CN104729419A - 透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置及方法。该装置基于谱域光学干涉相干层析(SD-OCT)的原理，通过对迈克尔逊干涉仪中宽带光源的空间调制，利用被测材料内部和参考面之间的弱反射光干涉信号，测出高聚物材料内部的轮廓结构和热变形场分布，并校正材料热变形过程中因温度折射率变化而引入的测量误差。本发明的测量速度快，测量精度高，适用于高聚物材料热变形特性分析和表征等领域。

Description

透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置及方法，可动态透视测量高聚物材料内部的离面位移场和应变场分布，适用于材料热变形特性分析和表征等领域。

背景技术

高聚物材料近年来被广泛地应用于汽车零件，机器零件，飞机部件，雷达罩等高新技术领域。但温度的变化往往会使材料产生变形，为了研究材料受热时内部的变形情况，需要提出一种针对性的无损动态透视测量方法。

随着近几年激光技术的不断提高，基于光学干涉原理的高精度变形场测量方法也得到了高速发展。电子散斑干涉(ESPI)是较早提出的一种光学干涉测量方法，它利用材料表面散斑场的变化对物体表面的变形场进行测量。在此基础上，ESPI技术发展出一种透视测量材料内部变形情况的激光波数扫描干涉技术(WSI)。然而，这种方法需要在时域上连续改变激光光源的输出波数，测量速度慢，难以实现动态测量。为了提高测量速度，一种基于谱域光学相干层析系统(SD-OCT)的材料内部变形场动态测量方法被研究了出来。这种方法利用了WSI的相关算法，以及硬件系统中宽带光源空间调制的特性，使其对每个状态的测量只需要拍摄一张干涉光谱，可以实现动态测量的目的。因此，该方法是一种能实现动态测量材料内部变形的方法，非常适合高聚物材料内部热变形分布测量的需要。然而，这种变形场透视测量方法的提出是基于材料内部折射率不变的情况，而高聚物材料在温度变化时内部折射率也会随之发生变化。所以，要将该方法应用于高聚物材料热变形的测量，还需进行相应的改进和提升。

本专利就是基于这些问题，在原有变形场动态透视测量方法的基础上，提出一种透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置及方法。

发明内容

本发明通过以下技术方案实现。

如图1所示，一种透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置，包括：一个谱域光学相干层析(SD-OCT)测量系统(1)，一个温控单元(2)以及一个被测样件固定装置(3)。

一个SD-OCT测量系统(1)，包括：被测样件(4)；宽带光源(11)；凸透镜(12)；柱面镜(13)；方形分光镜(14)；参考光楔(15)；凸透镜(16)；衍射光栅(17)；凸透镜(18)；CCD相机(19)。

宽带光源(11)发出的光经过凸透镜(12)准直后，在柱面镜(13)的作用下开始聚焦。聚焦光路中，方形分光镜(14)将其反射和透射为两束光，并分别在被测样件(4)和参考光楔(15)上聚焦。来自被测样件(4)和参考光楔(15)的反射光，分别经方形分光镜(14)的透射和反射作用后，相互叠加形成干涉，再经由凸透镜(16)准直为一束干涉平行光。平行光入射到由衍射光栅(17)和凸透镜(18)组成的分光仪结构当中后，在CCD相机(19)的像平面上成像为一幅沿波数k展开的干涉光谱，存储到计算机(5)上。

一个温控单元(2)，包括：一个加热装置(21)和一个温度传感装置(22)。其中，加热装置(21)可以使被测样件(4)发生热变形，温度传感装置(22)可以实时监测被测样件(4)的温度变化。

一个被测样件固定装置(3)，用来固定被测样件(4)，使其在测量过程中不受温度以外因素影响而产生形变。

一种透视测量高聚物材料内部热变形场分布的方法，具体步骤包括：

1)首先用一个温控单元(2)使被测样件(4)发生热变形，并实时监测被测样件(4)的温度。

2)接着用一个被测样件固定装置(3)固定被测样件(4)。

3)然后用SD-OCT测量系统(1)对被测样件(4)进行连续测量。

4)如图2所示，p、q是被测样件(4)内部的任意两点，z_p是p点到参考面R的光学长度，也可以称为p点的光学深度。当点p移动到p′的位置时，发生的光学深度变化量为w_p。对于SD-OCT测量系统(1)，被测样件(4)可以认为是由M个独立的表面构成，相邻两表面之间的光学长度即为系统深度方向的轮廓测量分辨率δz。此时，被测样件(4)和参考面R的干涉光强可以表示为：

