CN103528524A - 透视测量树脂基复合材料内部离面位移场分布的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透视测量树脂基复合材料构件内部离面位移场分布的装置及方法。该装置是设计迈克尔逊多表面干涉的光学系统，在参考臂端引入一个双表面光楔，形成光楔和被测树脂基复合材料内部反射信号之间的干涉图像。光楔有两个作用，首先用于监测激光波数k，其次提供干涉的参考平面。通过温度扫描，半导体激光控制器输出激光的波数也进行扫描，与此同时，CCD相机拍摄多帧干涉图像。分别对加载前后干涉图像序列进行傅里叶变换，干涉峰值对应的相位差可以解调出被测树脂基复合材料构件内部离面位移场分布。该装置及方法的优点是可以进行透视测量，且离面位移场测量精度高，为树脂基复合材料内部力学性能测量和无损检测提供了一种新的技术平台。

Description

透视测量树脂基复合材料内部离面位移场分布的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉测量的装置和方法，主要应用于测量透明或半透明树脂基复合材料，特别是测量加载前后玻璃纤维增强树脂基复合材料构件内部离面位移场分布，属于复合材料力学性能测量和无损检测领域。

技术背景

随着树脂基复合材料在航空和航天领域的应用比例不断提高，对其力学性能也提出了越来越高的要求。由于各种原因如杂质、工艺实施上不完善等因素，树脂基复合材料构件内部可能存在缺陷。所以对树脂基复合材料的内部力学性能分析和测量十分必要。目前树脂基复合材料内部力学性能测量方法主要分成两类：(1)轮廓检测方法，如超声波无损检测技术；(2)应力-应变检测方法，如基于计算机层析扫描成像、共焦显微镜的数字体相关算法和光学干涉方法等。由于可以利用应力集中现象，对探测微小缺陷特别灵敏，第(2)种方法被认为是透明或半透明树脂基复合材料内部无损检测和力学性能测量的最佳方法。

在激光数字散斑相移干涉的基础上，本发明公开一种基于迈克尔逊多表面干涉仪结构，利用激光波数扫描干涉方法，透视测量加载前后树脂基复合材料构件内部离面位移场分布的一种装置和方法。使用内部功能成像的方法，透视测量加载前后树脂基复合材料构件内部的三维力学特性。

发明内容

本发明提供了一种基于迈克尔逊多表面干涉，利用激光波数扫描干涉的相频特性，透视测量加载前后，树脂基复合材料构件内部离面位移场分布的装置及方法。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于光学迈克尔逊多表面干涉的树脂基复合材料构件内部离面位移场分布的测量装置，如图1所示，依次顺序是激光控制器(1)、安装在温控模块上的半导体激光器(2)、凸透镜(3)、分光棱镜(4)、偏振片(5)、参考光楔(6)、CCD相机(7)、计算机(8)和加载装置(9)。

在该装置中使用的参考光楔(6)其作用有两个，首先是充当干涉测量的参考面，其次用于监测波数扫描过程中，每帧干涉图像对应激光的波数。为了避免频谱混叠，参考光楔(6)的平均厚度要比被测树脂基复合材料构件(10)厚1mm以上，其次为了监测波数，参考光楔(6)的两个表面必须线性倾斜，其倾斜角要可以在视场内产生40-50个干涉条纹。

在该装置中使用的偏振片(5)是用来调整参考光楔一侧的反射光强，使被测树脂基复合材料构件(10)的反射光强和参考光楔(6)的反射光强大小相近，这样可获取对比度高的干涉图像。

在该装置中使用的加载装置(9)，如图2所示，是由两根固定支柱和一个球头千分丝杆构成的三点支撑弯曲加载装置，利用千分丝杆可对被测树脂基复合材料构件(10)进行精密的步进变形加载。

