CN103698299A - 物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置及方法，涉及材料科学、光学实验技术领域。该装置包括背景散斑、力热磁电加载平台、抽真空试验箱、CCD相机及含有计算程序的计算机。该方法利用物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置，将被测物体置于力热磁电加载平台上，加力加载、加热、加磁场和电场，在加载前后用CCD相机透过物体拍摄背景散斑，将拍摄图像输入计算机用数字图像相关算法（DIC）计算得到背景散斑的位移场，通过计算可以得到物体的折射率变化分布。本发明结构紧凑，易于实现，可对物体受力、加热和外加电磁场作用下的折射率变化作实时在线、全场分布测量。

Description

物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用数字相关图像技术测量物体在力热磁电多场作用下折射率的变化，属于材料科学、光学实验技术领域。 

背景技术

随着光学材料研究的发展，用光学材料制备出的光学器件在精密制造、探测定位、信息传感等方面有着广阔的应用前景，而这些光学器件在工作环境中受热、受力和外加电磁场作用，其折射率发生变化进而对其性能产生影响。 

通常测量光学材料折射率的光学方法有临界角法、最小偏向角法和V棱镜法，这些光学方法一般都是点测量，无法获取光学材料折射率的全场分布。现今研究环境因素如加热、受力、外加电磁场等因素对光学材料折射率造成的影响，采用的测量方法基本上是单点测量，没有考虑实际情况中加热、受力等环境影响因素的非均匀性，所以亟待一种多物理场作用下折射率变化的全场非均匀分布测量方法。 

发明内容

本发明提供一种物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置及方法，该装置及方法可以对物体随环境温度变化、受力、外加电磁场作用下的全场折射率变化进行测量，同时可以得出物体折射率随这些环境因素变化的关系式。 

本发明的技术方案如下： 

一种物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置，其特征在于：该装置包括抽真空试验箱、力热磁电加载平台、背景散斑、照明光源、CCD相机及含有计算程序的计算机；被测物体置于力热磁电加载平台上，所述的力热磁电加载平台、背景散斑、照明光源置于抽真空试验箱内，抽真空试验箱上方开有观察窗，力热磁电加载平台设置在观察窗和背景散斑之间，CCD相机对准观察窗并通过数据线与计算机相连；所述的背景散斑是人工生成的随机图像，所述的被测物体为透明物体。 

所述的力热磁电加载平台包括加载力的机械拉伸装置、加载热的电加热装置、加载电场的电极和加载磁场的电磁铁或永磁铁。 

本发明提供的物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量方法，该方法包括如下步骤测量物体在力热磁电多场作用下折射率变化： 

其特征在于该方法包括如下步骤： 

a).将被测物体（7）置于力热磁电加载平台上夹持固定，设定CCD相机与被测物体距离为L，被测物体与背景散斑距离为D，被测物体厚度为B，垂直于厚度方向截面积为S，常温下的折射率为n_o，CCD相机透过被测物体拍摄加载前背景散斑； 

b).用力热磁电加载平台（2）对被测物体分别施加力、热、磁场、电场或同时施加所述几种加载方式，并记录加载状态应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E，用CCD相机透过被测物体拍摄加载后背景散斑； 

c).将加载前后的背景散斑图输入计算机（6），用数字图像相关方法计算加载前后拍摄的背景散斑位移场（ΔX_O，ΔY_O），其中被测物体表面记为OXY平面，背景散斑平面记为O_oX_oY_o平面，光线沿被测物体厚度方向垂直物体平面透过被测物体,其中ΔX_O、ΔY_O分别为相机记录加载前后散斑x、y方向位移，φ_x、φ_y分别为光线沿被测物体厚度方向垂直物体表面透过被测物体后的沿x、y方向偏折角，φ_x、φ_y由下式计算： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_x=\frac{\mathrm{\Δ}{X}_O}{D}\\ {\mathrm{\φ}}_y=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_O}{D}\end{array}\right.$

