CN114739954A - 同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的***和方法。该***包括通过光路连接的激光光源***、迈克尔逊菲索干涉***、温控***和数据采集***；激光光源***包括激光器、扩束镜或准直器，迈克尔逊菲索干涉***包括45°半透半反镜、反射镜和待测物体；温控***包括保温装置、加热装置和石英材料，待测物体放置在保温装置中。温控***、45°半透半反镜和数据采集***构成垂直方向的光路，激光光源***、45°半透半反镜和反射镜构成水平方向的光路。本发明通过将迈克尔逊和菲索干涉原理结合，利用反射镜和样本的两个表面能够在同一升温过程中同时测量轴向长度和折射率的改变量，可同时测量材料热膨胀系数和温度折射率系数。

Description

同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的***和方法

技术领域

本发明涉及材料热变形测量技术领域，尤其涉及一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的***和方法。

背景技术

对透光材料施加温度场后，材料内部原理排列有序的分子会随温度改变间距，在宏观上表现为长度或体积发生变化。线性膨胀系数定义为材料在不同梯度的温度场作用下产生的长度或体积的相对变化量与其在原温度下的长度或体积之比，是材料基本特性参数之一。

热变形在微观上有两方面的表现。一方面为施加的温度场引起透光材料本身内部分子的排列结构发生改变；另一方面为由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的热应力。两者都会导致材料的某些光学性质发生改变，而折射率是最主要的光学参数之一。

光学镜片材料的线性膨胀系数的数量级大致在10^-7-10^-5范围内，光学材料热膨胀很微小，一般测量长度的工具因精度不高无法完成准确测量，无法同时测量透明物体受热时热膨胀系数和温度折射率的变化。

现有技术中的一种测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数方案的实验装置图如图1所示，样品与光路设计图如图2所示。此实验所用的样品由均匀各向同性的玻璃制成，如图2左图所示。图中，A是被切去一部分的玻璃圆柱体，上下表面基本平行；B和B′是2块也被切去一部分的圆形玻璃板，每块玻璃板的上下表面不平行。3块玻璃A、B、B′胶合成一体。胶的折射率与玻璃相同，厚度可以忽略不计。激光从上方射向样品，如图2中右图所示。

当激光从样品的双层面反射时，在屏上可以看到3个反射光斑，而且中间光斑有干涉条纹。它是由上薄玻璃板的下表面与下薄玻璃板的上表面2束反射光干涉形成的。这2束光的光程差为2L。如果对样品加热，设样品温度升高ΔL＝Lβ·ΔT(β为玻璃的热膨胀系数)，可以观测到干涉条纹移动了m₁条。

当激光从样品的单层面反射时，在屏上只能看到1个有干涉条纹的光斑，它是由玻璃圆柱体的上下表面反射光的干涉形成的。这2束光的光程差为2nL。设加热时的干涉条纹移动了m₂条。则有：

已知L和n，只要分别测得干涉条纹移动数m₁、m₂与温度T的关系，由m₁－T，m₂－T作图，就可以分别求得热膨胀系数β和折射率温度系数γ。

实验时，先将样品小心地滑入大铝块中间的样品腔中，同时***温度传感器，然后将大铝块放在电炉上面，将它们放在升降台上。将激光器、升降台等放在光具座上。打开激光电源，调节激光器和样品的位置，使激光从样品反射时，在屏上能看到3个反射光斑，中间1个有干涉条纹。开启电炉，对样品进行加热，加热到一定温度，关闭电炉，在样品自然降温过程中，测出干涉条纹数m₁与温度T之间的关系。测完数据后，将样品旋转至另外一侧，在屏上可以看到1个有干涉条纹的光斑，同样对样品进行加热，在样品冷却过程中，测出干涉条纹数m₂与温度T之间的关系。

上述现有技术中的一种测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数方案的缺点为：不能在同一温度变化过程中同时测量热膨胀系数和折射率温度系数，不能很好的探究二者的变化机理；只考虑等等厚干涉图样为条纹的状态，未考虑等倾干涉图样为圆斑的状态。

发明内容

本发明提供了一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的***和方法，以实现能够在同一温度变化过程中同时测量物体的热膨胀系数和温度折射率系数。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的***，包括：通过光路连接的激光光源***、迈克尔逊菲索干涉***、温控***和数据采集***；

所述激光光源***包括激光器、扩束镜或准直器，所述迈克尔逊菲索干涉***包括45°半透半反镜、反射镜和待测物体；所述温控***包括保温装置、加热装置和石英材料，所述石英材料作为实验基准面，所述保温装置和所述加热装置连接，所述待测物体放置在所述保温装置中，所述保温装置设置在石英垫片上，所述数据采集***放置在所述45°半透半反镜的上方；

所述温控***、所述45°半透半反镜和所述数据采集***构成垂直方向的光路，所述激光器、所述扩束镜或准直器、所述45°半透半反镜和所述反射镜构成水平方向的光路。

优选地，通过调节激光器、扩束镜或准直器的位置使激光器发出的激光准直打在45°半反射镜预留位置的中央，通过调节45°半反射镜的镜面角度使得45°半反射镜的水平入射光束和反射光束能重合；

反射镜到45°半反射镜的距离不等于45°半反射镜到石英材料基准面的距离。

优选地，激光器发射的激光透过扩束镜或准直器、45°半透半反镜后分为两束光，一束光通过反射镜、45°半透半反镜最终到达观察屏；另一束光由45°半透半反镜反射分别至待测物体上、下表面，分为两束光，这两束光再通过45°半透半反镜到达观察屏；