该装置的干涉光路如图1中虚线所示，激光控制器(1)控制激光器(2)发出相干光，经过凸透镜(3)准直，再经过分光比为50：50的分光棱镜(4)后，分别照射在参考光楔(6)和被测树脂基复合材料构件(10)上。被测树脂基复合材料构件(10)和参考光楔(6)的反射光，经分光棱镜(4)聚合后，在CCD相机(7)的像平面上形成多束光相互干涉的干涉图像，并传输到计算机(8)中进行数据处理。

基于激光波数扫描干涉原理，透视测量树脂基复合材料构件内部的离面位移场分布的方法及具体步骤如下：

1)、如图2所示，将被测树脂基复合材料构件(10)放在加载装置(9)上，调整千分丝杆，轻微预紧和固定被测树脂基复合材料构件(10)。

2)、计算机通过激光控制器(1)使安装在温控模块的单纵模半导体激光器(2)的工作温度从40℃单调调制到20℃，这样激光器(2)的谐振腔折射率变化，导致输出单纵模激光的波数单调变化，这就是激光波数扫描。与此同时，通过CCD相机(7)连续采集激光波数扫描过程中，由参考光楔(6)和被测树脂基复合材料构件(10)反射光形成的干涉图像序列。

3)、采集完第一组干涉图像序列后(标记为序列A，加载前)，使用加载装置对被测复合材料构件(10)进行准确的步进加载，使其产生变形。接着采集第二组干涉图像序列(标记为序列B，加载后)。

4)、分别对两组图像序列A和B进行处理，具体数据处理算法分为以下4步：

①分别对干涉图像序列A和B进行波数监测。激光器(2)输出波数k＝2π/λ，由于波数调制过程中，波数随温度或时间是非线性变化的，故需对其进行监测。根据光学干涉理论，图1所示的系统中，CCD相机(7)上干涉图像的数学表达式为：

$I(x,y,k)=\underset{p=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{I_p(x,y)\·I_p(x,y)}\cos [2\mathrm{\π}\frac{{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{pq}}(x,y)}{\mathrm{\π}}\·k+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pq}0}(x,y)],$

${\mathrm{\Λ}}_{12}(x,y)={\mathrm{\Λ}}_{120}+{\mathrm{\Δ\Λ}}_{12x}\·x+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Λ}}_{12y}\·y,$

其中(x，y)表示空间坐标；I_p、I_q分别为构件内部深度方向的第p和第q反射信号光强，其中第1和第2反射信号为参考光楔前表面和后表面；

为第p和第q反射信号之间的光程差，其中表示参考光楔上各点的光程差；

分别为参考光楔在x，y方向上单位像素的光程差变化量。

为在空间坐标原点处参考光楔的光程差；φ_pq0为第p和第q反射信号之间的初始相位差。

对上式进行空间二维傅里叶变换得：

${\mathrm{\Ω}}_{12u}\left(k\right)=({\mathrm{\Δ\Λ}}_{12x}/\mathrm{\π})\·k,{\mathrm{\Ω}}_{12v}\left(k\right)=({\mathrm{\Δ\Λ}}_{12y}/\mathrm{\π})\·k,{\mathrm{\ψ}}_{12}\left(k\right)=2{\mathrm{\Λ}}_{120}\·k+{\mathrm{\φ}}_{120},$

其中u，v分别为x，y对应的空间频率；δ(u，v)为空间频率的狄拉克函数；Ω_12u(k)、Ω_12v(k)是波数为k时，光楔干涉图像空间频率峰值的空间频率，ψ₁₂(k)为对应的空间相角。由上式可知，光楔干涉图像二维空间傅里叶变换后，其峰值处的空间相角与波数成线性比例关系，可用来测量当前激光的波数k值：

$k=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{12}\left(k\right)-{\mathrm{\φ}}_{120}}{2\·{\mathrm{\Λ}}_{120}};$

