a g e p l a n eh o l o g r a mt i m e - - a v e r a g em e t h o d i t i si n t e g r a t e dt h ei m a g ep l a n er e c o r dm e a n sa n dt i m e - a v e r a g em e t h o dt oi m p r o v et h e c o n t r a s to fi n t e r f e r e n c ef r i n g e s i nt e m p e r a t u r ef i l e dm e a s u r ew ep u tf o r w a r di m a g e p l a n eh o l o g r a m t w i c ee x p o s u r em e t h o d i ti si n t e g r a t e dt h ei m a g ep l a n er e c o r dm e a n s a n dt h et w i c ee x p o s u r em e t h o dt oi m p r o v et h ec o n t r a s to fi n t e r f e r e n c ef r i n g e s w ec a n o b t a i nc l e a ri n t e r f e r e n c ef r i n g e sa n dt h ec o l o rf r i n g e si nw h i t el i g h tu s i n gt h et w o m e t h o d s t h ew o r ko ft h i st h e s i sh a sf o u rp a r t s ：i nt h ef i r s tp a r t ，w ew i l ld e s c r i b ec o m p l e t e l y t h em s e a m hs t a t eo fv i b r a t i o nm e a s u r ea n dt c r a p c r a t u r cf i e l dm e a s u r ea n ds e tf o r t ht h e p u r p o s eo f t h i st h e s i s i nt h es e c o n dp a r t ，w cw i l li n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo ft h ei m a g e h o l o g r a ma n dh o l o g r a mm e a s u r em e t h o d s ：o n c ee x p o s u r em e t h o d ，t w i c ee x p o s u r e m e t h o da n dt i m e - a v e r a g em e t h o d t h ea d v a n t a g e so ft h e mw i l lb ea n a l y z e d i nt h et h i r d p a r t sw ep u tf o r w a r di m a g ep l a n eh o l o g r a mt i m e a v e r a g em e t h o da n da p p l yt h em e t h o d i i i 也er e s e a r c ho ft h ef i l mv i b r a t i o n w ea n a l y z et h ef i l mv i b r a t i o n so fa x i ss y m m c n y ， n o n - a x i ss y m m e t r ya n dc r a c k e ds t a t e i nt h el a s tp a r t ，w ep u tf o r w a r di m a g e h o l o g r a m t w i c ee x p o s u r em e t h o da n da p p l yi ti nt h er e s e a r c ho f t e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e t h e a x i ss y m m e t r ya n dn o n a x i ss y m m e t r y t e m p e r a t u