激光衍射在工程测量中的创新应用

唐建明,周蔚

重庆交通大学国际学院

激光衍射在工程测量中的创新应用

唐建明,周蔚

重庆交通大学国际学院

激光衍射测量法利用衍射条纹的位置及间距与缝宽存在的反比关系，已广泛的应用于狭缝宽度，细丝直径等微小量的测量，但其在工程实际测量中并无应用。本文提出了工程实际中构件微小线应变、微小振动幅度与频率等重要物理量的激光衍射测量方法并设计出了相关测量系统，具有操作简单、对测量对象无损伤、精确度高、自动化测量等优点，可以广泛应用于工程实际中的测量。

激光衍射；微小线应变；微小振动；工程测量

1 引言

当一束激光照射单缝时，将发生夫琅禾费单缝衍射，衍射条纹清晰明亮，可以通过测量衍射条纹，再利用衍射条纹的位置及间距与缝宽存在的反比关系，推算单缝的宽度。由于这种间接测量法能够测量传统机械测量仪器（螺旋测微器和游标卡尺等）无法测量的更小尺寸，并且拥有非接触，自动化测量，精度高等优点，在狭缝宽度的测量[1]，细丝直径的测量[2]，金属线膨胀系数的测量[3]等的测量中已有广泛应用。但在工程测量中，激光衍射的测量方法还没有得到应用，本文将介绍工程实际中构件微小线应变、微小振动幅度与频率等重要物理量的激光衍射测量方法和相关测量系统。

2 理论模型

夫琅禾费单缝衍射实验装置如图1所示，激光源S射出平行光照在单缝上，在距离缝L处放置一接收屏，接收屏位于透镜焦平面处，接收屏上将出现衍射图样。

图1 夫琅禾费单缝衍射实验装置图

设a为缝宽，当满足条件L＞＞a时，根据夫琅禾费单缝衍射公式[4]，暗纹条件是：

式中θ为衍射角，λ为激光波长，k为暗纹级数；当θ很小时，若第k级暗纹位置为xk，则：

将2式带入1式可得：

这就是缝宽的计算公式，式中L、λ均已知，实验时测出k级暗纹对应的坐标xk代入式中即可得到缝宽大小，并且不难看出a越小，xk越大，相应测量精度也就越高。在工程实际中，大型构件受力后的微小应变及大型构件的微振动，可以通过缝宽的变化进行测量。

3 创新应用

3.1 构件的微小线应变的测量

图2 构件应变测量的实验装置图

大型构件在工作时将受载荷发生形变，将一对有棱缘的轻质测量块固定在待测构件上并形成狭缝，激光器垂直照射测量块狭缝，并在后方放一CCD接收屏，接收衍射条纹的光强信号，后连接图像采集器和计算机，将CCD传来的离散数字化图像存入计算机，然后通过计算机处理图像，得到相对准确的暗纹中心坐标。测量系统如图2所示。

设在初始状态下，棱缘的缝宽为a，构件原长为l,加载后，构件发生形变，固定在其上的测量块同时发生位移，导致棱缘间距发生变化，变为a∕。以Δa，Δl分别表示构件形变后棱缘间距的变化量即缝宽变化量和构件长度变化量，xk，x∕k分别为构件形变前后第k级暗纹的位置，利用3式可得到构件微小线应变的测量公式：

利用计算机得到的第k级暗纹中心坐标，带入上式即可计算出构件的微小线应变。

3.2 构件的微小振动频率及振幅的测量

图3 构件微小振动频率测量的实验装置图

设某重型构件在工作中发生了上下微振动，将一测量块固定在振动构件上，另一测量块固定在一不动的物体上，与前一测量块正对，形成一缝宽适当的狭缝，激光器垂直照射测量块狭缝，后方同样放置CCD接收屏，连接图像采集器和计算机。测量系统如图3所示。

由于构件的振动，缝宽将周期性地变化，CCD接收屏上的衍射图样也将周期性地变化，CCD元件接收到的信号频率，就是构件的微振动频率，可直接从计算机上获得。除此之外，可由信号变化的幅度算出微振动的振幅。即：