因此，对每一张采集到的干涉图像进行空间二维傅里叶变换后，提取参考光楔的空间相位，即可监测出波数扫描过程中波数的变化情况。

②分别对干涉图像序列A和B的每个像素沿波数轴进行傅里叶变换。沿波数k轴，干涉图像序列各像素点上的光强序列的傅里叶变换表达式为：

$\tilde{I}(x,y,f)=\underset{s=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}I[x,y,k\left(s\right)]\·w\left[k\left(s\right)\right]\·\exp [-j\·2\mathrm{\πf}\·k\left(s\right)],$

其中，S表示CCD相机总采集帧数；k(s)表示采集第s帧时，波数k值的大小，由k监测获得；w[]表示窗口函数。将干涉光强表达式代入，并化简后得：

其中表示窗口函数频域表达式；f_pq(x，y)为干涉峰值频率；

表示干涉峰值相位；k₀表示起始波数。

由上式可知，干涉峰值相位与两干涉面之间的光程差成线性比例关系，故可根据其变化量来测量加载前后光程差的变化，树脂基复合材料内部的离面位移场分布。

由于计算相位时，使用了tan函数，因此，相位值都落入tan函数的[-π，π]，被称为卷绕相位。

③对干涉图像序列A和B的每个像素傅里叶变换后的峰值相位进行相位对照。加载前后，两组图像序列数据A和B的干涉峰值卷绕相位分别记为

和它们之间相位对照为：

由于

是在[-π，π]之间卷绕的，需对其进行解卷绕。解卷绕后，加载前后的相位差为：

④计算加载前后被测件的离面位移场分布。

加载前后，被测树脂基复合材料构件内部各个干涉信号的离面位移场分布为：

其中n_pq表示p、q干涉面之间的折射率。

附图说明

图1基于迈克尔逊多表面干涉树脂基复合材料构件内部离面位移场分布测量系统。图中：1—激光控制器，2—含有温控模块的半导体激光器，3—凸透镜，4—分光棱镜，5—偏振片，6—参考光楔，7—CCD相机，8—计算机，9—加载装置，10—被测树脂基复合材料构件，虚线为系统的俯视光路。

图2加载装置的结构图。

图3参考光楔和被测树脂基复合材料构件之间的干涉图像。

图4干涉图像空间2维傅里叶变换后的幅频图。

图5干涉图像空间2维傅里叶变换后的在图4峰值2附近的相频图。

图6干涉图像序列对应的激光波数k。

图7空间坐标(1mm，1mm)处干涉信号的幅频图；图中R1S1、R1S2和R1S3分别为参考光楔的前表面与被测树脂基复合材料的前表面、纤维布和后表面的干涉信号，R2S1、R2S2和R2S3分别为参考光楔的后表面与被测树脂基复合材料的前表面、纤维布和后表面的干涉信号。

图8空间坐标(1mm，1mm)处干涉信号的相频图。

图9加载前后被测树脂基复合材料构件加载前后峰值相位的相位对照图；(a)前表面的相位对照图；(b)内部玻璃纤维布上的相位对照图；(c)后表面的相位对照图。

图10加载前后被测树脂基复合材料构件的离面位移场分布图；(a)前表面的离面位移场分布图；(b)内部玻璃纤维布上的离面位移场分布图；(c)后表面的离面位移场分布图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应限制本发明的保护范围。

如图1所示，基于迈克尔逊干测量树脂基复合材料内部离面位移场分布的测量系统，包括型号为LDC-3724C(ILX Lightwave公司)的激光控制器(1)，含有温控模块TCLDM9(Thorlabs公司)型号为LD-0860-0150-DFB-1(Toptica公司)的激光器(2)，直径为25.4mm、焦距为50mm的凸透镜(3)，尺寸为25.4mm×25.4mm×25.4mm分光比为50：50的分光棱镜(4)，直径为25.4mm的偏振片(5)直径为30mm、厚度为6mm、倾角为6′的BK7玻璃参考光楔(6)，像素为1024×1024型号为CCD-1300QFB(VDS Vosskuhler公司)的CCD相机(7)，计算机(8)和加载装置(9)。