被测物体表面在OXY内坐标（x,y）同背景散斑在O_oX_oY_o内坐标（x_O，y_O）有如下关系： 

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{L}{L+D}{x}_O\\ y=\frac{L}{L+D}{y}_O\end{array}\right.$

d).物体加载后折射率变化值Δn的全场分布由下式计算： 

$\mathrm{\Δn}(x,y)=\frac{L}{(L+D)\mathrm{BD}}\·({\∫}_0^{\frac{L+D}{L}x}{\mathrm{\ΔX}}_O(u,y)\mathrm{du}+{\∫}_0^{\frac{L+D}{L}y}({\mathrm{\ΔY}}_O(x,v)-\frac{{\∂\∫}_0^{\frac{L+D}{L}x}{\mathrm{\ΔX}}_O(u,v)\mathrm{du}}{\∂v})\mathrm{dv})$

其中

为位移ΔX_O沿x方向线积分，

为位移ΔY_O沿y方向线积分，被测物体面内折射率n如下式示： 

n=n_o+Δn(x,y) 

被测物体面内平均折射率

由下式计算： 

$\stackrel{\‾}{n}=\frac{\∫n(x,y)\mathrm{dS}}{S}$

其中∫n(x,y)dS为折射率n对被测物体垂直于厚度方向截面积S的面积分； 

e).改变力热磁电加载平台的加载状态，多次重复b)～d)步骤，获得光线透过被测物体后的偏折角（φ_x,φ_y），计算得到被测物体面内平均折射率记录加载应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E，这样得到多个状态下被测物体面内平均折射率

加载应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E，通过拟合得到物体面内平均折射率

同应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E影响变化关系式： 

$\stackrel{\‾}{n}=\stackrel{\‾}{n}(\mathrm{\σ},T,H,E).$

本发明提供的技术方案的有益效果是：该装置及方法提供物体在环境温度影响、受力、外加电磁场作用下折射率变化的全场实时测量，并且得到物体折射率随环境温度、受力、外加电磁场变化的关系式。 

附图说明

图1是本发明提供的物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置示意图。 

图2是力热磁电加载平台示意图。 

图3是物体折射率变化全场测量原理示意图。 

图4是一种可用的背景散斑。 

附图中：1-抽真空试验箱；1a-观察窗；2-力热磁电加载平台；3-背景散斑；4-照明光源；5-CCD相机；6-含有计算程序的计算机；7-被测物体。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 

图1是本发明提供的物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置示意图。该装置包括抽真空试验箱1、力热磁电加载平台2、背景散斑3、照明光源4、CCD相机5及含有计算程序的计算机6。 

所述的力热磁电加载平台2、背景散斑3和照明光源4置于抽真空试验箱内，抽真空试验箱上方开有观察窗1a，力热磁电加载平台设置在观察窗和背景散斑之间，CCD相机对准观察窗并通过数据线与计算机相连；所述的背景散斑是人工生成的随机图像，所述的被测物体为透明物体。 

被测物体置于力热磁电加载平台上，背影散斑为人工喷涂的随机分布的黑色斑点图，试验时用照明灯照亮，用CCD相机透过被测物体拍摄背景散斑。 

力热磁电加载平台将被测物体夹持固定住，物体上下表面被固定，使物体产生变形时仅为面内变形，加载平台对被测物体施加力加载、加热、加磁场或电场，力热磁电加载平台包括加载力的机械拉伸装置、加载热的电加热装置、加载电场的电极和加载磁场的电磁铁或永磁铁。在加载前后拍摄背景散斑，用数字图像相关方法（DIC）计算散斑位移，进而计算测量物体在力热磁电多场作用下折射率变化。 

