基于散斑干涉法的温度测试.doc

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。 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；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Leenderz[10]以及美国学者Makovski[11]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