激光衍射在工程測量中的創(chuàng)新應(yīng)用

唐建明,周蔚

重慶交通大學(xué)國際學(xué)院

激光衍射在工程測量中的創(chuàng)新應(yīng)用

唐建明,周蔚

重慶交通大學(xué)國際學(xué)院

激光衍射測量法利用衍射條紋的位置及間距與縫寬存在的反比關(guān)系，已廣泛的應(yīng)用于狹縫寬度，細(xì)絲直徑等微小量的測量，但其在工程實際測量中并無應(yīng)用。本文提出了工程實際中構(gòu)件微小線應(yīng)變、微小振動幅度與頻率等重要物理量的激光衍射測量方法并設(shè)計出了相關(guān)測量系統(tǒng)，具有操作簡單、對測量對象無損傷、精確度高、自動化測量等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于工程實際中的測量。

激光衍射；微小線應(yīng)變；微小振動；工程測量

1 引言

當(dāng)一束激光照射單縫時，將發(fā)生夫瑯禾費單縫衍射，衍射條紋清晰明亮，可以通過測量衍射條紋，再利用衍射條紋的位置及間距與縫寬存在的反比關(guān)系，推算單縫的寬度。由于這種間接測量法能夠測量傳統(tǒng)機(jī)械測量儀器（螺旋測微器和游標(biāo)卡尺等）無法測量的更小尺寸，并且擁有非接觸，自動化測量，精度高等優(yōu)點，在狹縫寬度的測量[1]，細(xì)絲直徑的測量[2]，金屬線膨脹系數(shù)的測量[3]等的測量中已有廣泛應(yīng)用。但在工程測量中，激光衍射的測量方法還沒有得到應(yīng)用，本文將介紹工程實際中構(gòu)件微小線應(yīng)變、微小振動幅度與頻率等重要物理量的激光衍射測量方法和相關(guān)測量系統(tǒng)。

2 理論模型

夫瑯禾費單縫衍射實驗裝置如圖1所示，激光源S射出平行光照在單縫上，在距離縫L處放置一接收屏，接收屏位于透鏡焦平面處，接收屏上將出現(xiàn)衍射圖樣。

圖1 夫瑯禾費單縫衍射實驗裝置圖

設(shè)a為縫寬，當(dāng)滿足條件L＞＞a時，根據(jù)夫瑯禾費單縫衍射公式[4]，暗紋條件是：

式中θ為衍射角，λ為激光波長，k為暗紋級數(shù)；當(dāng)θ很小時，若第k級暗紋位置為xk，則：

將2式帶入1式可得：

這就是縫寬的計算公式，式中L、λ均已知，實驗時測出k級暗紋對應(yīng)的坐標(biāo)xk代入式中即可得到縫寬大小，并且不難看出a越小，xk越大，相應(yīng)測量精度也就越高。在工程實際中，大型構(gòu)件受力后的微小應(yīng)變及大型構(gòu)件的微振動，可以通過縫寬的變化進(jìn)行測量。

3 創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 構(gòu)件的微小線應(yīng)變的測量

圖2 構(gòu)件應(yīng)變測量的實驗裝置圖

大型構(gòu)件在工作時將受載荷發(fā)生形變，將一對有棱緣的輕質(zhì)測量塊固定在待測構(gòu)件上并形成狹縫，激光器垂直照射測量塊狹縫，并在后方放一CCD接收屏，接收衍射條紋的光強(qiáng)信號，后連接圖像采集器和計算機(jī)，將CCD傳來的離散數(shù)字化圖像存入計算機(jī)，然后通過計算機(jī)處理圖像，得到相對準(zhǔn)確的暗紋中心坐標(biāo)。測量系統(tǒng)如圖2所示。

設(shè)在初始狀態(tài)下，棱緣的縫寬為a，構(gòu)件原長為l,加載后，構(gòu)件發(fā)生形變，固定在其上的測量塊同時發(fā)生位移，導(dǎo)致棱緣間距發(fā)生變化，變?yōu)閍∕。以Δa，Δl分別表示構(gòu)件形變后棱緣間距的變化量即縫寬變化量和構(gòu)件長度變化量，xk，x∕k分別為構(gòu)件形變前后第k級暗紋的位置，利用3式可得到構(gòu)件微小線應(yīng)變的測量公式：

利用計算機(jī)得到的第k級暗紋中心坐標(biāo)，帶入上式即可計算出構(gòu)件的微小線應(yīng)變。

3.2 構(gòu)件的微小振動頻率及振幅的測量

圖3 構(gòu)件微小振動頻率測量的實驗裝置圖

設(shè)某重型構(gòu)件在工作中發(fā)生了上下微振動，將一測量塊固定在振動構(gòu)件上，另一測量塊固定在一不動的物體上，與前一測量塊正對，形成一縫寬適當(dāng)?shù)莫M縫，激光器垂直照射測量塊狹縫，后方同樣放置CCD接收屏，連接圖像采集器和計算機(jī)。測量系統(tǒng)如圖3所示。

由于構(gòu)件的振動，縫寬將周期性地變化，CCD接收屏上的衍射圖樣也將周期性地變化，CCD元件接收到的信號頻率，就是構(gòu)件的微振動頻率，可直接從計算機(jī)上獲得。除此之外，可由信號變化的幅度算出微振動的振幅。即：