r e f i l e dw i l lb ea n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e ：u s i n gt h em e t h o d sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i sw ec a no b t a i n c l e a r h i g h c o n t r a s ti n t e r f e r e n c ef i i n g e sa n dc o l o rf r i n g e si nw h i t e l i g h t t h e y a r cf e a s i b l e b e c a u s eo f t h e i rc r e d i b i l i t yr e s u l t ，g o o d p r e c i s i o na n dc o n v e n i e n c e e s p e c i a l l y t h ei m a g e h o l o g r a mt i m e * a v e r a g em e t h o d c a l l b r i n gh o l o g r a p h y aw o n d e r f u l f o r e g r o u n d i n s c a t h e l e s sd e t e c t i n g h o w e v e rt h er e s e a r c ho fc r a c k e df i l mi sv e r ys u p e r f i c i a l ，w eo n l y s h o wh o wt oa s c e r t a i na p p r o x i m a t e l yt h ec r a c k e dp o s i t i o nu s i i 培i n t e r f e r e n c ef r i n g e s f o u n d i n g t h ea c c u r a c yc r a c k e d p o s i t i o na n ds i z ei sn e x tw o r k t od of o ru s k e yw o r d s ：i m a g ep l r i l eh o l o g r a mt i m e - a v e r a g em e t h o d h l l t 坦ep l a n eh o l o g r a mt w o - t i m ee x p o s a lm e t h o d f i l mv i b r a t i o n t e m p e r a t u r e f i e l dm e a s u r e i v 第一章引言 1 1 激光全息技术在振动测量和温度场测量中研究现状 1 1 1 振动测量和温度场测量的重要性 振动测量和温度场测量一直是人们关注的问题，也是实际生活中应用较广的 两个技术。人们通过对机械的振动的研究，可以知道它是否正常运转，是否出现 故障，故障出现在什么部位，进一步采取相应的措施排除故障，消除安全隐患。 随着科学技术与生产的发展，机械设备的工作性能越来越好，工作强度越来 越大，自动化程度与生产效率越来越高，同时设备的结构也越来越复杂，设备中 各环节的关联也越来越紧密。往往某处稍有故障，不仅会直接或间接的造成巨大 的经济损失，而且会危及人身安全，造成极为严重的后果。因此对机械和机构的 故障进行早期的诊断显的极为重要。而对机械设备进行振动实验，通过测量设备 振动的各项参数，与正常值对比，可以检测该设备是否存在故障，查出故障所在， 进而消除安全隐患。因此振动测量是故障诊断的一种重要手段。同时振动测量可 以改进机械设备的设计，检验产品的合格率。它在电力、机械、化工、控制、水 力等领域有广泛的应用。 复杂温度场存在于工业中多种用于燃烧或加热的设备中。如电力工业中的锅 炉，冶金工业终端加热炉，均热炉及热处理炉等。在这些设备的操作中，温度分 布即温度场( 而不是点温度) 是确定设备状态的重要参数。深入研究即全面描述设 备内热量及能量传递过程，研究设备内被加热工件内部温度场随外界温度场变化 的规律，提高燃料的燃烧率及炉子的生产效率，提高产品质量，节约能源，炉子 热工过程的模化及炉子结构设计的优化，寻求最佳热制度及最优控制策略，降低 金属烧损率以及减少环境污染等方面，都需要温度场分布的信息。可见温度场测 量在工业生产中作用巨大，研究温度场的测量是很有意义的。 