经反射镜反射的光束、经待测物体上表面反射的光束和经待测物体下表面反射的光束，这三束光在观察屏上两两产生干涉，在观察屏上产生圆环光斑或者条纹。

优选地，当激光***为激光器和扩束镜时，形成的光源为点光源，且反射镜和样品表面完全垂直时为等倾干涉，其干涉光在观测屏上显示为圆环形的等倾干涉条纹；当激光***为激光器和准直器时，形成的光源为平行光源，且反射镜和样品表面不垂直时是等厚干涉，其干涉光在观测屏上显示为以等厚交线为中心对称的直条纹。

优选地，当产生圆环光斑时，通过圆环光斑的吞吐数，计算得到待测物体上表面反射的光束的平移和折射率变化量；通过圆环光斑的圆心移动方向，计算待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化方向；通过圆环光斑的圆心移动距离，根据标定数据得到待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化大小；通过圆环光斑的圆环的形状的变化，可知待测物体反射的光束的不同位置的平移和折射率发生变化；

当产生条纹时，通过条纹的平移计算条纹级次的变化，计算得到上表面平移和折射率变化量；通过条纹的斜率改变，可知待测物体上表面反射的光束的角度发生变化；通过条纹的密度改变，计算的带待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化的大小；通过条纹的不同位置条纹的变化，计算得到待测物体上表面角度变化大小、上表面平移和折射率变化量。

优选地，对于具有各向异性的物体，激光***采用激光器和准直器，使用等厚交线为中心对称的直条纹观察其不同方向上的热膨胀系数、温度折射率系数；

对于具有各向同性的物体，激光***采用激光器和扩束镜，使用圆环形的等倾干涉条纹观察其热膨胀系数、温度折射率系数。

优选地，所述保温装置为圆柱形，扣放在石英垫片上，对保温装置的表面进行穿孔，孔径与光斑大小接近；

所述加热装置包括加热片、控温器和温度探头，所述加热片贴在圆柱形不锈钢制品上，卡放在圆柱外壳中，所述加热片通过电线连接控温器进行加热，由温控器来调节加热片温度，所述温度探头由上部小孔深入圆柱外壳内部，将温度数据传回控温器。

根据本发明的另一个方面，提供了一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的方法，其特征在于，适用于权利要求1至7任一项所述的***，所述方法包括：

步骤(1)、在光学平台上安装该***，将激光器固定在光学平台上，打开激光器电源，调节激光器的俯仰角，使激光器发出的激光平行于光学平台；

步骤(2)、在光路中安装反射镜，调节反射镜使入射光束和反射光束重合，再挡住水平反射镜，安装45°半透半反镜并调节其镜面角度使得45°半透半反镜水平入射光束和反射光束能重合，安装扩束镜或准直器，调节扩束镜或准直器的高度和方向，将激光调至水平状态，在光学平台上，调节扩束镜或准直器距离激光器的距离，将光斑调整至设定的大小范围后固定扩束镜；

步骤(3)、将待测物体放置在石英垫片上，套在保温装置中，加热片嵌在保温装置中通过线路连接加热箱；

步骤(4)、搭建数据采集***；

步骤(5)、观察干涉图样，微调激光器，使激光器发出的激光平行于水平面，并打在45°半透半反镜预留位置的中央，通过调节45°半透半反镜和反射镜的镜面角度使得45°半透半反镜和反射镜的水平入射光束和反射光束能重合；或微调待测物体、反射镜直至干涉图样形状清晰，反射镜到45°半透半反镜的距离不等于45°半透半反镜到石英材料基准面的距离；

步骤(6)、打开加热装置，根据设定好的温度曲线控制样品温度，并记录这个过程中条纹状态；

步骤(7)、得到待测物体上表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数或者条纹移动数k₁′-k₁、待测物体下表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数或者条纹移动数k₂′-k₂；

根据所述圆斑吞吐数或者条纹移动数k₁′-k₁求得待测物体的轴向伸长量，进而计算出待测物体的热膨胀系数；根据所述圆斑吞吐数或者条纹移动数k₂′-k₂求得待测物体的折射率改变量Δn，进而计算出待测物体的温度折射率系数。

优选地，所述的根据所述圆斑吞吐数或者或条纹移动数求得待测物体的轴向伸长量，进而计算出待测物体的热膨胀系数，包括：

将k₁′-k₁代入公式(7)求得待测物体的轴向伸长量l₂′-l₂：

2n₀(l₂′-l₂)＝(k₁′-k₁)λ (7)

n₀为空气的折射率，λ为激光器发出的激光的波长；

将通过空白实验得到的k₃′-k₃代入公式(7)求得l₄′

计算出待测物体的轴向伸长量dl＝l₂′-l₂-l₄′。

根据测量过程中记录的温度值，利用公式(3)求得待测物体的热膨胀系数α：

l表示固体材料的初始长度，t表示温度。

优选地，所述的根据所述圆斑吞吐数或者条纹移动数k₂′-k₂求得待测物体的折射率改变量Δn，进而计算出待测物体的温度折射率系数，包括：

将k₂′-k₂代入公式(12)求得待测物体的折射率改变量Δn

2n₀(l₂′-l₂)+2n(l₃′-l₃)+2Δnl₃′+2n(l₄-l₄′)-2Δnl₄′＝(k₂′-k₂) (12)

