CN106248677A - 高聚物复合材料的固化程度检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高聚物复合材料的固化程度检测方法，包括：第一激光束通过第一光路至分光棱镜的第一输入端，并从分光棱镜的第一输出端输出至待测样品；第一激光束经过所述待测样品表面反射的第一反射光束以及第一激光束经过所述待测样品内部反射的第二反射光束，进入分光棱镜，并从分光棱镜的第二输出端输出至第二光路；采集第一反射光束以及所述第二反射光束产生的干涉光谱；根据干涉光谱计算待测样品内部的固化场分布。实现了非接触、高精度测量高聚物复合材料内部沿深度方向分辨的固化场分布情况。本申请还公开一种高聚物复合材料的固化程度检测系统，具有上述有益效果。

Description

高聚物复合材料的固化程度检测方法及系统

技术领域

本发明涉及高聚物复合材料固化程度检测技术领域，特别涉及一种高聚物复合材料的固化程度检测方法，还涉及一种高聚物复合材料的固化程度检测系统。

背景技术

高聚物复合材料作为一种轻质高强的新型材料，被越来越多地被应用于工业生产的多项领域当中。然而高聚物基体在固化过程中的聚合收缩，一方面会使构件内部产生残余应力，另一方面也会使其内部和表面产生不同程度的缺陷，极大的限制了它在高新工业等关键领域的应用与推广。目前，常用的优化手段主要是改变固化过程的温度、调整固化过程的恒温时间等方法，但是这些手段的实施都依赖于对高聚物复合材料固化程度的检测，因此，相关的检测方法是高聚物复合材料构件制作过程中必不可少的环节之一。

高聚物复合材料固化程度的检测方法大体可以分为两类，一类是基于折射率变化的测量方法；另一类是基于收缩变形的测量方法。其中，折射率的测量方法通常需要在被测样品当中埋入光纤传感器，根据测量到折射率变化速率判断材料的固化程度。而基于收缩变形的方法通常采用对被测样品位移或应变的测量，根据测量到的变化速率判断材料的固化程度。这两类方法虽然得到材料整体的固化程度或者表面的固化程度，却不能测量材料内部沿深度方向分辨的固化场层析分布情况。

因此，如何测量高聚物复合材料内部沿深度方向分辨的固化场分布情况是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高聚物复合材料的固化程度检测方法，测量高聚物复合材料内部沿深度方向分辨的固化场分布情况。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高聚物复合材料的固化程度检测方法，包括：

第一激光束通过第一光路至分光棱镜的第一输入端，并从所述分光棱镜的第一输出端输出至待测样品；

所述第一激光束经过所述待测样品表面反射的第一反射光束以及所述第一激光束经过所述待测样品内部反射的第二反射光束，进入所述分光棱镜，并从所述分光棱镜的第二输出端输出至第二光路；

采集所述第一反射光束以及所述第二反射光束产生的干涉光谱；

根据所述干涉光谱计算所述待测样品内部的固化场分布。

优选的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测方法中，还包括：

从所述分光棱镜的第二输入端输入的第二激光束，所述第二激光束从所述分光棱镜的第二输出端输出至所述第二光路。

优选的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测方法中，所述根据所述干涉光谱计算所述待测样品内部的固化场分布包括：

将所述干涉光谱沿波数方向进行傅里叶变换，解调出所述待测样品内部光程差的变化场

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}(x,y,z,t)=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)---\left(1\right)$

其中，Δφ为所述待测样品在两个不同固化状态下的干涉光谱的相位差，ΔΛ为所述待测样品在两个不同固化状态下的光程差变化量，(x,y,z)表示所述待测样品内部的空间三维坐标，t表示固化时间，λ_C所述第一激光束的中心波长；

对所述光程差变化场沿所述空间三维坐标的z方向进行差分运算，得到

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)}{\∂z}=n_1\·{\mathrm{\ϵ}}_z(x,y,z,t)+{\mathrm{\Δn}}_1(x,y,z,t)---\left(2\right)$

其中，ε_z为离面应变，n₁为所述待测样品的折射率，Δn₁为所述待测样品的折射率变化量，C为固化度；

根据所述固化度与所述离面应变的线性关系以及所述固化度与所述折射率变化量的线性关系，将式(2)进行变换，得到

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)}{\∂z}=(n_1\·{\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\·C(x,y,z,t)+n_1\·{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2---\left(3\right)$

