CN106323809A - 一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置，以激光发生器、激光束形框、偏振元件、样品位置调整系统、光学透镜、波前传感器和计算机为主要组成部件；所述激光束形框与激光发生器的激光束出口连接，起调节激光束形状的作用；所述样品位置调整系统通过样品夹具将待测等厚透明高聚物制品夹紧；所述计算机同时与样品位置调整系统及波前传感器通过通讯线缆连接；所述一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置就绪时，激光发生器、激光束形框、偏振元件、待测等厚透明高聚物制品、光学透镜和波前传感器依次排列且各中心点在激光束中心线上。本发明主要特色在于采用非破坏性测量方法，可获得样品平面内所有点的密度连续分布，且不会对被测样品带来污染。

Description

一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置

技术领域

本发明涉及一种透明制品的密度连续分布测定装置，具体涉及一种等厚透明高聚物(高分子聚合物)制品的密度连续分布测定装置。

背景技术

随着国家节能减排理念的不断深入人心，“轻量化设计”在机械装备设计及制造中越来越受到人们的青睐。实现“轻量化”的其中一个突出表现为“以塑代钢”，即在汽车及其他装备中采用轻质高性能的高聚物材料及其复合材料来代替传统的金属材料。透明高聚物作为高聚物的一大分支，在光学、医学及航空航天等领域发挥着越来越重要的作用，而等厚透明高聚物制品作为典型的装备零部件，其应用范围极为广泛；随着“中国制造2025”这一制造强国战略的实施，对高端装备的质量要求不断提高，因此如何进一步提升该类产品性能是众多科研机构和企业关注的焦点。

目前等厚透明高聚物的主要成形加工方法为注射成形和挤出成形，在这两种成形方法中，透明高聚物材料在注射机/挤出机螺杆的剪切力场和电加热双重效应作用下逐渐融化，然后熔融物料在一定的压力条件下由螺杆推动进入/流经等厚注射模具/挤出模头，最后冷却定型为所需的等厚制品。众所周知，高聚物融体为典型的黏弹性流体，成形加工过程中受到高温下复杂耦合热力和机械力的反复作用，其黏弹响应也会相应发生复杂的变化，从而导致冷却后制品各处密度的波动，进而引起力学强度的变化，最终影响产品的服役年限。因此，就实际应用角度而言，很有必要对等厚透明高聚物制品的密度连续分布进行系统的测定，以便在制品服役期内为其保养维护提供实验数据支撑，同时可反过来为其注射成形/挤出成形工艺的优化提供宝贵的实践数据。

测量高聚物材料密度ρ的传统方法为采用天平测量其质量m，用液体法测量其体积v，然后根据ρ＝m/v计算得出密度。上述基于密度基本原理公式的方法为直接测量法，其优点为适用性广、操作简单，但所得结果为高聚物材料的平均密度值，而无法获得高聚物材料的密度连续分布规律；此外，上述传统直接测量法不适于光学、航空航天等特殊领域的透明高聚物产品密度的检测，因为测试过程中在液体中的浸泡会改变产品的吸水量，进而影响其使用性能。因而，针对某些特殊产品需要寻求更为适合的密度及其分布间接测量方法。专利(申请公布号：CN 102692362 A；专利名称：高分子聚合物材料密度分布的超声波成像检测方法)针对航空航天领域高聚物材料密度分布均匀特性检测难的问题，提出了一种基于超声波技术的高聚物材料密度分布的无损检测方法。然而，该专利存在如下明显缺陷：(1)基于超声波技术的密度测量方法，其精确度较低；(2)该密度测量装置中的探头(超声波发射/接收探头)需要与被测物体(高聚物产品)进行实体接触，从而不适于光学领域等具有特殊防接触要求的产品密度测量；(3)更为关键的是，超声波探头与被测物体之间需要涂抹特定的耦合剂，因而会造成被测物体的物理甚至是化学污染。综上所述，为实现等厚透明高聚物制品密度连续分布的非接触式测量，目前该领域依然存在许多问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置，以便测量具备特殊要求的高聚物产品密度分布，为服役期内的制品维护提供实验数据支撑，同时反过来为注射成形/挤出成形工艺的优化提供宝贵的实践数据。为实现上述目的，本发明采取以下技术解决方案：