根据测量过程中记录的温度值和待测物体的折射率改变量Δn，利用公式(4)求得待测物体的温度折射率系数：

其中，n表示固体材料的折射率，t表示温度；

另外，该装置也可通过单独测量反射镜反射的光束与经待测物体上表面反射的干涉级数变化来测得物体的温度折射率系数。

优选地，所述数据采集***由毛玻璃与摄像机或CCD组成，使用毛玻璃与摄像机的组合时，将干涉图样通过反射镜反射在毛玻璃上，用摄像机进行录像；使用CCD时，通过CCD将干涉图样转化为数字信号显示在电脑上，进行录屏。

优选地，所述的步骤7具体包括：

第一步，利用opencv进行视频切帧及处理，获得各个帧图像；

第二步，对帧图像进行去噪处理；

第三步，对去噪处理后的图像进行二值化操作处理；

第四步，识别二值化操作处理后的图像是圆斑还是条纹并进行计数；

若识别对象为圆斑，则得到干涉圆斑的圆心坐标后，取圆心周围8个点像素值的平均值作为纵坐标，绘制其随帧数的变化曲线，计算曲线的波峰数量得到圆斑吞吐数；

若识别对象为条纹，采用deepsort跟踪算法实现对某一根条纹的位置跟踪，对该条纹变化量进行计数，计算其经过的条纹个数，用计算机拟合条纹个数随视频帧数的变化曲线，计算曲线超过实验所设定的阈值的波峰数即为条纹吞吐；

由此得到待测物体上表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数或者条纹移动数k₁′-k₁、待测物体下表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数或者条纹移动数k₂′-k₂。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例方案结合了迈克尔逊和菲索干涉的原理和设计，能够在同一升温过程中同时测量轴向长度和折射率的改变量，同时提高了装置灵敏度，具有测量便捷、精度高的优点。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数方案的实验装置图；

图2为现有技术中的一种测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数方案的样品与光路设计图；

图3为本发明实施例提供的一种同时测量透明物体热膨胀系数和温度折射率系数装置的实验光路图；

图4为本发明实施例提供的一种同时测量透明物体热膨胀系数和温度折射率系数装置的实验光路中各个装置的立体使用状态图；

图5为本发明实施例提供的一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的***的部分光路示意图；

图6为本发明实施例提供的一种计算机图像处理算法的处理流程图；

图7为本发明实施例提供的一种中心圆斑变化示意图。

图中，1-激光器；2-扩束镜或准直器；3-待测物体；4-石英垫片；5-45°半透半反镜；6-观察屏；7-保温装置；8-加热装置；9-反射镜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一：

热变形原理包括：透光材料随着温度改变(上升或下降)其内部分子排列会发生变化，其在宏观上表现各个方向上长度发生微小的变化(膨胀或者收缩)。当固体材料的温度上升时，其结构体积会因此而增加。从微观上来说，固体分子通常是紧密排列的，随着温度的上升，分子开始以更快的速度振动，并相互推挤。这一过程使相邻原子间的距离增大，引起固体发生膨胀，进而使固体结构的体积增大。固体在轴向长度变化是温度的线性函数，单位温度改变下长度的增加量与原长度的比值叫做线膨胀系数，计算公式如下：

其中，l表示固体材料的初始长度，t表示温度。α作为待测量的线膨胀系数，是固体线膨胀系数。

同时，随着温度升高引起分子间结构的改变也导致材料折射率发生改变。材料折射率将受到作用相反的两个因素的影响：一方面由于温度上升，玻璃受热膨胀使密度减小，折射率下降；另一方面由于温度升高，导致阳离子对O^2-的作用减小，极化率增加，使折射率变大。且电子振动的本征频率随温度上升而减小，使因本征频率重叠而引起的紫外吸收极限向长波方向移动，折射率上升。材料折射率与温度相关，在不引起应力的情况下，温度每变化1℃，折射率的变化量称为折射率的温度折射率系数，计算公式为：

其中，n表示固体材料的折射率，t表示温度。

本发明通过测量线膨胀系数和温度折射率系数来探究热效应机理，从而应用于行政、精密仪器修正等方面。

迈克尔逊和菲索干涉测透光材料的折射率原理包括：两列频率相同，振动方向相同和相位差恒定的相干光在空间相交区域将会发生相互加强或减弱现象，即光的干涉现象。根据光的干涉图样的变化与光程差、波长的关系式可以推出微小长度变化(光波波长数量级)和微小角度变化。

当激光***为激光器和扩束镜时，形成的光源为点光源，且反射镜和样品表面完全垂直时为等倾干涉，其干涉光可以在屏幕上接收为圆环形的等倾干涉条纹；当激光***为激光器和准直器时，形成的光源为平行光源，且反射镜和样品表面不垂直时是等厚干涉，可以得到以等厚交线为中心对称的直条纹。对于不同的样品，可择其干涉效果最佳的方式。

直条纹相比于圆环更加能够显示待测物体上表面每一点的平移和折射率变化量、角度变化方向和大小，但测量难度比圆环大。综上，具有各向异性的物体，在不同方向上的热膨胀系数、折射率等都是不同的，适合使用等厚交线为中心对称的直条纹观察不同方向上的热膨胀系数、温度折射率系数；具有各向同性的物体，在不同方向上的热膨胀系数、折射率等都是相同的，适合使用圆环形的等倾干涉条纹观察其热膨胀系数、温度折射率系数。