本发明的工作原理和过程如下： 

图2是物体折射率变化全场测量原理示意图，将被测物体置于力热磁电加载平台上夹持固定住，物体上下表面被固定，使物体产生变形时仅为面内变形，抽真空试验箱内部抽真空防止空气受热扰动，这样环境因素引起的垂直被测物体透射光线偏折仅仅和被测物体折射率变化有关。对被测物体加载力、加热、加电场或者磁场作用，在加载前后用CCD透过被测物体拍摄背景散斑，用数字图像相关方法计算出散斑位移（ΔX_O，ΔY_O），由于在加热、加力或外加电磁场作用下物体折射率变化引起的光线偏折角φ_x、φ_y较小，故可用以下几何关系表示： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_x=\frac{\mathrm{\Δ}{X}_O}{D}\\ {\mathrm{\φ}}_y=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_O}{D}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中D被测物体与背景散斑距离，ΔX_OΔY_O分别为相机记录加载前后散斑x、y方向位移，φ_x， φ _y为光线沿被测物体厚度方向垂直透过被测物体后的x、y方向偏折角，物体表面OXY 平面坐标（x,y）同背景散斑平面O_oX_oY_o内坐标（x_O，y_O）有如下关系： 

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{L}{L+D}{x}_O\\ y=\frac{L}{L+D}{y}_O\end{array}\right.---\left(2\right)$

L为CCD相机与被测物体距离。 

根据几何光学基本知识，偏折角φ_x、φ_y同被测物体折射率的梯度有关系式： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_x=\underset{0}{\overset{B}{\∫}}\frac{\∂n}{\∂n}\mathrm{dz}\\ {\mathrm{\φ}}_y=\underset{0}{\overset{B}{\∫}}\frac{\∂n}{\∂y}\mathrm{dz}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中B为被测物体厚度，

分别为折射率n偏导数沿被测物体厚度积分。由于被测物体较较薄，认为折射率n沿厚度方向变化较小，即沿厚度方向为常值，偏折角φ_x、φ_y同被测物体折射率的梯度上述关系式可简化为： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_x=B\·\frac{\∂n}{\∂x}\\ {\mathrm{\φ}}_y=B\·\frac{\∂n}{\∂y}\end{array}\right.---\left(4\right)$

联合（1）—（5）式，折射率n偏导数可以表示为： 

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂n}{\∂x}=\frac{{\mathrm{\ΔX}}_O}{\mathrm{BD}}\\ \frac{\∂n}{\∂y}=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_O}{\mathrm{BD}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

由折射率偏导数积分可以得到折射率变化Δn的全场分布： 

$\mathrm{\Δn}(x,y)=\frac{L}{(L+D)\mathrm{BD}}\·({\∫}_0^{\frac{L+D}{L}x}{\mathrm{\ΔX}}_O(u,y)\mathrm{du}+{\∫}_0^{\frac{L+D}{L}y}({\mathrm{\ΔY}}_O(x,v)-\frac{{\∂\∫}_0^{\frac{L+D}{L}x}{\mathrm{\ΔX}}_O(u,v)\mathrm{du}}{\∂v})\mathrm{dv})---\left(6\right)$

其中

为位移ΔX_O沿x方向线积分，

为位移ΔY_O沿y方向线积分，被测物体面内折射率n如下式示： 

n＝n_o+Δn(x,y)     （7） 

其中n_o为常温下物体折射率。物体折射率变化后的平均折射率可由下式计算 

$\stackrel{\‾}{n}=\frac{\∫n(x,y)\mathrm{dS}}{S}---\left(8\right)$

其中S为被测物体垂直于厚度方向截面积。改变加载的力、温度、电场或者磁场，运用上述方法测得物体在不同加载状态下折射率，通过拟合可以得到物体面内平均折射率

同应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E影响变化关系式： 

$\stackrel{\‾}{n}=\stackrel{\‾}{n}(\mathrm{\σ},T,H,E).---\left(9\right)$

Claims (3)