1 1 2 激光全息技术在振动测量中的应用与研究现状， 一九六零年世界上出现了第一台红宝石激光器，同年又产生了氦氖激光器，其 后相继研制了半导体激光器，巨脉冲激光器，环形激光器，二氧化碳激光器，模 同步激光器等。随着激光器的出现，激光n d t ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 检测的各 种方法也相继出现并得到长足的发展和改进i t - 2 】激光n d t 检测方法的主要应用有： 一、由于激光全息术具有非接触，高精度，可以进行实时动态测量，粗面干涉， 三维全场定位和定量分析等特点，借助光纤或反射镜可以测量拐角处或机构内部， 也可以应用于一些非常场合( 远距离测量，高温测量，水中测量等) ，所以广泛应 用于结构无损检测，物体形变位移测量，应力应变分析，振动分析，光学玻璃的 均匀性测定，流场和激波的测量等领域。 二、激光散斑干涉术是利用激光照射被检测物体时散射形成的自相干干涉条 纹，可用来测量物体的挠度，挠角，表面粗糙度。散斑术和全息术时互为补充的。 三、云纹( 莫尔) 技术是一种以光干涉为特征的变形测量方法。可用于测量构件 平面应变场和位移场的分布，板壳弯曲变形的转角和挠度测量以及飞机，导弹材 料性能和结构强度的测量。 四、激光干涉长度测量术主要用于线纹尺，光栅，量块长度的自动测量和校正。 五、激光准直技术利用其高亮度，极好的指向性和相干性在型架安装，调试， 系统校准方面有广泛的应用。 六、激光衍射技术利用狱缝衍射可测量金属丝，光导纤维等细线的直径或间距， 也可用于测量位移和应变。其测量精度可达0 0 0 0 5 m m t 3 。 自从激光问世以来，全息技术得到飞速的发展和广泛应用，激光全息无损检测 应用约占全息术总应用中的2 5 。由于全息图中包含了试件表面在振动或加载状态 下的详细信息，反映了裂纹对试件模态参数的影响。故在工业中有着重要的意义。 振型信息全部由全息条纹图像所反映，每一级条纹代表在光程上半个波长的增量。 在大多数情况下，条纹代表试件表面的轮廓线，或称等高线。 目前，用于振动测量的光学方法有电子散斑干涉法e s p i 刚( e l e c t r o n i cs p e c k l e p a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ) ，a f - e s p i 陋】，数字散斑干涉法d s p i t 6 ( d i g i t a ls p e c k l ep a t t e m i n t e r f e r o r a e t r y ) ，双精度数字散斑振动测量系统【_ ”，双光路电子散斑振动测量系统【8 】， 光纤传感器法【9 】，光折变晶体的微振动法l ，激光多普勒离面振动测量【1 1 等。 电子散斑干涉法e s p i t 4 j ( e l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ) 最早是由 b u t t e r s 和l e e n d e r t z t z 于1 9 7 1 年在研究振动时提出的。由于其具有非接触，全场 测量，实时测量等优点，其测振研究一直处于不断发展之中。运用电子散斑干涉 法测量物体振动振型和普通的测量方法相比较可以得出很好的结果，得到的全息 图像记录了结构表面各点完备的振幅和相位信息，外接的频率仪可精确的测量出 结构振动的频率，明暗条纹的走向确切地反映了振型节线的信息。还可以对不规 则形状的试件进行测量。对于比较大的裂纹往往由振型突变可明显看出裂纹确切 的信息，对于小尺寸的情况，一般可以用图像处理的方法经过运算进行定性推测 和识别，只是做到量化仍有一些困难” 数字散斑( d i g i t a ls p e c k l ep a a e mi n t e r f e r o m e t r y ，d s p i ) 是近年来发展较快的一 项技术，用d s p i 测量物体振动具有非接触、精度高和全场同时测量等优点，且不 会影响物体的固有振动特性其中，时间平均法是d s p i 振动溺量中最方便、有效 的方法。过去，采用人工条纹处理的方法来获得振动信息1 1 4 - 1 5 。p r y p u t n i e w i c z 在1 9 8 9 2 年提出了贝塞尔条纹移动法，用来自动获取振动信息【l 6 1 。该方法利用振动相移技 术使贝塞尔条纹移动，并用类似于相移解调余弦条纹的方法来解调贝塞尔条纹。 这种方法要对测得的振幅相位图进行相位去包裹，而当物体为复杂的非连续体时， 相位去包裹是非常困难的。