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4T M δ=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),(1t P E ，),(2t P E 在空间某一叠加区叠加，且两列波之间的夹角为θ，考虑一般情况，可设
⎭
⎬⎫⎩⎨⎧-+=-+=)cos(),()cos(),(220202110101kr wt A t P E kr wt A t P E ϕϕ （1） 且2101A I =，2
202A I =。

两列波经叠加后总光强为 ϕθ∆++=cos cos 22121I I I I I （2） 当时间固定后，其中)()(121020r r k ---=∆ϕϕϕ，（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w 相等，2π
θ≠ ，1020ϕϕ-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θ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：
p T
V V )(1∂∂=α （3） 等温压缩系数T k ,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：
T T p
V V k )(1∂∂-= （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：
p k T T T V p T V T --+=)(1)[0,(),(000α （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
l
l ∆=ε （6） 其中l ∆表示受热后伸长的长度，l 表示受热之前原试件的长度，ε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F 和横截面积S 之间定义了一个应力，其表达式为
S F =
σ （7） 其中σ表示应力，F 表示横截面所受力的大小，S 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σ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
l F ∆∝ （8） 故同理可知
l
l S F ∆∝ （9） 进而我们重新引入一个正比例常数弹性模量E 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：
l
l E S F ∆= （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
ε+=∆+=1)0,(),(00l
l l T V p T V （11） 根据压强的定义将(10)式变形可以得到如下公式：
εE p = （12） 将(11)和(12)带入(5)中可以得到
εαεE k T T T --+=+)(110
通过运算得到
T E k l
l T ∆+=∆1α (13)
其中0T T T -=∆,0T 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l 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，α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，α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。

l
∆
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r E 和01E 。

),(),(y x i r r r e A y x E ϕ-= （14） 0001ϕi e A E -= （15） 这里0,A A r 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
),(y x ϕ∆，则变化物光波02E 为
),(01)],([0020),(y x i y x i e E e A y x E ϕϕϕ∆-∆+-== （16） 物体变化前采集的光强分布为：
)],(cos[)(2|),(|),(021********y x I I I I E y x E y x I r r r r ϕϕ-++=+= （17） r I ，01I 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22|),(),(|),(y x E y x E y x I r += )],(),(cos[)(20210101y x y x I I I I r r r ϕϕϕ∆--++= （18） 将式(17)减去式(18)可以得到相关条纹光强分布),(y x I ∆
21),(I I y x I -=∆ )]},(),(cos[)],({cos[)(20021
01y x y x y x I I r r r ϕϕϕϕϕ∆----= )],(21sin[)],(21),(sin[)(402101y x y x y x I I r r ϕϕϕϕ∆•∆+-= （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
⎩⎨⎧==),()
,(00),(),(),(),(0y x i r r y x i r e
y x a y x E e y x a y x E φφ （20）
图2-3 物光与参考光的叠加干涉
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）
),(),(0),(),(),(0y x i r y x i r e y x a e y x a y x E φφ+=
（21）
对应的光强分布为 ),(),(),(*0y x E y x E y x I ⋅=
)cos(2 00220r r r a a a a φφ-++= （22）
式中),(*y x E 为),(y x E 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l ∆（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
l ∆=22λπ
ϕ （23）
此时，CCD 电视摄像机记录的光强分布为
)cos(2),(002201ϕφφ+-++=r r r a a a a y x I （24）
采用减法模式，即（12）减（14）式，并取绝对值为
01 ),(I I y x I -=
[])cos()cos(2000r r r a a φφϕφφ--+-=
2sin )(2sin 400ϕφφϕ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-+=r r a a （25）
当),2,1,0( 2 ±±==n n πϕ时 （26）,0),(=y x I 呈现暗条纹,
将(23)代入(26)式得
2
λn l =∆ （27） 通过统计暗条纹级数n ，代入式（27），即可求出l ∆。

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。

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
激光器或者乙炔焰作为第一层，其目的是使试件充分所示，我们可以选择CO
2
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。