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中国科学技术大学学报 2020年第6期50卷 832-838页

作者：陈宇张海峰卢荣德陈越何立群中国科学技术大学热科学和能源工程系安徽合肥230027

提出基于条纹傅里叶变换的激光干涉温度测量方法,并采用Mach-Zehnder干涉仪,以蜡烛轴对称火焰温度场为对象进行验证.在恢复相位的过程中,结合未受温度场扰动的干涉图像,修正了相位中因图像数字化离散的线性偏差.对比几种滤波器的计算结... 详细信息

提出基于条纹傅里叶变换的激光干涉温度测量方法,并采用Mach-Zehnder干涉仪,以蜡烛轴对称火焰温度场为对象进行验证.在恢复相位的过程中,结合未受温度场扰动的干涉图像,修正了相位中因图像数字化离散的线性偏差.对比几种滤波器的计算结果,表明滤波器的特征对结果有明显影响,采用适当参数的余弦形边界滤波器可有效提取频谱信息.蜡烛火焰及其外围温度分布的测试结果表明,干涉条纹傅里叶分析法可方便快捷地用于测量二维轴对称温度场分布.

关键词：干涉计量温度测量条纹傅里叶变换 Mach-Zehnder干涉仪

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基于条纹傅里叶分析的激光干涉测温方法研究

基于条纹傅里叶分析的激光干涉测温方法研究

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作者：陈宇中国科学技术大学

学位级别：硕士

温度测量有接触式和非接触式。接触式测温具有稳定性良好等优点,但测温元件本身也会对测量带来干扰;当测量对象尺寸非常小时,这种干扰是无法忍受的;另外,在某些工作环境下,比如炼钢炉膛,接触式测温甚至是无法工作的。对于类似上述这些场... 详细信息

温度测量有接触式和非接触式。接触式测温具有稳定性良好等优点,但测温元件本身也会对测量带来干扰;当测量对象尺寸非常小时,这种干扰是无法忍受的;另外,在某些工作环境下,比如炼钢炉膛,接触式测温甚至是无法工作的。对于类似上述这些场合,非接触式测量则能够大显身手。本文选择研究非接触式测量方法中的激光干涉测量方法。研究中,采用高速电荷耦合元件(CCD)拍摄获取干涉条纹,利用傅里叶变换法计算轴对称透明介质的温度空间分布。空气温度改变后,其折射率也发生变化,光在该区域的速度也随之起变化;通过后,光的相位也会改变。本文采用Mach-Zehnder干涉实验装置,以蜡烛的轴对称火焰为测量对象,研究了根据干涉条纹提取光相位差空间分布的方法,进而计算该区域的温度场。相位差提取是根据轴对称性,对所获取干涉条纹图进行空间反解。具体包括对获得的平面干涉条纹进行傅里叶变换,获得对应的频域图像,然后对频域图像进行滤波和实施傅里叶逆变换,获得所谓包裹相位。对相位进行解包后,最终获得原始平面干涉条纹对应二维相位分布。该分布为光穿过火焰后相位变化的积分值;利用空间轴对称性,通过Abel逆变换,获得光沿途空气折射率的三维分布;根据折射率与温度的关系,最终得到测量区域的三维温度场。为验证上述结果,本文使用热电偶逐点实际测量了蜡烛火焰内的温度分布。通过对比热电偶和干涉法所获得的温度场,我们确信干涉条纹傅里叶分析法是有效的。在此计算过程中,准确提取相位是最为关键的。为了充分过滤掉噪音,本文选取了几种常见滤波方法。对比所得温度分布可知,采用理想滤波器后的误差最大,特别是在高温区,最大可达约37%;高斯滤波器次之,其误差最大可达18%;而采用余弦边界滤波器所获得误差最小,约7%,平均误差约4%;巴特沃斯滤波器的最大测量误差约10%,介于余弦边界滤波器与高斯滤波器的结果之间。另外,干涉图片与其频谱都是离散数字化的。在移频过程中,频谱不能连续移动而只能移动整数倍,因此给所算相位带来偏差。本文通过增加背景干涉条纹处理,预先算出这个偏差,然后修正相位,获得了满意结果。

关键词：干涉测量温度测量条纹傅里叶变换 Mach-Zehnder干涉仪

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