表2干涉圆环和条纹的比较

上述表2说明如下：

当产生圆环光斑时，通过圆环光斑的吞吐数，计算得到待测物体上表面反射的光束的平移和折射率变化量；通过圆环光斑的圆心移动方向，计算待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化方向；通过圆环光斑的圆心移动距离，根据标定数据得到待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化大小；通过圆环光斑的圆环的形状的变化，可知待测物体反射的光束的不同位置的平移和折射率发生变化。

当产生条纹时，通过条纹的平移计算条纹级次的变化，计算得到上表面平移和折射率变化量；通过条纹的斜率改变，可知待测物体上表面反射的光束的角度发生变化；通过条纹的密度改变，计算的带待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化的大小；通过条纹的不同位置条纹的变化，计算得到待测物体上表面角度变化大小、上表面平移和折射率变化量。

本发明实施例提供的一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数装置的实验光路图如图3所示，实验光路中各个装置的立体使用状态图如图4所示，上述装置包括通过光路连接的激光光源***、迈克尔逊菲索干涉***、温控***和数据采集***。

所述激光光源***包括激光器、扩束镜或准直器，所述迈克尔逊菲索干涉***包括1个45°半透半反镜、2个光学平面反射镜和待测物体；所述温控***包括保温装置、加热装置和石英材料，所述石英材料作为实验基准面，同时用于隔热。所述保温装置和所述加热装置连接，所述待测物体放置在所述保温装置中，所述保温装置设置在石英垫片上，所述数据采集***放置在所述45°半透半反镜的上方。所述数据采集***包括毛玻璃、摄像机和处理器；或者包括电荷耦合器件CCD相机和处理器。

所述温控***、所述45°半透半反镜和所述数据采集***构成垂直方向的光路，所述激光器、所述扩束镜或准直器、所述45°半透半反镜和所述反射镜构成水平方向的光路。

上述装置可以用于同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的实验，基于图3和图4的光路图，本发明实施例提供的一种同时测量透明物体热膨胀系数和温度折射率系数的方法的处理流程包括如下的处理步骤：

步骤(1)、在光学平台上安装该***。首先安装激光器，将其固定在光学平台上。打开激光器电源，调节激光器的俯仰角，使其出射光平行于光学平台。

步骤(2)、在光路中安装反射镜，调节水平方向反射镜使水平入射光束和反射光束重合，即激光器射出光线经反射镜原路返回。再挡住水平反射镜，安装45°半透半反镜并调节其镜面角度使得45°半水平入射光束和反射光束能重合。安装扩束镜，调节其高度和方向，将激光调至水平状态。在光学平台上，调节扩束镜距离激光器的距离，将光斑调整至设定的大小范围后固定扩束镜。

步骤(3)、将待测物体放置在石英垫片上，套在保温装置中，加热片嵌在保温装置中，通过线路连接加热箱，加热箱独立于光路外。

步骤(4)、搭建包括摄像机的数据采集***，安装观察屏，并架置好摄像机，使其能清晰拍摄到观测屏上的图像。

步骤(5)、查看观察屏上干涉图样，为使成像更清晰，可以微调激光器，使其发出的激光平行于水平面，并打在45°半透半反镜预留位置的中央，通过调节45°半透半反镜和反射镜的镜面角度使得45°半透半反镜和反射镜的水平入射光束和反射光束能重合；或微调待测物体、反射镜等直至干涉图样形状清晰、符合要求，值得注意的是，应保证反射镜到45°半透半反镜的距离不等于45°半透半反镜到石英材料基准面的距离。

步骤(6)、打开加热装置和摄像机，从保温装置内的温度升温至设定温度后进行保温，待保温装置的温度稳定后，摄像机将以录像的方式获得观察屏上显示干涉图样吞吐变化影像。

步骤(7)、数据处理。图像测量技术作为一种新兴的精密测量技术，具有高分辨率、高速度、动态范围大、信息量丰富和自动化等诸多优点，目前已逐渐广泛应用于各种工业测量当中。本发明实验结合迈克尔逊干涉仪的高精密度和图像测量技术的上述优势，旨在实现折射率的非接触、高精度、大范围、高自动化的实时测量。

在计算机上打开所述视频数据，将视频数据转码成图像，对图像进行降噪以及二值化处理，若为圆斑，则找到圆形干涉中心位置及当前帧下最小圆半径，根据半径变化图像上产生的波峰波谷数确定圆斑吞吐数；若为条纹，则捕获条纹的位置变化量。由此可得到待测物体上表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数(条纹移动数)k₁′-k₁、待测物体下表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数(条纹移动数)k₂′-k₂。

更改光源为准直光，保证其他装置不变的情况下，重复步骤(2)至步骤(7)，可以通过等厚干涉级数变化来同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数。

在实际应用中，还可以搭建由毛玻璃与摄像机组成的数据采集***，将干涉图样通过反射镜反射在毛玻璃上，用摄像机进行录像。

还可以将数据采集***中观察屏设置为CCD，通过CCD将干涉图样转化为数字信号显示在电脑上，使其能在电脑画面中清晰呈现干涉图像。

保证其他装置不变的情况下，重复步骤(1)至步骤(7)，仍可以同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数。

根据以上步骤分别计算单种材质的物体的热膨胀系数和温度折射率系数，并对该种样品多次测量，求解结果时通过求解平均值降低误差。并以上述方法求出多种材料的热膨胀系数和温度折射率系数。