图1中虚线表示俯视光路。激光器(2)发出相干光源，经过凸透镜(3)准直，再经过分光棱镜(4)后，一束光反射进入被测树脂基复合材料构件(10)内部并散射，另一束光在参考光楔(6)上反射。被测树脂基复合材料构件(10)和参考光楔(6)的反射光，经分光棱镜(4)聚合后，最终在CCD相机(7)的像平面上形成干涉图像，并送入计算机(8)进行数据处理。其中，被测树脂基复合材料构件(10)的尺寸是80mm×40mm×5mm，材料是环氧树脂。它的前表面下2.5mm处，嵌了一层玻璃纤维布。

对被测树脂基复合材料构件(10)内部离面位移场分布进行测量前，首先将它轻微预紧在图2所示的加载装置(9)上。然后，通过调节偏振片(5)，使参考光楔(6)与被测树脂基复合材料构件(10)的反射光光强相近。

接着通过激光控制器(1)使激光器(2)的工作温度从40℃单调调制到20℃，与此同时用CCD相机(7)连续拍摄600张波数扫描过程中的干涉图像(标记为序列A)，并传送到计算机(8)中保存和数据处理。接着通过加载装置(9)对被测树脂基复合材料构件(10)施加30μm进给，使其发生变形。然后再次将激光器(2)的工作温度由40℃单调调制到20℃，并用CCD相机(7)采集600张波数扫描过程中的干涉图像(标记为序列B)，并传送到计算机(8)中保存和数据处理。具体数据处理算法分为以下4步：

1)、分别对干涉图像序列A和B进行波数监测。

CCD相机(7)采集到的干涉图像如图3所示，其表达式为：

$I(x,y,k)=\underset{p=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{I_p(x,y)\·I_p(x,y)}\cos [2\mathrm{\π}\frac{{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{pq}}(x,y)}{\mathrm{\π}}\·k+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pq}0}(x,y)],$

${\mathrm{\Λ}}_{12}(x,y)={\mathrm{\Λ}}_{120}+{\mathrm{\Δ\Λ}}_{12x}\·x+{\mathrm{\Δ\Λ}}_{12y}\·y,$

其中(x，y)表示空间坐标；I_p、I_q分别为第p和第q反射信号的光强，其中第1和第2反射信号为参考光楔前表面和后表面；

为第p和第q反射信号之间的光程差，其中

表示参考光楔上各点的光程差；

分别为参考光楔在x，y方向上单位像素的光程差变化量。

为在空间坐标原点处参考光楔的光程差；φ_pq0为第p和第q反射信号之间的初始相位差。对上式进行空间二维傅里叶变换得：

${\mathrm{\Ω}}_{12u}\left(k\right)=({\mathrm{\Δ\Λ}}_{12x}/\mathrm{\π})\·k,{\mathrm{\Ω}}_{12v}\left(k\right)=({\mathrm{\Δ\Λ}}_{12y}/\mathrm{\π})\·k,{\mathrm{\ψ}}_{12}\left(k\right)=2{\mathrm{\Λ}}_{120}\·k+{\mathrm{\φ}}_{120},$

其中u，v分别为x，y对应的空间频率；δ(u，v)对应二维空间频率狄拉克函数；Ω_12u(k)、Ω_12v(k)是波数为k时，光楔干涉图像空间频率峰值的空间频率，ψ₁₂(k)为对应的空间相角。由上式可知，光楔干涉图像二维空间傅里叶变换后，其峰值处的空间相角与波数成线性比例关系，可用来测量当前波数k值：

$k=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{12}\left(k\right)-{\mathrm{\φ}}_{120}}{2\·{\mathrm{\Λ}}_{120}}.$