$I\left(k\right)=I_0+2\underset{p=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{I_R{I}_p}\cos \left[{\mathrm{\φ}}_p\left(k\right)\right]+2\underset{p=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=p+1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{I_p{I}_q}\cos [{\mathrm{\φ}}_p\left(k\right)-{\mathrm{\φ}}_q\left(k\right)],---\left(1\right)$

其中k＝2π/λ表示波数，λ表示波长；I₀是直流分量；I_p和I_q分别是p、q两点的散射光强；I_R是参考面R的反射光强；φ_p和φ_q分别是p、q两点与参考面R相互干涉的相位，φ_p(k)＝φ_p0+2k·z_p，φ_p0是p点和参考面R之间的初始相位。经过一个高通滤波器后，可以消除上式等号右边的第一项和第三项，此时p点的光学深度z_p可以用干涉光强的频率f_p表示为：

z_p＝π·f_p       (2)

因为(2)式中z_p和f_p之间是线性关系，所以可以利用上式计算被测样件(4)切面的轮廓结构。

5)如果被测样件(4)由多层不同材料叠加而成，且点p位于第L层。当被测样件(4)发生热变形，p点移动到p′的位置时，发生的光学深度变化量w_p可以表示为：

$w_p=\frac{1}{2k_c}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Π}}_p-\frac{{\mathrm{\Δn}}_L}{n_L}\·(z_p-z_{\mathrm{sL}})-\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}[\frac{{\mathrm{\Δn}}_{i-1}}{n_{i-1}}\·(z_{\mathrm{si}}-z_{s(i-1)})],---\left(3\right)$

其中k_c为中心波数；Δ∏_p是p点移动前后产生的相位差；n_i是第i层的折射率(其中n₀是被测样件(4)所处环境的折射率，一般情况下是处于空气中，取n₀＝1)；Δn_i是移动前后第i层的折射率变化量(其中Δn₀是被测样件(4)所处环境的折射率变化量，一般情况下Δn₀＝0)；z_si是第i层的前表面到参考面R的光学深度(z_s0＝0)。

6)若被测样件(4)是单层材料，且其后表面不随温度变化而发生离面位移，假设p是被测样件后表面上的一个点，那么(3)式可写为：

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_1}{n_1}=\frac{{\mathrm{\Δ\Π}}_p}{2k_c(z_p-z_{s1})},---\left(4\right)$

由于z_s1，z_p和ΔΠ_p均可通过测量得到，因此(4)式可以计算出Δn₁/n₁。对于由多层不同材料组成的被测样件(4)，可以利用(4)式分别求解各材料的Δn_i/n_i，再将其带入(3)式求出w_p。

7)根据公式(3)，被测样件p点的离面位移场分布d_p可以表示为

$d_p=\frac{w_p-w_{\mathrm{sL}}}{n_L}+\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{w_{\mathrm{si}}-w_{s(i-1)}}{n_{i-1}}\right),---\left(5\right)$

其中w_si是第i层前表面的光学深度变化量(w_s0＝0)。

8)在图3所示的y-z平面中，若温度变化后ApCD变形为A′p′C′D′，那么p点的离面正应变可以表示为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zp}}=\frac{A^{\′}{p}^{\′}-A\·p}{\mathrm{Ap}},---\left(6\right)$

当材料变形较小时A′p′≈A′E，所以(6)式可以写为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zp}}=\frac{{\∂w}_p}{\∂z},---\left(7\right)$

9)系统的光学测量深度Δz和深度方向的光学轮廓测量分辨率δz分别是：

$\mathrm{\Δz}=\frac{N\·\mathrm{\π}}{2\·\mathrm{\Δk}},---\left(8\right)$

$\mathrm{\δz}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Δk}},---\left(9\right)$

其中N是CCD相机水平方向的像素数，Δk是光源的波数带宽。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置示意图；(1)是SD-OCT测量系统；(2)是温控单元；(3)是被测样件固定装置；(4)是被测样件；(5)是计算机；(11)是宽带光源；(12)是凸透镜；(13)是柱面镜；(14)是方形分光镜；(15)参考光楔；(16)是凸透镜；(17)是衍射光栅；(18)是凸透镜；(19)是CCD相机；(21)是加热装置；(22)是温度传感装置。