1.物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置，其特征在于：该装置包括抽真空试验箱（1）、力热磁电加载平台（2）、背景散斑（3）、照明光源（4）、CCD相机（5）及含有计算程序的计算机（6）；被测物体（7）置于力热磁电加载平台上（2），所述的力热磁电加载平台（2）、背景散斑（3）、照明光源（4）置于抽真空试验箱内，抽真空试验箱上方开有观察窗（1a），力热磁电加载平台设置在观察窗和背景散斑之间，CCD相机对准观察窗并通过数据线与计算机相连；所述的背景散斑是人工生成的随机图像，所述的被测物体为透明物体。

2.按照权利要求1所述的物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置，其特征在于：所述的力热磁电加载平台包括加载力的机械拉伸装置、加载热的电加热装置、加载电场的电极和加载磁场的电磁铁。

3.采用如权利要求1所述装置的物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

a).将被测物体（7）置于力热磁电加载平台上夹持固定，设定CCD相机与被测物体距离为L，被测物体与背景散斑距离为D，被测物体厚度为B，垂直于厚度方向截面积为S，常温下的折射率为n_o，CCD相机透过被测物体拍摄加载前背景散斑；

b).用力热磁电加载平台（2）对被测物体分别施加力、热、磁场、电场或同时施加所述几种加载方式，并记录加载状态应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E，用CCD相机透过被测物体拍摄加载后背景散斑；

c).将加载前后的背景散斑图输入计算机（6），用数字图像相关方法计算加载前后拍摄的背景散斑位移场（ΔX_O，ΔY_O），其中被测物体表面记为OXY平面，背景散斑平面记为O_oX_oY_o平面，光线沿被测物体厚度方向垂直物体平面透过被测物体,其中ΔX_O、ΔY_O分别为相机记录加载前后散斑x、y方向位移，φ_x、φ_y分别为光线沿被测物体厚度方向垂直物体表面透过被测物体后的沿x、y方向偏折角，φ_x、φ_y由下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_x=\frac{{\mathrm{\ΔX}}_O}{D}\\ {\mathrm{\φ}}_y=\frac{{\mathrm{\ΔY}}_O}{D}\end{array}\right.$

被测物体表面在OXY内坐标（x,y）同背景散斑在O_oX_oY_o内坐标（x_O，y_O）有如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{L}{L+D}{x}_O\\ y=\frac{L}{L+D}{y}_O\end{array}\right.$

d).物体加载后折射率变化值Δn的全场分布由下式计算：

$\mathrm{\Δn}(x,y)=\frac{L}{(L+D)\mathrm{BD}}\·({\∫}_0^{\frac{L+D}{L}x}{\mathrm{\ΔX}}_O(u,y)\mathrm{du}+{\∫}_0^{\frac{L+D}{L}y}({\mathrm{\ΔY}}_O(x,v)-\frac{{\∂\∫}_0^{\frac{L+D}{L}x}{\mathrm{\ΔX}}_O(u,v)\mathrm{du}}{\∂v})\mathrm{dv})$

其中

为位移ΔX_O沿x方向线积分，

为位移ΔY_O沿y方向线积分，被测物体面内折射率n如下式示：

n＝n_o+Δn(x,y)

被测物体面内平均折射率

由下式计算：

$\stackrel{\‾}{n}=\frac{\∫n(x,y)\mathrm{dS}}{S}$

其中∫n(x,y)dS为折射率n对被测物体垂直于厚度方向截面积S的面积分；

e).改变力热磁电加载平台的加载状态，多次重复b)～d)步骤，获得光线透过被测物体后的偏折角（φ_x,φ_y），计算得到被测物体面内平均折射率

记录加载应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E，这样得到多个状态下被测物体面内平均折射率

加载应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E，通过拟合得到物体面内平均折射率同应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E影响变化关系式：

$\stackrel{\‾}{n}=\stackrel{\‾}{n}(\mathrm{\σ},T,H,E).$

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