利用以上理论，对干涉图像序列A进行波数k监测后，其结果如图6所示。

2)、分别对干涉图像序列A和B的每个像素沿波数轴进行傅里叶变换。

根据傅里叶变换的定义，沿波数轴每个像素的傅里叶变换的表达式为：

$\tilde{I}(x,y,f)=\underset{s=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}I[x,y,k\left(s\right)]\·w\left[k\left(s\right)\right]\·\exp [-j\·2\mathrm{\πf}\·k\left(s\right)],$

其中，S表示CCD相机总采集帧数，此处S＝600；k(s)表示采集第s帧时，k值的大小，可由k监测获得；w[]表示窗口函数。将干涉光强表达式代入上式，化简后得：

其中

表示窗口函数频域表达式，f_pq(x，y)为干涉峰值频率，k₀表示起始波数，

表示各个干涉信号对应的干涉峰值的卷绕相位。其中干涉图像序列A中，位于空间坐标(1mm，1mm)处的幅频和相频特性如图7和图8所示。

3)、对干涉图像序列A和B的每个像素傅里叶变换后的峰值相位进行相位对照。

加载前后两组干涉图像序列数据A和B的干涉峰值对应的卷绕相位分别记为

和

它们之间相位对照为：

加载前后，被测树脂基复合材料构件的前、后表面和内部嵌入玻璃纤维布上的卷绕相位对照图如图9所示。由于

是在[-π，π]之间卷绕的，需对其进行解卷绕。解卷绕相位对照为：

4)、计算加载前后被测件的离面位移场分布。

加载前后，被测树脂基复合材料构件内部离面位移场分布为：

其中n_pq表示p、q干涉信号之间的折射率。加载前后，被测树脂基复合材料构件前、后表面及内部玻璃纤维布上的离面位移场分布如图10所示。

本发明的优点在于：

(1)能同时检测出被测树脂基复合材料表面及内部的离面位移场分布。

(2)测量精度高，离面位移场测量精度达±50nm。

(3)利用应力集中现象，这种方法可以测量树脂基复合材料构件内部深度方向的微米级开裂，为树脂基复合材料的力学性能测量和无损检测提供了一种新装置和新方法。

综上所述，本发明所提出的装置和方法具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种基于激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉的树脂基复合材料内部离面位移场分布的测量装置，包括激光控制器(1)、安装在温控模块上的半导体激光器(2)、凸透镜(3)、分光棱镜(4)、偏振片(5)、参考光楔(6)、CCD相机(7)、计算机(8)和加载装置(9)。

2.根据权利要求1中所述的、一种基于激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉的树脂基复合材料内部离面位移场分布的测量装置，其特征在于：干涉参考光路包含一个参考光楔。

3.根据权利要求1、2中所述的、一种基于激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉的树脂基复合材料内部离面位移场分布的测量装置，其特征在于：干涉的参考信号来自参考光楔的前后两个表面。

4.根据权利要求1、2中所述的、一种基于激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉的树脂基复合材料内部离面位移场分布的测量装置，其特征在于：使用参考光楔前后两个表面的干涉信号，监测激光器输出激光的波数。

5.利用权利要求1所述的激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉的测量系统，测量树脂基复合材料内部离面位移场分布的方法，其特征在于：具体步骤为：

(1)将被测树脂基复合材料构件放在加载装置上，调整千分丝杆，轻微预紧和固定被测树脂基复合材料构件；

(2)采集第一组干涉图像序列(标记为序列A，加载前)数据；计算机通过激光控制器，使安装在温控模块的单纵模半导体激光器的工作温度从40℃单调调制到20℃，这样激光器输出单纵模激光的波数单调变化，实现激光波数扫描；与此同时，通过CCD相机连续采集激光波数扫描过程中，由参考光楔和被测树脂基复合材料构件内部反射光形成的干涉图像序列；

(3)使用加载装置对被测树脂基复合材料构件进行准确的步进加载，使其产生变形；

(4)采集第二组干涉图像序列(标记为序列B，加载后)数据；计算机通过激光控制器，使安装在温控模块的单纵模半导体激光器的工作温度从40℃单调调制到20℃，这样激光器输出单纵模激光的波数单调变化，实现激光波数扫描；与此同时，通过CCD相机连续采集激光波数扫描过程中，由参考光楔和被测树脂基复合材料构件内部反射光形成的干涉图像序列；