其中，β₁，β₂分别为所述待测样品种类的相关常量。

本发明还提供了一种高聚物复合材料的固化程度检测系统，包括：

激光器，用于产生第一激光束；

第一光路包括在所述激光器的输出端依次放置的第一凸透镜、第二凸透镜、光阑、第三凸透镜以及柱面镜；

第二光路包括在所述分光棱镜的第二输出端依次放置的第四凸透镜、反射式衍射光栅以及第五凸透镜；

图像采集装置，用于采集所述第一反射光束以及所述第二反射光束产生的干涉光谱；

数据处理器，用于根据所述干涉光谱计算所述待测样品内部的固化场分布。

优选的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统中，所述激光器还用于产生第二激光束。

优选的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统中，还包括光纤耦合器，用于将所述第一激光束分配至所述第一光路的输入端，和将所述第二激光束分配至所述分光棱镜的第二输入端。

优选的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统中，所述光纤耦合器的分光比为90:10或99:1。

优选的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统中，，所述激光器为超辐射发光二极管，其中心波长范围750mm-840nm，带宽范围为20nm-100nm。

优选的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统中，所述第一凸透镜、所述第二凸透镜以及所述第三凸透镜的焦距范围均为50mm-60mm，所述柱面镜的焦距范围为100mm-150mm，所述第四凸透镜的焦距范围为40mm-60mm，所述第五凸透镜的焦距范围为200mm-300mm。

优选的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统中，所述图像采集装置为CCD相机。

本发明所提供的一种高聚物复合材料的固化程度检测方法，包括：第一激光束通过第一光路至分光棱镜的第一输入端，并从所述分光棱镜的第一输出端输出至待测样品；所述第一激光束经过所述待测样品表面反射的第一反射光束以及所述第一激光束经过所述待测样品内部反射的第二反射光束，进入所述分光棱镜，并从所述分光棱镜的第二输出端输出至第二光路；采集所述第一反射光束以及所述第二反射光束产生的干涉光谱；根据所述干涉光谱计算所述待测样品内部的固化场分布。

通过测量经过高聚物复合材料表面与内部反射后的第一反射光束与第二形成的干涉光谱，通过干涉光谱的计算得到高聚物复合材料内部的固化程场的分布情况，实现了非接触、高精度测量高聚物复合材料内部沿深度方向分辨的固化场分布情况。

本发明还提供一种高聚物复合材料的固化程度检测系统，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的高聚物复合材料的固化程度检测方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的高聚物复合材料的固化程度检测系统示意图；

图3为本发明实施例所提供的环氧树脂在固化过程中的相位差分布图和固化场分布图；

图4为本发明实施例所提供的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料在固化过程中相位差分布图和固化场分布图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种高聚物复合材料的固化程度检测方法及系统，能够实现测量高聚物复合材料内部沿深度方向分辨的固化场分布情况。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的高聚物复合材料的固化程度检测方法流程图。

在一种具体的实施方式中，提供了一种高聚物复合材料的固化程度检测方法，包括：

步骤S1：第一激光束通过第一光路至分光棱镜的第一输入端，并从所述分光棱镜的第一输出端输出至待测样品。

其中，第一光路的作用是将第一激光束进行聚焦，以便于从分光棱镜的第一输入端进入，第一光路可以包括过个聚焦透镜，以及限制光束照射范围的光阑等，待测样品放置于分光棱镜的第一输出端一侧，使得第一激光束经过分光棱镜之后照亮待测样品。

步骤S2：所述第一激光束经过所述待测样品表面反射的第一反射光束以及所述第一激光束经过所述待测样品内部反射的第二反射光束，进入所述分光棱镜，并从所述分光棱镜的第二输出端输出至第二光路。

其中，第一激光束照射待测样品之后会在其表面以及内部例如第一深度形成两束反射光线，第一反射光束与第二反射光束之间形成光程差，两条反射光束进行干涉，形成干涉光谱，目的是为测量第一深度的固化场分布做铺垫。

需要说明的是，第一激光束在待测样品内部形成的反射光线有多条，分别表示了第一激光束在待测样品内部不同深度的反射光线。

步骤S3：采集所述第一反射光束以及所述第二反射光束产生的干涉光谱；

其中，将采集到的干涉光谱通过数据线传输到上位机进行分析与计算。

步骤S4：根据所述干涉光谱计算所述待测样品内部的固化场分布。

本发明提供的高聚物复合材料的固化程度检测方法，通过测量经过高聚物复合材料表面与内部反射后的第一反射光束与第二形成的干涉光谱，通过干涉光谱的计算得到高聚物复合材料内部的固化程场的分布情况，实现了非接触、高精度测量高聚物复合材料内部沿深度方向分辨的固化场分布情况。