图2被测样件内部干涉示意图

图3离面正应变ε_zp和离面位移w_p的关系。

图4被测样件照片。

图5被测样件固定装置简图；(4)是被测样件；(31)是固定支座；(32)是不锈钢棒；(33)是球头千分丝杆；(34)是黑色ABS塑料平板。

图6被测样件切面轮廓图。

图7Δn₁/n₁与温度的关系

图8温度从50℃降温至38℃过程中被测样件的卷绕相位差，离面位移场和离面正应变场；从左至右的图片依次对应温度变化了-2℃，-5.7℃，-8.3℃，-10.7℃和-12℃。上层图片为卷绕相位差；中层图片为离面位移场等高线；下层图片为离面正应变场等高线。

具体实施方式

以单层硅胶样件为例，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细地说明。

本实施例中使用的SD-OCT测量系统(1)包括：被测样件(4)；宽带光源(11)(型号为SuperlumDiodes Ltd.，HP3，中心波数为7.48μm^-1，波数带宽为416mm^-1，输出功率为25mW)；焦距60mm的凸透镜(12)；焦距150mm的柱面镜(13)；50∶50的方形分光镜(14)；倾角3°的参考光楔(15)；焦距150mm的凸透镜(16)；1200线/mm的衍射光栅(17)；焦距400mm的凸透镜(18)；CCD相机(19)(PCO.1600，像素1600×1200，动态范围14bits)。

其中，图4为被测样件(4)的实物相片，是厚度为0.55mm的单层硅胶，由硅酮密封胶固化而成(折射率1.40)。

温控单元(2)，包括一个用于对被测样件(4)进行加热的电吹风，和一个用于对被测样件(4)的温度进行监测的红外热像仪。

被测样件固定装置(3)，如图5所示，由横架在固定支座(31)上的两根相距25mm的Φ6mm不锈钢棒(32)，球头千分丝杆(33)，黑色ABS塑料平板(34)构成，可以对被测样件(4)进行固定。

测量过程主要分为以下三步：1)将被测样件(4)粘在黑色ABS塑料平板(34)上，并利用电吹风将其加热至75℃；2)将加热后粘有被测样件的黑色ABS塑料平板用如图5所示的固定装置固定，当被测样件的温度降至50℃时开始测量；3)测量过程中，在计算机(5)上设置CCD相机(19)的曝光时间为200ms，延迟时间为2s，接着进行100张干涉光谱的连续拍摄。

对温度从50℃降温至38℃过程中，CCD相机拍摄到的100张干涉光谱进行分析，分析单层硅胶内部热变形场分布。

a)公式(1)等号右边的第一项和第三项均用高通滤波去除之后，公式(1)简化为：

$I\left(k\right)=2\underset{p=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{I_R{I}_p}\cos [{\mathrm{\φ}}_{p0}+2k\·z_p],---\left(10\right)$

提取第一张(温度降至50℃时)CCD相机拍摄的干涉光谱，使用波数带宽为Δk的采样窗口对上述干涉光谱进行采样傅里叶变换，并将其幅频特性的峰值频率乘以(2)式中的比例系数，可以得到如图6所示的被测样件的切面轮廓。图6中，样件的前后表面分别在z＝1.00mm和1.76mm处，前后表面的光程差除以折射率1.40，可得到被测样件厚度为0.546mm，这与预先测量结果一致。

b)本实施例中的被测样件(4)为单层硅胶。在测量过程中，被测样件被粘在黑色ABS塑料平板上。因为ABS平板的前表面被固定，且ABS的热膨胀系数远小于被测样件，因此，可以认为被测样件后表面在测量过程中不随温度变化而发生位移。若p点位于被测样件的后表面，那么样件的折射率变化可以通过下式计算：

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_1}{n_1}=\frac{{\mathrm{\Δ\Π}}_p}{2k_c(z_p-z_{s1})},---\left(11\right)$

其中z_s1和z_p可从如图6所示的被测样件切面轮廓图中得到，z_s1＝1.00mm，z_p＝1.76mm；中心波数k_c＝7.48μm^-1；提取温度变化前后被测样件后表面的相位差ΔII_p，通过公式(11)可计算出Δn₁/n₁，得到如图7所示的从50℃降温至38℃过程中，Δn₁/n₁随温度变化曲线图。

c)用CCD相机拍摄到的第一张干涉光谱作为参考状态，分别用第2，3，4，...，100张干涉光谱与其进行相位差计算，可以得到样件从50℃降温至38℃过程中的卷绕相位差图。图8上层所示为样件温度变化了-2℃，-5.7℃，-8.3℃，-10.7℃和-12℃时的卷绕相位差图。

d)本实施例中L＝1，w_s0＝0，n₀＝1，Δn₀＝0，那么公式(3)可以表示为：

$w_p=\frac{1}{2k_c}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Π}}_p-\frac{{\mathrm{\Δn}}_1}{n_1}\·(z_p-z_{s1}),---\left(12\right)$