(5)分别对两组图像序列A和B进行处理，具体数据处理算法分为以下4步：

①分别对干涉图像序列A和B进行波数监测；激光器输出波数k＝2π/λ；CCD相机采集的干涉图像数学表达式为：

$I(x,y,k)=\underset{p=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{I_p(x,y)\·I_p(x,y)}\cos [2\mathrm{\π}\frac{{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{pq}}(x,y)}{\mathrm{\π}}\·k+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pq}0}(x,y)],$

${\mathrm{\Λ}}_{12}(x,y)={\mathrm{\Λ}}_{120}+{\mathrm{\Δ\Λ}}_{12x}\·x+{\mathrm{\Δ\Λ}}_{12y}\·y,$

其中(x，y)表示空间坐标；IX、IX分别为构件内部深度方向的第p和第q反射信号光强，其中第1和第2反射信号为参考光楔前表面和后表面；

为第p和第q反射信号之间的光程差，其中

表示参考光楔上各点的光程差；

分别为参考光楔在x，y方向上单位像素的光程差变化量；

为在空间坐标原点处参考光楔的光程差；φ_pq0为第p和第q反射信号之间的初始相位差；

干涉图像序列的空间二维傅里叶变换为：

${\mathrm{\Ω}}_{12u}\left(k\right)=({\mathrm{\Δ\Λ}}_{12x}/\mathrm{\π})\·k,{\mathrm{\Ω}}_{12v}\left(k\right)=({\mathrm{\Δ\Λ}}_{12y}/\mathrm{\π})\·k,{\mathrm{\ψ}}_{12}\left(k\right)=2{\mathrm{\Λ}}_{120}\·k+{\mathrm{\φ}}_{120},$

其中u，v分别为x，y对应的空间频率；δ(u，v)为空间频率的狄拉克函数；Ω_12u(k)、Ω_12v(k)是波数为k时，光楔干涉图像空间频率峰值的空间频率，ψ₁₂(k)为对应的空间相角；光楔干涉图像二维空间傅里叶变换后，其峰值处的空间相角与波数成线性比例关系，可用来测量当前激光的波数k值：

$k=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{12}\left(k\right)-{\mathrm{\φ}}_{120}}{2\·{\mathrm{\Λ}}_{120}};$

对每一张采集到的干涉图像进行空间二维傅里叶变换后，提取参考光楔的空间相位，即可监测出波数扫描过程中波数的变化情况；

②分别对干涉图像序列A和B的每个像素沿波数轴进行傅里叶变换；沿波数k轴，干涉图像序列各像素点上的光强序列的傅里叶变换表达式为：

$\tilde{I}(x,y,f)=\underset{s=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}I[x,y,k\left(s\right)]\·w\left[k\left(s\right)\right]\·\exp [-j\·2\mathrm{\πf}\·k\left(s\right)],$

其中，S表示CCD相机总采集帧数；k(s)表示采集第s帧时，波数k值的大小，由k监测获得；w[]表示窗口函数；将干涉光强表达式代入，并化简后得：

其中表示窗口函数频域表达式；f_pq(x，y)为干涉峰值频率；

表示干涉峰值相位；k₀表示起始波数；干涉峰值相位与两干涉面之间的光程差成线性比例关系；

③对干涉图像序列A和B的每个像素傅里叶变换后的峰值相位进行相位对照；加载前后，两组图像序列数据A和B的干涉峰值卷绕相位分别记为

和它们之间相位对照为：

解卷绕后，加载前后的相位差为：

④计算加载前后被测树脂基复合材料构件内部的离面位移场分布；加载前后，被测树脂基复合材料构件内部的离面位移场分布为：

其中n_pq表示p、q干涉信号之间的折射率。

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