在实际应用中，还可以更改光源为准直光，保证其他装置不变的情况下，重复步骤(2)至步骤(7)，可以通过等厚干涉级数变化来同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数；

在实验过程中，我们发现干涉圆环存在波动、连吞连吐等情况，人为观察极为不易；再加上整个实验持续时间较长，导致人为读数时间冗长，故采用计算机图像处理技术以达到快速便捷观察圆环吞吐、条纹移动的目的。

本发明实施例提供的一种计算机图像处理算法的处理流程如图6所示，包括以下处理步骤：

步骤S1：利用opencv进行视频切帧及处理。要注意拍摄的等倾条纹一定居中且曝光均匀，否则不利于后续图像处理和计数。

步骤S2：主要对图片进行去噪以便于识别图像特征。本实验中采用Motion滤波器增强图像的边缘和轮廓等高频信息，并保留图像内容的低频信息,提高了边界条纹清晰度。

步骤S3：进行二值化操作，由于在摄像过程中，实验的干涉图像的亮度会存在明显的波动，若不进行二值化处理将难以规定形状拟合的标准，因此二值化处理有极大必要。本实验采用自适应阈值算法对图片进行二值化处理,使之成为只有0和255两种灰度的图像排除干涉图像以外的干扰背景图像。

步骤S4：识别上述得到的图像是圆斑还是条纹并进行计数。

若识别对象为圆斑，则得到干涉圆斑的圆心坐标后，取圆心周围8个点像素值的平均值作为纵坐标，绘制其随帧数的变化曲线，计算曲线的波峰数量得到圆斑吞吐数。

最终所读取信息凭借以下准则可得到圆斑吞吐数：

1.若拟合处理后的曲线存在平滑的波峰和波谷，没有瞬间产生极大变化，则说明识别对象没有发生更改，是同一级次中心圆斑，所以并没有出现圆斑的吞吐；

2.若拟合处理后的曲线存在瞬时的增大或减小的趋势(忽略坏值)，则说明识别对象更改，有圆斑的吞入或吐出。当出现骤降则说明识别对象半径突然减小，说明内部出现新中心圆斑，因此为吐出；图7为本发明实施例提供的一种中心圆斑变化示意图，当出现骤增则说明识别对象半径突然增大，说明内部中心圆斑消失，原来外部圆斑变为新的中心圆斑，因此为吐出。

若识别对象为条纹，采用deepsort跟踪算法实现对某一根条纹的位置跟踪，对该条纹变化量进行计数，计算其经过的条纹个数。用计算机拟合条纹个数随视频帧数的变化曲线，计算曲线超过实验所设定的阈值的波峰数即为条纹吞吐。

由此可得到待测物体上表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数(条纹移动数)k₁′-k₁、待测物体下表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数(条纹移动数)k₂′-k₂。

本发明实施例提供的一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的***的部分光路示意图如图5所示。激光器发射的激光透过扩束镜形成光斑，以便于形成干涉的图像更易于观察。随后激光通过45°半透半反镜分为两束光，一束光经过水平方向的光路通过反射镜、半反镜最终到达观察屏；另一束经过垂直方向的光路经由45°半透半反镜下表面向下传播，分别经待测物体上、下表面反射分为两束光，两束反射光束再分别通过45°半透半反镜到达观察屏。

经反射镜反射的光束、经待测物体上表面反射的光束和经待测物体下表面反射的光束，这三束光在观察屏上两两产生干涉，在观察屏上产生圆环光斑和条纹。通过实际实验发现，经待测物体上下、表面反射的光束产生的干涉光强最小，反射镜反射的光束与经待测物体下表面反射的光强次之，反射镜反射的光束与经待测物体上表面反射的光束最强。其中，通过同时测量物体上下表面反射的光束产生的干涉级数变化、反射镜反射的光束与经待测物体下表面反射的干涉级数变化，可同时得到物体热膨胀系数和温度折射率系数；除此以外，同时测量反射镜反射的光束与经待测物体上表面反射的干涉级数变化、反射镜反射的光束与经待测物体下表面反射的干涉级数变化也可同时得到物体热膨胀系数和温度折射率系数。

当激光***为激光器和扩束镜时，形成的光源为点光源，且反射镜和样品表面完全垂直时为等倾干涉，其干涉光可以在屏幕上接收为圆环形的等倾干涉条纹；当激光***为激光器和准直器时，形成的光源为平行光源，且反射镜和样品表面不垂直时是等厚干涉，可以得到以等厚交线为中心对称的直条纹。对于不同的样品，可择其干涉效果最佳的方式。

直条纹相比于圆环更加能够显示待测物体上表面每一点的平移和折射率变化量、角度变化方向和大小，但测量难度比圆环大。综上，具有各向异性的物体，在不同方向上的热膨胀系数、折射率等都是不同的，适合使用等厚交线为中心对称的直条纹观察不同方向上的热膨胀系数、温度折射率系数；具有各向同性的物体，在不同方向上的热膨胀系数、折射率等都是相同的，适合使用圆环形的等倾干涉条纹观察其热膨胀系数、温度折射率系数。

表2干涉圆环和条纹的比较

以室温下石英垫片的上表面为基准面，该基准面不会随温度的改变而改变，是固定的。图3中l₁为半透半反镜到反射镜的距离，l₂为半透半反镜到待测物体上表面的距离，l₃为待测物体上表面到基准面的距离，考虑到石英垫片受热也会有更微小的形变，定义l₄是待测物体下表面距离基准面的距离，室温时为0。