本发明提供的一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置包含激光发生器、激光束形框、偏振元件、样品位置调整系统、光学透镜、波前传感器和计算机；所述激光束形框与激光发生器的激光束出口连接，起调节激光束形状的作用；所述样品位置调整系统通过样品夹具将待测等厚透明高聚物制品夹紧；所述计算机同时与样品位置调整系统及波前传感器通过通讯线缆连接；所述一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置就绪时，激光发生器、激光束形框、偏振元件、待测等厚透明高聚物制品、光学透镜和波前传感器依次排列且各中心点在激光束中心线上。

所述一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置工作时，开启激光发生器产生激光源，激光源经过激光束形框后形成方形或圆形(可根据需要进行调整)的激光束，激光束经过偏振元件后变为平面偏振光，平面偏振光透过待测等厚透明高聚物制品后再通过光学透镜，最后到达波前传感器；由于待测等厚透明高聚物制品平面上各处的折光系数存在差异，导致经过其的偏振光波前发生变化，而该变化被波前传感器捕捉并记录下来，具体步骤如下：

(1)假设待测等厚透明高聚物制品上任一考察点(设为A点)的光程为l_A、折光系数为n_A、密度为ρ_A，并设参考点(设为O点)的相应值为l₀、n₀和ρ₀，则该考察点相对于参考点的光程差为Δl_A＝l_A-l₀，相对折光系数为Δn_A＝n_A-n₀，相对密度为Δρ_A＝ρ_A-ρ₀；

(2)因待测等厚透明高聚物制品的厚度d为恒量且已知，根据物理光学基础理论知识，求得该待测等厚透明高聚物制品A点处的相对折光系数为Δn_A＝Δl_A/d；

(3)根据该待测等厚透明高聚物制品所用材料的密度常数ρ和折光系数常数n，可进一步根据简化微分麦克斯韦公式(式(1))求得该待测等厚透明高聚物制品A点处的相对密度Δρ_A；

${\mathrm{\Δ\ρ}}_A=\frac{6\mathrm{\ρ}}{n^3+n-2/n}\·{\mathrm{\Δn}}_A---\left(1\right)$

(4)不断重复上述(1)～(3)步骤，可获得待测等厚透明高聚物制品其他所有点的相对密度，从而获得整个制品的密度连续分布图；

(5)进一步地，如采用特定方法确定待测等厚透明高聚物制品参考点(O点)的密度绝对值，便可获得待测等厚透明高聚物制品整个平面的密度绝对值连续分布图。

本发明具备实质新颖性，主要特色在于：采用非破坏性测量方法，且可获得样品平面内所有点的密度连续分布；测量精度高，且不会对被测样品带来污染。

附图说明

图1为本发明中一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置的构成示意图；

图2为针对本发明实施例一的图1样品位置调整系统的A向视图；

图3为本发明实施例一中获得的样品密度连续分布图；

图4为针对本发明实施例二的图1样品位置调整系统的A向视图。

图中：10、激光发生器；20、激光束形框；30、激光束中心线；40、偏振元件；50、待测等厚透明高聚物制品；51、样品位置调整系统；52、样品夹具；53、激光光斑；60、光学透镜；70、波前传感器；80、计算机；90、通讯线缆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

参照图1～图4，本发明提供的一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置包含激光发生器10、激光束形框20、偏振元件40、样品位置调整系统51、光学透镜60、波前传感器70和计算机80；所述激光束形框20与激光发生器10的激光束出口连接，起调节激光束形状的作用；所述样品位置调整系统51通过样品夹具52将待测等厚透明高聚物制品50夹紧；所述计算机80同时与样品位置调整系统51及波前传感器70通过通讯线缆90连接；所述一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置就绪时，激光发生器10、激光束形框20、偏振元件40、待测等厚透明高聚物制品50、光学透镜60和波前传感器70依次排列且各中心点在激光束中心线30上。

