数字散斑瞬态高温测试技术方案设计.doc

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），在空间某一叠加区叠加，且两列波之间的夹角为，考虑一般情况，可设 （1） 且，。两列波经叠加后总光强为 （2） 当时间固定后，其中，（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，只有当相等， ，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