经反射镜反射的光束和经待测物体上表面反射的光束产生的干涉为：

经反射镜反射的光束和经待测物体上表面反射的光束之间的光程差与干涉条纹k之间有如下关系：

其中，n₀为空气的折射率，λ为激光器发出的激光的波长，k₁为条纹级次。

式中l、k均随温度的变化而变化，所以有：

其中，l₂′为加热后半透半反镜到待测物体上表面的距离，k₁′为加热后的条纹级次。

(5)式减(6)式得：

2n₀(l₂′-l₂)＝(k₁′-k₁)λ (7)

这里通过圆斑的吞吐个数或者条纹移动数k′-k可以计算出l₂′-l₂。

经反射镜反射的光束和经待测物体下表面反射的光束产生的干涉：

首先，暂时不考虑由于待测物体下方的石英垫片受热产生的膨胀，即认为待测物体下表面固定不动。

经反射镜反射的光束和经待测物体下表面反射的光束之间的光程差与干涉条纹k之间有如下关系：

δ＝2n₀l₂+2nl₃-2n₀l₁＝k₂λ (8)

其中，n₀为空气的折射率，n为被测样品折射率，λ为激光器发出的激光的波长。

式中l₂、n、l₃、k均随温度的变化而变化，所以有：

δ′＝2n₀l₂′+2n′l₃′-2n₀l₁＝k₂′λ (9)

其中，l₂′为加热后半透半反镜到待测物体上表面的距离，l₃′为加热后待测物体上表面到基准面的距离，k₂′为加热后的条纹级次。

(8)式减(9)式得：

2n₀(l₂′-l₂)+2n′l₃′-2nl₃＝(k₂′-k₂)λ (10)

令n′＝n+Δn，可得：

2n₀(l₂′-l₂)+2n(l_a′-l₃)+2Δnl₃′＝(k₂′-k₂)λ (11)

易知l₂+l₃为定值，恒等于半透半反镜到基准面的距离，所以l₂′-l₂＝-(l₃′-l₃)。由(5)式可知l₂′-l₂，同时l₃也易得，为初始温度对应的厚度，故只需通过图像处理得到吞吐量k₂′-k₂，即可求得待测物体的折射率改变量Δn。

石英垫片的误差修正：待测物体下面垫有石英圆片。石英线膨胀系数比待测物体小一至二个数量级，故对实验影响较小但不容忽略。这相当于在假想的基准面不变的情况下，考虑到石英垫片(相当于待测物体下表面)距离基准面的距离l₄，室温时为0，随着温度的升高，l₄的值有可能不再为0。

修正的原理与反射镜与上表面反射的光束产生的干涉的原理相似，这里直接给出在公式(5)基础上修正的公式：

2n₀(l₂′-l₂)+2n(l₃′-l₃)+2Δnl₃′+2n(l₄-l₄′)-2Δnl₄′＝(k₂′-k₂)λ (12)

其中，l₄-l₄′、l₄′(l₄初始为0)均可由空白实验求出，n表示被测样品折射率。

综上，只需要得到圆斑吞吐数(条纹移动数)k₁′-k₁、k₂′-k₂以及空白实验中的k₃′-k₃，即可计算出一定温度范围内Δn的值，进而可以计算出待测物体的热膨胀系数和温度折射率系数。

待测物体表面倾角原理：若为圆斑干涉图样，则光斑圆心的移动代表待测物体表面产生微小倾角，通过标定，可以得到倾角的大小和在二维平面圆斑圆心移动的方向的关系。使用螺旋测微器对角度进行标定。先使螺旋测微仪水平放置，将待测物体放在测微器平面上，按照同一方向(顺时针或逆时针方向)进行旋转使台面升高，此时可以观察到观察屏内的圆心移动的距离记为Δx，记录前后两次的垂直高度变化之差为Δh，记螺旋侧微仪角度变化支点到升降点的距离为L_s，由此计算可得角度变化，记为Δθ。

若为条纹干涉图样，则条纹的斜率变化代表待测物体表面产生微小倾角，通过标定，可以得到倾角的大小和与斜率变化的关系。使用螺旋测微器对角度进行标定。先使螺旋测微仪水平放置，将待测物体放在测微器平面上，按照同一方向(顺时针或逆时针方向)进行旋转使台面升高，此时可以观察到观察屏内的条纹斜率变化为Δα，记录前后两次的垂直高度变化之差为Δh，记螺旋侧微仪角度变化支点到升降点的距离为L_s，由此计算可得角度变化，记为Δθ。

为了消除石英垫片受热膨胀和其他因素的影响，先进行空白实验，实验装置不变，实验步骤不变，仅将待测物体拿去。空白实验的原理与反射镜与上表面反射的光束产生的干涉的原理相似，这里直接给出公式：

2n₀(l₄′-l₄)＝(k₃′-k₃)λ (13)

据此可得l₄′-l₄，作为公式(9)的一个已知量。

为了增加***性、易操作性和美观性，将上述装置集成在亚克力板所制作的***里，用光学底座固定在光学平台上。集成后的装置只需要每次调节激光和扩束镜的位置使光线准直，并打在半透半反镜的中央，打开加热装置和摄像机，即可实现实验测量。现对装置中的各个部件之间的连接关系和结构特征做如下说明：

