数字散斑温度测试毕业设计

1、 中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：信息与通信工程学院专 业：光电信息工程设 计 题 目：基于金属热变形的散斑干涉测温技术研究指导教师:王小燕 2014 年 3 月 22 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述： 文 献 综 述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

2、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高速相机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。

3、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1.2.1所示4。下面分别介绍两类测温方法的原理及特点。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

4、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；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。 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1.2.1 温度测量方法分类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

5、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，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

6、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6。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，但一直未予以重视。到了20世纪40年代英国DenisGabor提出全息术，但是由于散斑的存在，影响了全息图的质量，散斑由引起人们的关注，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

7、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。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）8。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Leenderz以及美国学者Makovs

8、ki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)9。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（如图1.3.1）。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Nakadate首次实现并得到512x512列阵的

9、数字散斑干涉条纹10，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的电子散斑干涉法(ESPI)和用数字处理方法实现11的数字散斑干涉法(DSPI)统称为电子散斑干涉法12(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

10、末，天津大学秦玉文13教授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1415等人对撞击载荷下数字散斑离面位移的测试进行了研究(如图1.3.2，图1.3.3)，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（如图1.3.4）、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。图1.3.1 数字散斑干涉系统示意图 图1.3.2 测量离面位移DS

11、PI 系统示意图 图1.3.3 测量面内位移DSPI系统示意图 图1.3.4 散斑干涉法测量振动示意图1.3.2 数字散斑干涉技术的前景随着现代社会的迅速发展, 要求散斑计量技术更趋向于实用化。要解决这一问题, 就必须解决检测系统的实时性好、小型化、提高抗干扰能力等, 由此散斑计量技术又发展了新的技术。从80 年代初, 美国贝尔实验室的Dudderar 等将光纤成功用于全息测量中,到现在, 各种光纤和传像束在ESPI/ DSPI 系统中的应用进行了理论和实验研究, 获得了较好的效果。该技术简化了光路、缩小了体积、耐腐蚀、可用于恶劣环境16。目前, 半导体激光器与光纤的耦合效率问题是发展的关键,

12、相信在未来的几年, 问题会得到解决。数字散斑相关测量方法是80 年代末由日本Yamaguchi 和美国南卡罗来纳大学的Panson 等人独立提出的, 是一种计算机辅助的测量方法, 具有光路简单、对测量环境要求低、自动进行数据处理等优点。但大量繁琐重复的相关运算, 使得计算量非常庞大、处理数据的过程相当的缓慢, 同时环境、光源等因素也影响了相关搜索的准确性。但随着算法的发展、简化, 和计算机日新月异的更新, 这些问题会逐渐得到解决。同时, 伴随着现代科技的不断进步, 新思想、新领域的不断涌现, 目前, 还有计算机辅助散斑干涉计量术、光栅大错位数字散斑术17等具有不同优点, 不同应用场合的散斑干涉

13、计量技术涌现。散斑干涉计量技术在很多应用中有着其它方法不可比拟的优势, 除被广泛的应用于工业测量中, 还在汽车、天文、防伪、信息处理、表面粗糙度、三维面型测量18等方面都有所建树。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19，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

14、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，是一种简单新颖的温度测量方法20。参考文献：1 王魁汉.温度测量技术的现状及展望J. 基础自动化1997,(1):16. 2 是度芳.激光检测与诊断技术M.贵州:贵

15、州教育出版社，19933 黄素逸,杨金宝.热物理量的光测M.武汉:华中理工大学出版社，19854 杨永军.温度测量技术现状和发展概述M. 北京：中航工业北京长城计量测试技术研究所，20095 倪震楚. 现代温度测量技术综述J. 消防理论研究. 2003, 226 张静华, 李天泽，山东电子J, 2000, 1: 81 82.7 Whelan M,Langhof f A,Lucia A.Mechanical Testing BiomaterialsUsing Speckle Int erf eromet ry.11th Conf erence of the ESB,1998.8 Piano E,

16、Aglio G A,Crivello S et al.Mat er Chem and Phys,2000,66(2-3):266269.9 Albrecht A,Franchi M,Lucia A et al.J Cultural H eritage,2000,1(1):332335.10 Gulker G,Hinsch K D,Kraf t A.Opt&Lasers in Engng,2001,36(5):501513.11 姜力军, 刘 伟, 谭玉山. 物理, 1995, 24( 3) : 154 160.12 Sampath K, S ingh M. Proc of the Annual

17、 Internat ional Conference of the IEEE, 1992, 14: 140 141.13 秦玉文，戴嘉彬，陈金龙.电子散斑方法的进展J.实验力学.1999,11(4):41041614 张东升,刘景伟.用数字散斑干涉法测量动态面内位移场J.国防科技大学学报.1995,17(2):10010415 张东升，刘景伟，李鸿琦.面内和离面位移场的电子散斑自动检测技术研究J.实验力学.1995,10(4):35636516 刘宝会.多功能数字散斑干涉无损检测技术及应用研究D.博士学位论文.天津:天津大学机械工程学院，200417 王文生.干涉测试技术M.北京:兵器工业出版

18、社，1992:25826118 陈熙谋，光学M.北京：北京大学出版社，2011:20719 吴震.光干涉测量技术M.北京:中国计量出版社，1995:21224020 黄素逸,关于用激光全息干涉法测量温度场的若干问题J.华中理工大学学报，2006,15(8):22 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1要解决的问题1、查阅相关文献，了解数字散斑干涉，温度测试的国内外研究现状；2、学习数字散斑干涉，温度测试技术的相关知识；3、从热传导和热弹性理论出发，建立温度与散斑干涉条纹之间的关系；4、搭建散斑干涉温度测量模型的实验平台，并进行试验5、利用软件处理散斑干涉条纹得出物体温度，证明方案的可行性；2.2 拟采用的的研究手段2.2.1离面位移测量原理图2.2.2系统模型建立的总思路 数字散斑干涉技术是一种测量光学粗糙表面位