其中z_s1＝1.00mm，z_p根据p点的位置进行取值，取值范围是1mm到1.76mm；Δn₁/n₁可从图7中得到。将如图8上层所示的卷绕相位差进行解卷绕，对解卷绕后的相位差分别沿y方向和z方向进行9阶和8阶的多项式拟合，接着根据公式(12)可计算出被测样件的光学深度变化量。

e)因L＝1，w_s0＝0，所以公式(5)可以简化为：

$d_p=\frac{w_p-w_{s1}}{n_1}+\frac{w_{s1}}{n_0}---\left(13\right)$

在本实施例中n₀＝1，n₁＝1.40。根据公式(13)可以得到被测样件的离面位移场分布，如图8中层所示。

f)根据公式(7)，对步骤(d)中获得的被测样件的光学深度变化量进行数值差分，可得到深度方向的离面正应变场等高线，如图8下层所示。

从图8中可以观察到，离面位移场为正，随着深度的增加不断减小。当温度降低时，其离面位移最大值从0.5μm增加至了2.8μm，表明样件在向平板的方向移动。同时，离面正应变场为负，且其最小值从-1.7mε减小到了-8.6mε，表明样件正处于不断的收缩当中。

g)CCD相机水平方向的像素数N是1600，光源的波数带宽Δk是416mm^-1。因此，根据公式(8)、(9)得到系统的光学测量深度Δz和深度方向的光学轮廓测量分辨率δz分别为5.98mm和15μm。

本发明的优点在于：

(1)对比其他变形场分布的透视测量方法，本专利的方法仅需要对材料变形前后进行两次干涉光谱的拍摄即可完成测量，测量速度快；可对材料内部热变形进行动态测量；

(2)内部层析轮廓测量分辨率高。

综上所述，在材料内部热变形研究领域，本发明所提出的一种透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置及方法具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置，依次包括一个谱域光学相干层析(SD-OCT)测量系统(1)，一个温控单元(2)，以及一个被测样件固定装置(3)。

2.根据权利要求1中所述的一种透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置，其特征在于，谱域光学相干层析(SD-OCT)测量系统(1)依次包括：被测样件(4)；宽带光源(11)；凸透镜(12)；柱面镜(13)；方形分光镜(14)；参考光楔(15)；凸透镜(16)；衍射光栅(17)；凸透镜(18)；CCD相机(19)。

3.根据权利要求1中所述的一种透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置，其特征在于，温控单元(2)包括一个加热装置(21)和一个温度传感装置(22)。

4.根据权利要求1中所述的一种透视测量高聚物材料内部热变形场分布的装置，其特征在于，被测样件固定装置(3)需保证被测样件(4)后表面在整个测量过程中位置不发生变化。

5.一种透视测量高聚物材料内部热变形场分布的方法，其具体步骤如下：

①如果被测样件(4)由多层不同材料叠加而成，且被测样件内部p点位于第L层。当被测样件发生热变形，p点移动到p′的位置时，发生的光学深度变化量w_p可以表示为：

其中k_c为中心波数；Δ∏_p是p点移动前后产生的相位差；n_i是第i层的折射率(其中n₀是被测样件所处环境的折射率，一般情况下是处于空气中，取n₀＝1)；Δn_i是移动前后第i层的折射率变化量(其中Δn₀是被测样件所处环境的折射率变化量，一般情况下Δn₀＝0)；z_si是第i层的前表面到参考面R的光学深度(z_s0＝0)。

②若被测样件(4)是单层材料，且其后表面不随温度变化而发生离面位移，假设p是被测样件后表面上的一个点，那么(1)式可写为：

由于z_sl，z_p和Δ∏_p均可通过测量得到，因此(2)式可以计算出Δn₁/n₁。对于由多层不同材料组成的被测样件，可以利用(2)式分别求解各材料的Δn_i/n_i，再将其带入(1)式求出w_p。

③根据公式(1)，被测样件(4)内部p点的离面位移场分布d_p为：

其中w_si是第i层前表面的光学深度变化量(w_s0＝0)。

④温度变化后，被测样件(4)内部p点深度方向的离面正应变w_p为：

。