步骤(1)将待测物体放进加热装置的石英垫片上，打开氦氖激光器电源，调节激光器俯仰角，将激光调至水平状态，光束对准45°半透半反镜中心位置。

步骤(2)微调待测物体、45°半透半反镜、反射镜使干涉图样形状良好，易于观察。

步骤(3)打开加热装置和摄像机，从保温装置内的温度升温至设定温度后进行保温，待保温装置的温度稳定后，摄像机将以录像的方式获得观察屏上显示干涉图样吞吐变化影像。

步骤(4)在计算机上打开视频数据，用图像处理的相关代码将视频数据以60帧每秒的速度转码成图像，对图像进行降噪以及二值化处理，对每帧图像进行处理，可以得到待测物体上表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数(条纹吞吐数)k₁′-k₁、下表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数(条纹吞吐数)k₂′-k₂。

步骤(5)将k₁′-k₁代入公式(7)即可求得待测物体的轴向伸长量l₂′-l₂，再通过空白实验求出的l₄′(空白实验得到的k₃′-k₃代入公式(7)即可求得l₄′)，计算l₂′-l₂-l₄′，根据公式(3)即可得到待测物体的热膨胀系数。将k₂′-k₂代入公式(12)即可求得待测物体的折射率改变量Δn，再代入公式(4)即可得到待测物体的温度折射率系数。

步骤(6)更换不同的样品，重复步骤(3)-(6)，得到多组数据。

本发明实施例方案对样本形状要求不高，较为平整即可，也不需要粘连。且采用干涉圆斑吞吐数(或条纹移动数)来计算热膨胀系数和温度折射率系数，相对于条纹是易于计算机化的。

综上所述，本发明实施例通过将迈克尔逊和菲索干涉结合，利用反射镜和样本的两个表面能够在同一升温过程中同时测量轴向长度和折射率的改变量，可同时测量材料热膨胀系数和温度折射率系数，从而探究热变形机理，应用于刑侦、精密仪器修正等方面。相对于其他技术操作和装置均较为复杂，本技术可以较为简单地同时测量出透明物体受热时热膨胀系数和温度折射率系数的改变。

为保证测量的精密性，本发明摒弃了传统装置中采用的升温测量技术，采用降温过程采集数据，在极大程度上避免了空气扰动对实验精确度的影响。

本申请采用Motion滤波器以及自适应阈值算法二值化增强图像信息。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及***实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的***，其特征在于，包括：通过光路连接的激光光源***、迈克尔逊菲索干涉***、温控***和数据采集***；

所述激光光源***包括激光器、扩束镜或准直器，所述迈克尔逊菲索干涉***包括45°半透半反镜、反射镜和待测物体；所述温控***包括保温装置、加热装置和石英材料，所述石英材料作为实验基准面，所述保温装置和所述加热装置连接，所述待测物体放置在所述保温装置中，所述保温装置设置在石英垫片上，所述数据采集***放置在所述45°半透半反镜的上方；

所述温控***、所述45°半透半反镜和所述数据采集***构成垂直方向的光路，所述激光器、所述扩束镜或准直器、所述45°半透半反镜和所述反射镜构成水平方向的光路。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，通过调节激光器、扩束镜或准直器的位置使激光器发出的激光准直打在45°半反射镜预留位置的中央，通过调节45°半反射镜的镜面角度使得45°半反射镜的水平入射光束和反射光束能重合；

反射镜到45°半反射镜的距离不等于45°半反射镜到石英材料基准面的距离。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，激光器发射的激光透过扩束镜或准直器、45°半透半反镜后分为两束光，一束光通过反射镜、45°半透半反镜最终到达观察屏；另一束光由45°半透半反镜反射分别至待测物体上、下表面，分为两束光，这两束光再通过45°半透半反镜到达观察屏；

经反射镜反射的光束、经待测物体上表面反射的光束和经待测物体下表面反射的光束，这三束光在观察屏上两两产生干涉，在观察屏上产生圆环光斑或者条纹。

4.根据权利要求1所述的***，当激光***为激光器和扩束镜时，形成的光源为点光源，且反射镜和样品表面完全垂直时为等倾干涉，其干涉光在观测屏上显示为圆环形的等倾干涉条纹；当激光***为激光器和准直器时，形成的光源为平行光源，且反射镜和样品表面不垂直时是等厚干涉，其干涉光在观测屏上显示为以等厚交线为中心对称的直条纹。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于：

当产生圆环光斑时，通过圆环光斑的吞吐数，计算得到待测物体上表面反射的光束的平移和折射率变化量；通过圆环光斑的圆心移动方向，计算待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化方向；通过圆环光斑的圆心移动距离，根据标定数据得到待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化大小；通过圆环光斑的圆环的形状的变化，可知待测物体反射的光束的不同位置的平移和折射率发生变化；

当产生条纹时，通过条纹的平移计算条纹级次的变化，计算得到上表面平移和折射率变化量；通过条纹的斜率改变，可知待测物体上表面反射的光束的角度发生变化；通过条纹的密度改变，计算的带待测物体上表面反射的光束的上表面角度变化的大小；通过条纹的不同位置条纹的变化，计算得到待测物体上表面角度变化大小、上表面平移和折射率变化量。

6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，对于具有各向异性的物体，激光***采用激光器和准直器，使用等厚交线为中心对称的直条纹观察其不同方向上的热膨胀系数、温度折射率系数；