其中a∕为振动中的最大缝宽，a为最小缝宽；和xk分别为最大缝宽和最小缝宽时对应的第k级暗纹中心的坐标，可在计算机上读出，代入上式即可准确算出构件的振幅。

4 结语

本文提出了构件的微小线应变，微小振动的频率和振幅等工程中的重要物理量的的创新性测量方法，利用夫琅禾费单缝衍射定理，CCD技术和计算机，实现了工程中这些重要物理量的自动化测量。相比于传统的测量方法，其优势在于，操作简单，对待测构件无损伤，精确度高，并且尺寸越小越精确等，是一种可行的测量方法。在土木，机械等工程实际中，大型构件在工作中会产生微小线应变和微小振动，这些量的大小，反应了产品的质量等级，在工程实际中需要测量这些量，所以本文提出的测量方法可以在工程实际中广泛应用。

[1]杨述武.普通物理实验(一).(北京:高等教育出版社)，2007.第158-161页

[2]覃立平，赵子珍，莫玉香.实验科学与技术，2014（12）1-3

[3]邹艳.物理实验，2014（7）36-37

[4]周平，冯庆.大学物理(下册)(北京:科学出版社)，2015.第159-161

图1 中速磨煤机出力随时间变化图

图2 中速磨煤机出口温度随时间变化图

在对煤料进行增加时进行仿真实验，其初始选定的时间值以及煤料的增加量分别为100s以及55t∕h。于此同时其变化如图3以及图4所示。

图3 中速磨煤机出力随时间变化图

图4 中速磨煤机出口温度随时间变化图

3.2 中速磨煤机入口温度仿真分析

通过Matlab∕Simulink进行仿真将其初始入口温度值设定为293℃，在不受其他外界因素影响的情况下分别将温度降低45℃以及升高45℃，对出口温度受入口温度的影响进行仿真分析。分别如图5以及图6所示。

图5 降低入口温度仿真结果

图6 升高入口温度仿真结果

3.3 事故火灾对对出口温度的影响

根据事故火灾的数学模型对其进行仿真研究，发生火灾事故时其热量为400KJ∕s，我们将事故产生一直到着火事故设定值的时间设置成为10s，在不考虑其他外界因素的情况下对其进行仿真分析。如图7所示。

图7 事故火灾对出口温度的影响

4.结束语

文章主要针对于中速磨煤机进行了模型的建立，并且通过所建立的数学模型对其进行了仿真研究，对能够影响出口温度的三个不同的因素进行了细致的分析。

通过仿真结果能够很清楚的发现在对磨煤机给煤量进行改变的同时其出力也会随之变化，最后将会达到出力与给煤量相等的效果。依据图2以及图4可以很清楚的看出在给量增加时，中速磨煤机的出口温度随之降低，反之温度升高。在平时机器运行过程中，入口风温度的升高会对燃料起到较强的干燥作用，更加便于燃料的研磨，所以将热风门敞开最大的同时将冷风门关至最小能够更有效的提高出口温度进而提高煤料的利用率。通过图7也可以很容易看出当发生事故火灾时，出口温度将会不断升高，将严重影响到生产的正常运行[5]。同时通过对以上三种因素的仿真分析，为后续对中速磨煤机的改造奠定了良好的基础。

参考文献：

[1]郭鲁阳,郝卫东,马霜.MPS-212型中速磨煤机运行特性分析[J].山东电力技术,1998,1:94-95

[2]张建中.中速磨煤机计算中若干问题的探讨[J].电站系统工程,1997,13(3):33-39

[3]张安国.MPS、RP、E型中速磨煤机出力计算方法的实验研究[J].中国电力,1995,28(8):36-39

[4]石金兴，王泓.中速磨煤机的国产化及发展趋势[J].水利电力机械,2003,25(1):1-4

[5]肖文泽.HP-943中速磨煤机性能测试分析[J].热力发电, 1994,5:62-66

作者简介：李伟（1984-），汉，毕业于潍坊学院，本科。

唐建明（1996-），男，重庆交通大学，本科，机械设计制造及其自动化专业；

周蔚（1996-），女，重庆交通大学，本科，机械设计制造及其自动化专业。