云纹干涉法测量流体温度场毕业论文.doc

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1、清华大学2012届毕业设计说明书云纹干涉法测量流体温度场毕业论文目录1高温云纹干涉法基本理论与研究概况11.1引言11.2云纹干涉法的基本原理11.2.1基于空间虚栅概念的解释21.2.2云纹干涉法的波前干涉理论31.3云纹干涉法实验方法与技术51.3.1双光束光路系统51.3.2三反镜光路系统51.3.3大准直镜光路系统61.3.4光栅分光光路系统71.4云纹干涉法在高温领域的研究概况91.5小结112莫尔偏折法测量流体温度场的基本原理122.1格拉斯通－戴尔（Gladstone-Dale）公式122.2非均

2、匀介质中光线的传播132.3莫尔偏折法测温的基本原理132.4傅立叶变换求取莫尔条纹相位的基本原理182.5小结213基于MATLAB的图像仿真得到相位的移动223.1试验系统及其基本工作原理223.2基于MATLAB的图像处理以获得相位变化223.3总结27总结28参考文献29致谢32第II页共III页清华大学2012届毕业设计说明书第II页共III页清华大学2012届毕业设计说明书1高温云纹干涉法基本理论与研究概况1.1引言近二十年来，由于激光技术和近代光学和计算机技术的发展和推动及其在实验力学领域中的应用

3、，产生了以全息干涉法、散斑干涉法、云纹干涉法和数字图象处理为主要研究和应用内容的“现代光测力学新领域”。云纹干涉法是八十年代初兴起的一种具有非接触测量、可进行全场和实时分析的高灵敏度大量程的光学测量方法，通常使用频率为600~2400线/mm的高密度光栅，其测量位移灵敏度比传统的云纹法高几十倍甚至上百倍。由于云纹干涉法的上述优点，它己经受到了广大实验力学工作者的日益重视，并被誉为八十年代以来实验力学领域中的最重要发展。云纹干涉法是以试件表面的高灵敏度云纹光栅作为变形的传感元件的，因而高质量的高灵敏度云纹光栅及其

4、复制也成为该方法推广应用的关键技术。近十几年以来，云纹干涉法的严格理论基础得到建立，光栅的制作技术也己经成熟。随着科学工程技术发展的需要，云纹干涉法在解决新材料性能研究、无损检测、细微观力学分析、三维变形测量、实时应变场测量、微电子封装热变形、高温材料变形测量以及现场条件下的变形测量等方面提供了极其有效的实验研究手段，并对材料科学、细观力学、断裂力学等相关学科的发展起到了积极的推动作用。本文主要工作着重于云纹干涉法测流体温度场，理解莫尔条纹的形成原理和莫尔条纹干涉法测量温度的原理后，对比不同的云纹干涉法应用实例

5、，选择了激光云纹法实验装置，对云纹干涉法测流体温度场的理论进行了仿真说明。1.2云纹干涉法的基本原理第33页共32页清华大学2012届毕业设计说明书云纹干涉法在其发展历史上先后出现了两种解释，即基于空间虚栅的解释与波前干涉理论。前者借助了几何云纹法的基本思想，给云纹干涉法以简单描述;后者则从光的波前干涉理论出发对云纹干涉法进行了严格的理论推导和解释。1.2.1基于空间虚栅概念的解释最常见的云纹干涉法光路是由云纹干涉法的创始人D.Post倡导的双光束对称入射试件栅光路，如图1.1所示。D.Post最早对云纹干涉法

6、的解释为:对称于试件栅法向入射的两束相干准直光在试件表面的交汇区域内形成频率为试件栅两倍()的空间虚栅，当试件受载变形时，刻制或复制在试件表面的试件栅也随之变形，变形后的试件栅与作为基准的空间虚栅相互作用形成云纹图，该云纹图即为沿虚栅主方向的面内位移等值线，并提出了类似于几何云纹的面内位移计算公式:(1-1)图1.1云纹干涉法的空间虚栅解释第33页共32页清华大学2012届毕业设计说明书D.Post对这一方法的理论解释是以传统的几何云纹概念为基础的，对建立有关云纹干涉法的一些基本概念是有帮助的，能够满足一般实验

7、现象及实验结果处理的要求。但该解释并没有揭示云纹干涉法的物理本质，不仅不能正确解释实验中的某些重要现象，而且也约束了该方法的进一步发展。1.2.2云纹干涉法的波前干涉理论从1984年起，戴福隆教授和D.Post等人对云纹干涉法进行了严格的理论推导和解释建立了云纹干涉法的波前干涉理论。图1.2云纹干涉法的波前干涉原理图如图1.2所示，当两束相干准直光A、B以入射角(为光波波长，fs为试件栅频率)对称入射试件栅时，则将获得沿试件表面法向传播光波A的正一级衍射光波A'和B的负一级衍射光波B'。当试件未受力时，A'和B

8、'均为平面光波。(1-2）其中,为常数，a为光波振幅。第33页共32页清华大学2012届毕业设计说明书当试件受力变形后，平面光波A'和B'变为和试件表面位移有关的翘曲波前，其位相也将发生相应的变化，翘曲波前A''和B''可表示为:（1-3）其中，分别为变形引起的正负一级衍射光波的位相变化，它们与试件表面x方向的位移u和z方向的位移w有如下关系:（1-4）正负一级衍射光波通过成像系统后，