利用数字全息显微(DHM)技术测量磁流变液微观结构

摘要

数字全息(Digital Holography, DH)与显微技术(Microtechnique)相结合的数字全息显微(Digital Holographic Microscopy, DHM)技术可以实时地捕捉测量域的微观空间信息,通过全息图重建实现对测量目标的三维动态成像,所以被广泛应用于各种微尺度复杂流场及医学检测等诸多领域,是一种具有广阔发展前景的三维测量技术。　　磁流变液(Magneto-Rheological Fluids, MRF)是一种新兴的智能材料,它的流变特性可通过外加磁场连续控制,从而改变其传力性能。磁流变液的宏观力学特性取决于其微观组织结构,铁磁性颗粒的尺寸及体积分数等是否会影响其力学性能都值得深入研究。目前,对磁流变液微观组织结构及磁流变机理进行简单二维或三维静态描述都是使用普通显微方法进行的,无法有效反映磁流变液在外加磁场作用下的三维微观变化过程及空间流变性能。　　本论文将数字全息显微技术引入磁流变液微观结构与流变机理的测量中。搭建了用于测试磁流变液微观结构与流变机理的数字全息显微测量系统。利用校准靶面置于磁流变液测量域中的方式获得铁磁性颗粒的真实放大倍率。使用卷积法重建磁流变液全息图,引入全局灰度梯度法和约束最小二乘方滤波器方法来提高铁磁性颗粒的焦平面定位精度,利用拉普拉斯高斯边缘检测法提取铁磁性颗粒,同时联合以上处理方式获得铁磁性颗粒的尺寸信息;通过坐标定位法分别模拟出磁流变液在无磁场和外加磁场条件下铁磁性颗粒的三维空间分布;使用最小二乘相位解包裹算法,得到了两种激磁方式下磁流变液的三维空间结构;利用数字全息显微技术实时观测了磁流变液微观组织结构的变换过程,获得磁流变液在外加磁场下的磁链结构,计算出磁流变液的链化速度、响应时间、铁磁性颗粒加速度及受力情况;验证了磁流变液的响应时间为毫秒量级,最后通过与普通显微镜观测磁流变液的实验结果进行对比,分别分析两种观测手段各自的优缺点,证明数字全息显微技术可以实时、高效、简便、准确地测量磁流变液的微观结构与流变机理,推进了数字全息技术在流场测试中的应用。

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1 绪论

1.1 研究背景及目的意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容和技术路线

1.4 本章小结

2 数字全息

2.1 全息原理

2.2 数字全息记录

2.3 数字全息重建

2.4 数字全息显微

2.5 相位解包裹

2.6 数字图像处理

2.7 本章小结

3 磁流变液

3.1 磁流变机理

3.2 铁磁性颗粒受力及动力学方程

3.3 本章小结

4 数字全息显微测量磁流变液微观结构与机理

4.1 数字全息显微测量微流场原理

4.2 实验装置及参数

4.3 磁流变液全息图记录

4.4 磁流变液全息图重建及实验数据分析

4.5 显微镜测量磁流变液对比实验

4.6 两测量方法优缺点分析

4.7 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录