e l l i n g s r u d 在1 9 9 2 年提出了测量物体微小振动的贝塞尔 函数线性近似法【1 7 】，这种方法虽可定量测量物体的振幅和相位，并且无需相位去 包裹，但其测量范围很小，只能测小于3 0 n m 的微小振动，当振幅大于3 0 r i m 时，此 i 方法失效。 双精度d s p i 振动测量系统“1 采用退敏感光路来扩大贝塞尔函数线性近似法的 测量范围，用贝塞尔条纹移动法和线性近似法对物体振动进行高精度和低精度2 次 测量，并根据低精度的测量结果对高精度的测量结果进行相位去包裹，从而得到 高精度的振幅分布。由于这种相位去包裹技术无需周围点的信息，各点去包裹是 独立进行的，所以该系统可用于工程实际中复杂的非连续结构的振动特性分析。 e s p i 测量振动最方便的方法是时间平均法，但时间平均法得到的散斑干涉条 纹是由第一类零阶贝塞耳函数表征的，由于贝塞耳函数随自变量增加迅速衰减的 特性和散斑噪音的存在，振动条纹的质量明显低于静态变形的余弦条纹。为此， 许多学者提出了改进振动条纹衬比度的方法，但振动信息的获取仍采用人工条纹 处理的方法“4 ，l s l 8 j 。p r y p u t n i e w i c z 提出了一种利用振动相移技术使贝塞耳条纹移 动，用类似于相移解调余弦条纹的方法来解调贝塞耳条纹【1 6 】。贾书海曾采用连续 相位扫描技术使该方法具有更高的抗干扰能力和测量质量【。但这种方法要用到 相位去包裹技术，而相位去包裹并不是一件容易的事，对质量较低的贝塞耳条纹 更是如此。并且，当物体为复杂的非连续体时，相位去包裹将是非常困难的。 e l l i n g s r u d 在1 9 9 2 年提出了一种测量物体微小振动的贝塞耳函数线性近似法 ”。这种方法可定量测量物体的振幅和相位，并且无须相位去包裹，但其测量范 围很小，只能测小于3 0 n m 的微小振动，当振幅大于3 0 r i m 时，此方法失效。并且， 由于振幅较小，贝塞耳函数的自变量小于其第一零点，散斑干涉图上没有条纹， 只有灰度的微小变化，无法实时监测振动，不能确定物体的菸振频率，这些都极 大地限制了该方法在实际工程中的应用。贾书海给出了一种双光路e s p i 振动测量 系鲥”，该系统在常规e s p i 离面振动测量光路的基础上引入退敏感光路，扩大了贝 塞耳函数线性近似法的测量范围，使系统既能对物体振动进行实时监测，又能实 现较大振幅范围的振幅和相位自动定量分析。由于避免了相位去包裹，系统可以 对复杂的非连续结构的较大振幅范围振动进行全场分析，在实际工程中具有较好 的应用前景。 与e s p i 方法相比，a f e s p l ( a m p l i m d e - f l u e t u a t i o ne s p i ) 方法不同之处是前者条 纹的获得是“动减静”的方法，即物体静止时采集一幅散斑图，物体振动时采集 另一幅散斑图，二者相减并取绝对值；而后者条纹的获得是“动减动”的方法， 在问题振动的两个不同时刻各采集幅散斑图，二者相减并取绝对值。理论表明 口o i a f - e s p i 方法得到的相干条纹对比度好，条纹密一倍。 分光计微机电系统( m e m s ) 技术方兴未艾，有关m e m s 的测量技术也日益受到 人们的重视，在m e m s 的研究中，其振动特性和弛豫特性十分重要。但由于其振动 并不是规则的简谐振动，振幅变化大，频率从1 0 h z 到1 0 0 h z ，测试比较困难。 光纤传感器精度高，不接触，具有广阔的应用前景。光纤传感器根据m i c h e l s o n 干 涉仪的原理，通过测量相干光的干涉条纹的移动来测量反射面的位移，同时，利 用宽带光源，采用相位跟踪技术测量极微小的位移和位移的方向，从而既能测量n m 级极微小的振动，也能测量m m 级的振动，为了适应高频振动的测量，引入d s p 充当 数据处理系统的核心，提高处理速度。该光纤传感器设计巧妙，精度高，使用方 便。 光折变效应是在材料上照射具有空间强度分布的光时，折射率发生变化的现 象。在材料内部由于光的亮部和暗部使材料内电荷分布产生偏压，由此产生的内 部电场和电光效应导致折射率发生变化。这个效应具有不依赖于光强度，而依赖 于对比度的特征，因而即使是i m w l c m 2 以下的微弱光，也能产生明显的折射变化。 图1 1 测定系统实例 测量系统示于图i 1 。被测物体反射的光通过透镜光阑，再进入光折变晶体。 在晶体中，从晶体粗糙面散射产生散斑干涉图样，由于光折变效应产生与散斑图 4 样相应的双折射变化。这时散斑图样的振幅与被测物体的振动成比例，但在振动 非常快的场合，光折变效应不能追随其运动，所以把与振动数斑的时间平均成比 例的图样作为正常折射率分布记录下来。