在上述高聚物复合材料的固化程度检测方法的基础上，还包括：

从所述分光棱镜的第二输入端输入的第二激光束，所述第二激光束从所述分光棱镜的第二输出端输出至所述第二光路。

其中，第二激光束作为参考光束，一方面起到照明作用，另一方面，由于第一激光束在经过待测样品反射后得到的第一反射光线以及第二反射光线的光强减弱，不容易被采集，导致干涉光谱不清晰，为了避免上述情况的发生，通过第二激光束补充光能，使最终得到的干涉光谱更加清晰准确。

进一步的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测方法中，所述根据所述干涉光谱计算所述待测样品内部的固化场分布包括：

将所述干涉光谱沿波数方向进行傅里叶变换，解调出所述待测样品内部光程差的变化场

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}(x,y,z,t)=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)---\left(1\right)$

其中，Δφ为所述待测样品在两个不同固化状态下的干涉光谱的相位差，ΔΛ为所述待测样品在两个不同固化状态下的光程差变化量，(x,y,z)表示所述待测样品内部的空间三维坐标，t表示固化时间，λ_C所述第一激光束的中心波长；

对所述光程差变化场沿所述空间三维坐标的z方向进行差分运算，得到

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)}{\∂z}=n_1\·{\mathrm{\ϵ}}_z(x,y,z,t)+{\mathrm{\Δn}}_1(x,y,z,t)---\left(2\right)$

其中，ε_z为离面应变，n₁为所述待测样品的折射率，Δn₁为所述待测样品的折射率变化量，C为固化度；

根据所述固化度与所述离面应变的线性关系以及所述固化度与所述折射率变化量的线性关系，将式(2)进行变换，得到

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)}{\∂z}=(n_1\·{\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\·C(x,y,z,t)+n_1\·{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2---\left(3\right)$

其中，β₁，β₂分别为所述待测样品种类的相关常量。

式(2)得到的光程差变化场的差分结果可以用来监视高聚物复合材料的待测样品的固化场的分布情况。

请参阅图3和图4，图3为本发明实施例所提供的环氧树脂在固化过程中的相位差分布图和固化场分布图，图4为本发明实施例所提供的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料在固化过程中相位差分布图和固化场分布图；其中，图3表明环氧树脂在固化初期具有较强的流动性，图4表明受复合材料内部玻璃纤维的影响，其固化初期就表现出有规律的固化收缩。

下面对本发明实施例提供的一种高聚物复合材料的固化程度检测系统进行介绍，下文描述的一种高聚物复合材料的固化程度检测系统与方法可相互对应参照。

请参考图2，图2为本发明实施例所提供的高聚物复合材料的固化程度检测系统示意图。

高聚物复合材料的固化程度检测系统，包括：

激光器01，用于产生第一激光束；

第一光路包括在所述激光器01的输出端依次放置的第一凸透镜03、第二凸透镜04、光阑05、第三凸透镜06以及柱面镜07；

第二光路包括在所述分光棱镜的第二输出端依次放置的第四凸透镜10、反射式衍射光栅11以及第五凸透镜12；

图像采集装置13，用于采集所述第一反射光束以及所述第二反射光束产生的干涉光谱；

数据处理器14，用于根据所述干涉光谱计算所述待测样品内部的固化场分布。

进一步的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统中，所述激光器01还用于产生第二激光束。

在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统的基础上，还包括光纤耦合器02，用于将所述第一激光束分配至所述第一光路的输入端，和将所述第二激光束分配至所述分光棱镜08的第二输入端。

进一步的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统中，所述光纤耦合器02的分光比为90:10或99:1。

其中，分光比范围包括但不限于上述范围，根据需要对分光进行设置，均在保护范围之内。

在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统的基础上，所述激光器01为超辐射发光二极管，其中心波长范围750mm-840nm，带宽范围为20nm-100nm。

其中，激光器01包括但不限于超辐射发光二极管，还可以为其它类型的激光装置，例如，红外激光器01等，中心波长与带宽范围也根据实际情况进行设定。均在保护范围之内。

进一步的，在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统中，所述第一凸透镜03、所述第二凸透镜04以及所述第三凸透镜06的焦距范围均为50mm-60mm，所述柱面镜07的焦距范围为100mm-150mm，所述第四凸透镜10的焦距范围为40mm-60mm，所述第五凸透镜12的焦距范围为200mm-300mm。