对于具有各向同性的物体，激光***采用激光器和扩束镜，使用圆环形的等倾干涉条纹观察其热膨胀系数、温度折射率系数。

7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述保温装置为圆柱形，扣放在石英垫片上，对保温装置的表面进行穿孔，孔径与光斑大小接近；

所述加热装置包括加热片、控温器和温度探头，所述加热片贴在圆柱形不锈钢制品上，卡放在圆柱外壳中，所述加热片通过电线连接控温器进行加热，由温控器来调节加热片温度，所述温度探头由上部小孔深入圆柱外壳内部，将温度数据传回控温器。

8.一种同时测量物体热膨胀系数和温度折射率系数的方法，其特征在于，适用于权利要求1至7任一项所述的***，所述方法包括：

步骤(1)、在光学平台上安装该***，将激光器固定在光学平台上，打开激光器电源，调节激光器的俯仰角，使激光器发出的激光平行于光学平台；

步骤(2)、在光路中安装反射镜，调节反射镜使入射光束和反射光束重合，再挡住水平反射镜，安装45°半透半反镜并调节其镜面角度使得45°半透半反镜水平入射光束和反射光束能重合，安装扩束镜或准直器，调节扩束镜或准直器的高度和方向，将激光调至水平状态，在光学平台上，调节扩束镜或准直器距离激光器的距离，将光斑调整至设定的大小范围后固定扩束镜；

步骤(3)、将待测物体放置在石英垫片上，套在保温装置中，加热片嵌在保温装置中通过线路连接加热箱；

步骤(4)、搭建数据采集***；

步骤(5)、观察干涉图样，微调激光器，使激光器发出的激光平行于水平面，并打在45°半透半反镜预留位置的中央，通过调节45°半透半反镜和反射镜的镜面角度使得45°半透半反镜和反射镜的水平入射光束和反射光束能重合；或微调待测物体、反射镜直至干涉图样形状清晰，反射镜到45°半透半反镜的距离不等于45°半透半反镜到石英材料基准面的距离；

步骤(6)、打开加热装置，根据设定好的温度曲线控制样品温度，并记录这个过程中条纹状态；

步骤(7)、得到待测物体上表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数或者条纹移动数k₁′-k₁、待测物体下表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数或者条纹移动数k₂′-k₂；

根据所述圆斑吞吐数或者条纹移动数k₁′-k₁求得待测物体的轴向伸长量，进而计算出待测物体的热膨胀系数；根据所述圆斑吞吐数或者条纹移动数k₂′-k₂求得待测物体的折射率改变量Δn，进而计算出待测物体的温度折射率系数。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述的根据所述圆斑吞吐数或者或条纹移动数求得待测物体的轴向伸长量，进而计算出待测物体的热膨胀系数，包括：

将k₁′-k₁代入公式(7)求得待测物体的轴向伸长量l₂′-l₂：

2n₀(l₂′-l₂)＝(k₁′-k₁)λ (7)

n₀为空气的折射率，λ为激光器发出的激光的波长；

将通过空白实验得到的k₃′-k₃代入公式(7)求得l₄′；

计算出待测物体的轴向伸长量dl＝l₂′-l₂-l₄′；

根据测量过程中记录的温度值，利用公式(3)求得待测物体的热膨胀系数α：

l表示固体材料的初始长度，t表示温度。

10.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述的根据所述圆斑吞吐数或者条纹移动数k₂′-k₂求得待测物体的折射率改变量Δn，进而计算出待测物体的温度折射率系数，包括：

将k₂′-k₂代入公式(12)求得待测物体的折射率改变量Δn

2n₀(l₂′-l₂)+2n(l₃′-l₃)+2Δnl₃′+2n(l₄-l₄′)-2Δnl₄′＝(k₂′-k₂)) (12)

根据测量过程中记录的温度值和待测物体的折射率改变量Δn，利用公式(4)求得待测物体的温度折射率系数：

其中，n表示固体材料的折射率，t表示温度；

另外，该装置也可通过单独测量反射镜反射的光束与经待测物体上表面反射的干涉级数变化来测得物体的温度折射率系数。

11.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述数据采集***由毛玻璃与摄像机或CCD组成，使用毛玻璃与摄像机的组合时，将干涉图样通过反射镜反射在毛玻璃上，用摄像机进行录像；使用CCD时，通过CCD将干涉图样转化为数字信号显示在电脑上，进行录屏。

12.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述的步骤7具体包括：

第一步，利用opencv进行视频切帧及处理，获得各个帧图像；

第二步，对帧图像进行去噪处理；

第三步，对去噪处理后的图像进行二值化操作处理；

第四步，识别二值化操作处理后的图像是圆斑还是条纹并进行计数；

若识别对象为圆斑，则得到干涉圆斑的圆心坐标后，取圆心周围8个点像素值的平均值作为纵坐标，绘制其随帧数的变化曲线，计算曲线的波峰数量得到圆斑吞吐数；

若识别对象为条纹，采用deepsort跟踪算法实现对某一根条纹的位置跟踪，对该条纹变化量进行计数，计算其经过的条纹个数，用计算机拟合条纹个数随视频帧数的变化曲线，计算曲线超过实验所设定的阈值的波峰数即为条纹吞吐；

由此得到待测物体上表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数或者条纹移动数k₁′-k₁、待测物体下表面与反射镜干涉形成的圆斑吞吐数或者条纹移动数k₂′-k₂。

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