如果相对在这种状态的晶体中固定而记 录下的折射率分布，散斑图样产生移动，随着散斑图样和折射率分布的空间偏移， 通过晶体后的偏振光状态( 椭圆偏振光的椭圆率) 就发生变化。通过偏光片后，这 种变化可以作为光强度进行测量。由于检测的光强度振动频率与物体的振动频率 相同，所以信号振幅与物体的振动振幅成比例。 用这种测量方法也可以测量高温物体和易损伤物体，除镜面物体之外，任何 物体都可以测量。由于光折变效应能截止低频噪声，可以检测一定频率以上的高 频信号，所以可抗空气波动( 起伏) 等干扰。此系统可测量的振动振幅和振动频率 范围受下面因素的限制，但适当地设定系统参数，可以实现适合测量对象灵敏度 的测量。可测量振幅的范围由散斑的平均直径与晶体内振幅的比决定其下限和上 限。如果振幅过小，输出信号被噪声埋没；如果振幅超过某俊，物体的振动和输 出信号的比例关系开始参差不齐，最后进行平均。在实际测量时，用置于晶体前 的光阑改变散斑的直径，配合测量对象的振幅设定可测量信号范围。检测振动的 频率下限( 截止频率) 由光折变效应的时间常数决定。系统可把光折变效应不能追 随被测物体振动的部分作为信号取出，相反，不能测量光折变效应可以追随的慢 振动。针对被测对象的振动频率，通过选择适当的光折变材料可以改变截止频率。 由于光折变效应的响应速度与光强度成反比，所以可通过改变照射光的强度对截 止频率进行微调。 激光多普勒测量技术具有精度高，动态响应快。测量范围大，非接触测量的特 点，成为测量气体，流体的强有力的工具。应用激光多普勒技术，可以测量单点 的振动，无需判断其运动方向。桑波提出了一种可辨向激光多普勒离面振动测试 仅u ”，该系统能有效的实现会辨向离面振动的测量，测量距离范围广，并会获得 较高的精度。 此外电动式传感器，加速度传感器，速度传感器，位移传感器对振动的测量也 在不断的发展之中【2 lj ，使得振动测量更加完善。 1 。1 3 激光全息技术在温度场测量中的应用与研究现状 温度场的测量的方法很多，但归结起来以光学的方法居多，有电子散斑干涉 技术 1 2 1 ，电子学全息干涉技术口3 1 ，全息层析技术口4 1 ，辐射测温方法口5 1 ，光纤测温 系统【2 6 l 等。 激光散斑技术式近十年发展起来的一种重要的定量测量各种流体温度场的光 学测量手段，电子散斑干涉技术是光学干涉测量技术与电子技术结合发展的产物。 它继承了干涉法中利用光的波动性质和光经过扰动流体场后产生位相变化的特 点，可以精确的定量研究流体折射率场的空间分布，并根据相应的数学物理模型 求出流体温度场的分布拉“。 电子学全息干涉术是利用数字模拟全息图的衍射再现原理通过快速傅立叶变 换及频谱滤波而获得物场的相位变化，也叫数字全息干涉术。利用高分辨率的c c d 记录并通过计算机数字技术，可以实现温度场光学全息图的数字化记录和重现， 使得不可见的温度场以等温线条纹的形式显示于计算机的监视器上田1 。 全息层析技术实际上就是在同时获得三维流场多方向干涉图的基础上，把三 维流场分成一组平行的截面，根据各方位的干涉数据，由计算机分别对不同的截 面重建三维流场的参量分布。在三维热气流场的测量中，将其作为物，通过全息 实验系统，整个三维热气流场的折射率信息都被记录在干板上，并由c c d 摄像的 方式将不同方向的干涉图以数字形式存入计算机。然后经过计算机处理可以得出 温度场的分布。 任何物体的表面均会向外界发射出热辐射，辐射量和其绝对温度紧密相关， 因此可以通过测量物体的辐射来反演温度，这就是所说的辐射测温方法。这类方 法往往采用光学系统将辐射成像后，通过光电转换系统将光信号转换为电信号， 从而测量出物体的辐射信息。它具有接触式测量方法所不具备的诸多优点，因此 一直是温度测量方法研究的一个热点。 光纤内通入光后，其反射光会受到光纤应变及温度变化的影响，而通过测量 入射光与反射光之间的时间差，则可确定出发生应变及温度变化的位置。用这个 性质，则可以测量光纤沿线任意点的应变与温度。最近几年，光纤应变计和光纤 温度计已开始广泛应用。光导纤维测温方式，直接测量的是拉曼反射光中两种成 份之比，与绝对值无关，因此既使光纤随时间老化，沿程光损失增加，仍可消除 光损失的影响，从而可一直保证测温精度。前已有的光纤测温系统一般由分光计、 光纤传感器和计算机组成，分光计为测温系统的核心部分，用于脉冲光的发射、 接收、拉曼散射光的检测与强度测量，光纤传感器用于感知温度变化，计算机用 于系统的控制、数据的采集和分析。 1 2 本文的目的 本文在前人研究的基础上，力求得出一种测量振动和温度场的光学方法，能够 方便准确进行测量和研究，利用该方法对轴对称、非轴对称膜面振动、轴对称、 非轴对称温度场进行研究，并将此方法应用到故障的诊断和检测上。