其中a∕為振動中的最大縫寬，a為最小縫寬；和xk分別為最大縫寬和最小縫寬時對應(yīng)的第k級暗紋中心的坐標(biāo)，可在計算機(jī)上讀出，代入上式即可準(zhǔn)確算出構(gòu)件的振幅。

4 結(jié)語

本文提出了構(gòu)件的微小線應(yīng)變，微小振動的頻率和振幅等工程中的重要物理量的的創(chuàng)新性測量方法，利用夫瑯禾費單縫衍射定理，CCD技術(shù)和計算機(jī)，實現(xiàn)了工程中這些重要物理量的自動化測量。相比于傳統(tǒng)的測量方法，其優(yōu)勢在于，操作簡單，對待測構(gòu)件無損傷，精確度高，并且尺寸越小越精確等，是一種可行的測量方法。在土木，機(jī)械等工程實際中，大型構(gòu)件在工作中會產(chǎn)生微小線應(yīng)變和微小振動，這些量的大小，反應(yīng)了產(chǎn)品的質(zhì)量等級，在工程實際中需要測量這些量，所以本文提出的測量方法可以在工程實際中廣泛應(yīng)用。

[1]楊述武.普通物理實驗(一).(北京:高等教育出版社)，2007.第158-161頁

[2]覃立平，趙子珍，莫玉香.實驗科學(xué)與技術(shù)，2014（12）1-3

[3]鄒艷.物理實驗，2014（7）36-37

[4]周平，馮慶.大學(xué)物理(下冊)(北京:科學(xué)出版社)，2015.第159-161

圖1 中速磨煤機(jī)出力隨時間變化圖

圖2 中速磨煤機(jī)出口溫度隨時間變化圖

在對煤料進(jìn)行增加時進(jìn)行仿真實驗，其初始選定的時間值以及煤料的增加量分別為100s以及55t∕h。于此同時其變化如圖3以及圖4所示。

圖3 中速磨煤機(jī)出力隨時間變化圖

圖4 中速磨煤機(jī)出口溫度隨時間變化圖

3.2 中速磨煤機(jī)入口溫度仿真分析

通過Matlab∕Simulink進(jìn)行仿真將其初始入口溫度值設(shè)定為293℃，在不受其他外界因素影響的情況下分別將溫度降低45℃以及升高45℃，對出口溫度受入口溫度的影響進(jìn)行仿真分析。分別如圖5以及圖6所示。

圖5 降低入口溫度仿真結(jié)果

圖6 升高入口溫度仿真結(jié)果

3.3 事故火災(zāi)對對出口溫度的影響

根據(jù)事故火災(zāi)的數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行仿真研究，發(fā)生火災(zāi)事故時其熱量為400KJ∕s，我們將事故產(chǎn)生一直到著火事故設(shè)定值的時間設(shè)置成為10s，在不考慮其他外界因素的情況下對其進(jìn)行仿真分析。如圖7所示。

圖7 事故火災(zāi)對出口溫度的影響

4.結(jié)束語

文章主要針對于中速磨煤機(jī)進(jìn)行了模型的建立，并且通過所建立的數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行了仿真研究，對能夠影響出口溫度的三個不同的因素進(jìn)行了細(xì)致的分析。

通過仿真結(jié)果能夠很清楚的發(fā)現(xiàn)在對磨煤機(jī)給煤量進(jìn)行改變的同時其出力也會隨之變化，最后將會達(dá)到出力與給煤量相等的效果。依據(jù)圖2以及圖4可以很清楚的看出在給量增加時，中速磨煤機(jī)的出口溫度隨之降低，反之溫度升高。在平時機(jī)器運行過程中，入口風(fēng)溫度的升高會對燃料起到較強(qiáng)的干燥作用，更加便于燃料的研磨，所以將熱風(fēng)門敞開最大的同時將冷風(fēng)門關(guān)至最小能夠更有效的提高出口溫度進(jìn)而提高煤料的利用率。通過圖7也可以很容易看出當(dāng)發(fā)生事故火災(zāi)時，出口溫度將會不斷升高，將嚴(yán)重影響到生產(chǎn)的正常運行[5]。同時通過對以上三種因素的仿真分析，為后續(xù)對中速磨煤機(jī)的改造奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭魯陽,郝衛(wèi)東,馬霜.MPS-212型中速磨煤機(jī)運行特性分析[J].山東電力技術(shù),1998,1:94-95

[2]張建中.中速磨煤機(jī)計算中若干問題的探討[J].電站系統(tǒng)工程,1997,13(3):33-39

[3]張安國.MPS、RP、E型中速磨煤機(jī)出力計算方法的實驗研究[J].中國電力,1995,28(8):36-39

[4]石金興，王泓.中速磨煤機(jī)的國產(chǎn)化及發(fā)展趨勢[J].水利電力機(jī)械,2003,25(1):1-4

[5]肖文澤.HP-943中速磨煤機(jī)性能測試分析[J].熱力發(fā)電, 1994,5:62-66

作者簡介：李偉（1984-），漢，畢業(yè)于濰坊學(xué)院，本科。

唐建明（1996-），男，重慶交通大學(xué)，本科，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)；

周蔚（1996-），女，重慶交通大學(xué)，本科，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)。