在上述高聚物复合材料的固化程度检测系统的基础上，所述图像采集装置13为CCD相机。

其中，CCD相机为电耦合相机，具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击等特性，需要指出的是所述图像采集装置包括但不限于CCD相机，还可以为其它图像获取装置，例如摄像机、CMOS相机等，均在保护范围之内。

本发明还提供一种高聚物复合材料的固化程度检测系统，具有上述有益效果，在此不再赘述。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高聚物复合材料的固化程度检测方法，其特征在于，包括：

第一激光束通过第一光路至分光棱镜的第一输入端，并从所述分光棱镜的第一输出端输出至待测样品；

所述第一激光束经过所述待测样品表面反射的第一反射光束以及所述第一激光束经过所述待测样品内部反射的第二反射光束，进入所述分光棱镜，并从所述分光棱镜的第二输出端输出至第二光路；

采集经过所述第二光路的所述第一反射光束以及所述第二反射光束产生的干涉光谱；

根据所述干涉光谱计算所述待测样品内部的固化场分布。

2.如权利要求1所述的高聚物复合材料的固化程度检测方法，其特征在于，还包括：

从所述分光棱镜的第二输入端输入的第二激光束，所述第二激光束从所述分光棱镜的第二输出端输出至所述第二光路。

3.如权利要求2所述的高聚物复合材料的固化程度检测方法，其特征在于，所述根据所述干涉光谱计算所述待测样品内部的固化场分布包括：

将所述干涉光谱沿波数方向进行傅里叶变换，解调出所述待测样品内部光程差的变化场

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}(x,y,z,t)=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)---\left(1\right)$

其中，Δφ为所述待测样品在两个不同固化状态下的干涉光谱的相位差，ΔΛ为所述待测样品在两个不同固化状态下的光程差变化量，(x,y,z)表示所述待测样品内部的空间三维坐标，t表示固化时间，λ_C所述第一激光束的中心波长；

对所述光程差变化场沿所述空间三维坐标的z方向进行差分运算，得到

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)}{\∂z}=n_1\·{\mathrm{\ϵ}}_z(x,y,z,t)+{\mathrm{\Δn}}_1(x,y,z,t)---\left(2\right)$

其中，ε_z为离面应变，n₁为所述待测样品的折射率，Δn₁为所述待测样品的折射率变化量，C为固化度；

根据所述固化度与所述离面应变的线性关系以及所述固化度与所述折射率变化量的线性关系，将式(2)进行变换，得到

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)}{\∂z}=(n_1\·{\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\·C(x,y,z,t)+n_1\·{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2---\left(3\right)$

其中，β₁，β₂分别为所述待测样品种类的相关常量。

4.一种高聚物复合材料的固化程度检测系统，其特征在于，包括：

激光器，用于产生第一激光束；

第一光路包括在所述激光器的输出端依次放置的第一凸透镜、第二凸透镜、光阑、第三凸透镜以及柱面镜；

分光棱镜，设置于所述第一光路输出端与所述待测样品之间；

第二光路包括在分光棱镜的第二输出端依次放置的第四凸透镜、反射式衍射光栅以及第五凸透镜；

图像采集装置，用于采集所述第一反射光束以及所述第二反射光束产生的干涉光谱；

数据处理器，用于根据所述干涉光谱计算所述待测样品内部的固化场分布。

5.如权利要求4所述的高聚物复合材料的固化程度检测系统，其特征在于，所述激光器还用于产生第二激光束。

6.如权利要求5所述的高聚物复合材料的固化程度检测系统，其特征在于，还包括光纤耦合器，用于将所述第一激光束分配至所述第一光路的输入端，和将所述第二激光束分配至所述分光棱镜的第二输入端。

7.如权利要求6所述的高聚物复合材料的固化程度检测系统，其特征在于，所述光纤耦合器的分光比为90:10或99:1。

8.如权利要求7所述的高聚物复合材料的固化程度检测系统，其特征在于，所述激光器为超辐射发光二极管，其中心波长范围为750nm-840nm，带宽范围为20nm-100nm。

9.如权利要求8所述的高聚物复合材料的固化程度检测系统，其特征在于，所述第一凸透镜、所述第二凸透镜以及所述第三凸透镜的焦距范围均为50mm-60mm，所述柱面镜的焦距范围为100mm-150mm，所述第四凸透镜的焦距范围为40mm-60mm，所述第五凸透镜的焦距范围为200mm-300mm。

10.如权利要求9所述的高聚物复合材料的固化程度检测系统，其特征在于，所述图像采集装置为CCD相机。