在第二章中 我们将详细讨论像面全息用于全息干涉计量的理论。第三章把像面全息时间平均 法用于膜振动测量的研究。第四章把像面二次曝光法用于温度场测量的研究。在 这两部分都提供了相应的实验结果。 第二章像面全息原理和全息干涉计量方法 2 1 全息原理 全息照相过程分两步：波前记录和波前再现。波前记录是将物体衍射的光波与 另一相干光波参考光波相干涉，用光化学方法将干涉条纹记录在全息记录介 质上，成为全息图或全息照片。全息图具有复杂的光栅结构，当用记录时的原参 考光或其它合适的光波照射全息图时，光通过全息图时的衍射和衍射光之间的干 涉形成与原物体光波相同的光波，即通过物体波前的再现，形成物体的再现像。 2 2 像面全息图 物体靠近记录介质，或利用成像系统使物体成像在记录介质附近，或者使一 个全息图再现的实像靠近记录介质，都可以得到像全息图，当物体的像位于记录 介质面上时，称为像面全息图，所以像面全息是像全息的一个特例。像全息的特 点是可以用扩展的白光光源照明再现能观察到清晰的像，而且这种全息图在再现 中对角度的选择不太灵敏，因此广泛用于全息显示中。 2 2 1 像面全息的记录光路 【 b 图2 1 像全息的记录方式之一 在记录全息图时，如果物体靠近记录介质，则不便于引入参考光，因此通常 采用成像的方式产生像光波。一种方式是透镜成像，如图2 1 所示：另一种方式是 利用全息图的再现实像作为像光波“3 。后者通常先对物体记录一张菲涅尔全息图， 然后用参考光波的共轭光波照明全息图，再现物体的实像。实像的光波与制作像 全息时的参考光波的叠加，得到像全息图。因此，这种方法包括二次全息记录和 一次再现的过程，图2 2 表示了这一过程。 b h i 图2 2 像全息图的记录方式之二 d 像面全息图可以用扩展的白光光源照明再现，不管参考光是发散光波还是平 行光波，可以用一个灯丝稍集中的自炽灯，按记录时参考光的方向照踢再现清晰 的全息像。 2 3 全息干涉技术 全息干涉是全息应用的一个重要方面。全息干涉与普通干涉十分相似，其干 涉理论和测量灵敏度基本相同，只是获得相干光的方法不同。普通干涉中获得相 干光的方法虽然很多，但总的说来不外两大类：分振幅法和分波前法。分振幅法是 将同一束光的振幅分为两都分或多部分，如迈克尔逊干涉仅，法布里一珀罗干涉 仪等；分波前法是将一束光的同一波前分为两部分或多部分，如双棱镜干涉，双 缝干涉及多缝干涉等。全息干涉则是将不同物光，在不同的时间记录在同一张全 息干版上，然后使这些波前同时再现发生干涉。所以全息干涉的相干光波是采用 时间分割法而获得。时间分割法的特点是相干光束由同一光学系统产生，因而可 以消除系统误差。这样对光学元件的精度要求可以较低，这一点是很重要的。 普通干涉只能测量抛光的透明物体或反射面。全息干涉不仅可以测量透明物 体，也可以测量不透明物体。并且表面可以是散射体。此外，还可以通过表面的 变化来检测物体内部的缺陷，即所谓无损检验。 全息干涉的基本方法口辩o 】是单次曝光( 实时法) ，二次曝光，多次曝光，连续曝 光( 时间平均法) ，非线性记录，多波长干涉和错位干涉等。随着相关技术的发展， 全息干涉已与莫阿技术，散斑技术等结合起来。在测量结果的处理方面利用光电 检测技术，c c d 摄像机采集数据和计算机自动处理达到计算速度快，精度高的 要求，使所研制的全息干涉计量仪器是光、机、电、算相结合的现代化设备。 本节着重光全息干涉术方法、基础理论介绍。 2 。3 1 二次曝光法 所有干涉仪的工作原理都是比较两个或多个波面的形状e 二次曝光法是将初使 物光波面与变化以后的物光波面相比较。在记录过程中对一张全息干扳作二次曝 光，一次是记录初使物光波( 相当于普通干涉的标准波面) 的全息图；一次是记录变 化以后的物光波( 相当于被测试波面) 的全息图。这两张全息图记录在同一张干板 上，记录时顺序也可以颠倒。当用照明光波再现时，可再现出两个物光波面，这 两个波面是相干的，可以观察到它们之间的干涉条纹。通过干涉条纹的分布情况， 可以了解波面的变化。 2 3 1 1 二次曝光原理 设参考光波为r ( x , y ) = r 0 e x p j v g ( x ，y ) 】，o ( x = o o ( x ，y ) e x p j c p o ( x ，y ) 】为初始物光 波，o t 0 ，护o o ( x e x p 饥妒。力+ 妒。州 为变化后的物光波。设两次曝 光时间为t ，和t2 ，在线性记录下，全息图的振幅透射系数与曝光量成正比， 即 f h ( x ，y ) 一# l l o + rl 2 + 如io7 +r l 2 = ，( o 。2 + 风2 ) + f l o o r o e x p j 0 p o 一) 】 + f ，o o