文档介绍：分类号学号 D200777219
学校代码 10487 密级
博士学位论文
横向大剪切量干涉技术
及其在物理量检测中的应用
学位申请人: 吕伟
学科专业: 热能工程
指导教师: 周怀春教授
答辩日期: 2011 年 9 月 24 日
A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Doctor of Philosophy in Engineering
Large Lateral Shearing Interferometry and its
Applications in Physical Measurement
: Wei Lv
Major: Thermal Engineering
Supervisor: Prof. Huai-chun Zhou
Huazhong University of Science and Technology
Wuhan 430074, P. R. China
September, 2011
独创性声明
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及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不
包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做
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日期: 年月日
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不保密□。
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学位论文作者签名: 指导教师签名:
日期: 年月日日期: 年月日
华中科技大学博士学位论文
摘要
激光干涉原理下的各种检测技术在本质上都是直接反映被测场折射率的分布特
征,借助于 Lorentz-Lorenz 关系式及其针对气相介质的简化形式(即 Gladstone-Dale
关系式),可以实现从折射率到密度、浓度、温度等诸多物理量的无损检测。现有的
具备多方向投影能力的实时干涉检测系统都基于双路干涉技术组建。以横向剪切为代
表的共光路干涉技术具有前者所没有的布局紧凑、抗振性强、光学元件数量少且没有
苛刻的定位要求等适于工业现场应用的优点,只是其输出条纹的分布特征要比前者的
复杂得多。
传统的横向剪切干涉应用中缺乏对横向剪切量的重视和讨论,而本文作者发现当
横向剪切量超过了被测对象畸变波面半宽时,剪切干涉条纹的两侧将显露出半幅类似
于双曝光全息干涉原理的简单条纹;当横向剪切量超过了被测对象畸变波面宽度时,
剪切干涉条纹将在水平方向上分裂为两个完整的类似于双曝光全息干涉原理的简单
条纹。这意味着横向大剪切量干涉技术在实验流程和数据处理流程两个方面都表现优
异,较之现有各类多方向干涉检测系统来说无疑是一种更经济的选择。考虑到实用的
光学系统总存在像差,横向剪切干涉系统的背景条纹由此产生。由于它的分布特征可
以用简单的球差公式来精确描述,因而不会为剪切干涉条纹的后处理过程带来实质性
的影响。当横向剪切量足够大时,用被测对象存在时的条纹相位差直接减去背景条纹
相位差即可得到仅由被测对象引发的那部分畸变波面的相位差,而传统的小剪切量干
涉条件下的数据处理过程中必不可少的剪切还原算法在这里不再需要了。
我们先将横向大剪切干涉技术应用在肥皂泡液膜厚度(这是一个典型的一维分
布)的检测中,对单个肥皂泡从形成初期到临近破裂等几个典型瞬间的全场膜厚分布
进行了实验研究。从中可知,被测肥皂泡沿着竖直方向的液膜厚度分布的最大误差为
3/8 倍波长。破裂之前的各个瞬间的数据显示,它的液膜厚度沿着重力方向的分布均
能很好吻合三参数指数膜厚模型,其偏差值不超过 倍波长。随着肥皂泡自身排流
作用的不断进行,其椭球型轮廓的顶部开始出现一个水层