所述一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置工作时，开启激光发生器10产生激光源，激光源经过激光束形框20后形成方形或圆形(可根据需要进行调整)的激光束，激光束经过偏振元件40后变为平面偏振光，平面偏振光透过待测等厚透明高聚物制品50后再通过光学透镜60，最后到达波前传感器70；由于待测等厚透明高聚物制品50平面上各处的折光系数存在差异，导致经过其的偏振光波前发生变化，而该变化被波前传感器70捕捉并记录下来，具体步骤如下：

(1)假设待测等厚透明高聚物制品50上任一考察点(设为A点)的光程为l_A、折光系数为n_A、密度为ρ_A，并设参考点(设为O点)的相应值为l₀、n₀和ρ₀，则该考察点相对于参考点的光程差为Δl_A＝l_A-l₀，相对折光系数为Δn_A＝n_A-n₀，相对密度为Δρ_A＝ρ_A-ρ₀；

(2)因待测等厚透明高聚物制品50的厚度d为恒量且已知，根据物理光学基础理论知识，求得该待测等厚透明高聚物制品50在A点处的相对折光系数为Δn_A＝Δl_A/d；

(3)根据该待测等厚透明高聚物制品50的密度常数ρ和折光系数常数n，可进一步根据简化微分麦克斯韦公式(式(1))求得该待测等厚透明高聚物制品50在A点处的相对密度Δρ_A；

${\mathrm{\Δ\ρ}}_A=\frac{6\mathrm{\ρ}}{n^3+n-2/n}\·{\mathrm{\Δn}}_A---\left(1\right)$

(4)不断重复上述(1)～(3)步骤，可获得待测等厚透明高聚物制品50其他所有点的相对密度，从而获得整个制品的密度连续分布图；

(5)进一步地，如采用特定方法确定待测等厚透明高聚物制品50参考点(O点)的密度绝对值，便可获得待测等厚透明高聚物制品50整个平面的密度绝对值连续分布图。

实施例一

参照图2，本实施例中，激光发生器10产生的激光源经过激光束形框20后形成圆形激光束，且待测等厚透明高聚物制品50的外形为圆形，圆形激光束形成的圆形激光光斑53的直径略小于待测等厚透明高聚物制品50的直径，此时无需调节样品位置调整系统51的位置即可完成测量。取待测等厚透明高聚物制品50的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其直径为40mm、厚度为0.45mm、折光系数为1.489、密度为1.172g/cm³。通过本发明所述一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置测量后，该待测等厚透明高聚物制品50的密度连续分布(密度变化值)如图3所示。

实施例二

参照图4，本实施例中，激光发生器10产生的激光源经过激光束形框20后形成方形激光束，且待测等厚透明高聚物制品50的外形为方形，方形激光束形成的方形激光光斑53的边长远小于待测等厚透明高聚物制品50的边长，此时需要沿x和y两个方向调节样品位置调整系统51的位置方能完成测量。

以上所述实施例为本发明的最佳实施例，但并非用以限制本发明。在不背离本发明原理情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所属的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置，其特征在于：包含激光发生器、激光束形框、偏振元件、样品位置调整系统、光学透镜、波前传感器和计算机；所述激光束形框与激光发生器的激光束出口连接，起调节激光束形状的作用；所述样品位置调整系统通过样品夹具将待测等厚透明高聚物制品夹紧；所述计算机同时与样品位置调整系统及波前传感器通过通讯线缆连接；所述一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置就绪时，激光发生器、激光束形框、偏振元件、待测等厚透明高聚物制品、光学透镜和波前传感器依次排列且各中心点在激光束中心线上。

2.根据权利要求1所述的一种等厚透明高聚物制品的密度连续分布测定装置，其特征在于：工作时，开启激光发生器产生激光源，激光源经过激光束形框后形成方形或圆形(可根据需要进行调整)的激光束，激光束经过偏振元件后变为平面偏振光，平面偏振光透过待测等厚透明高聚物制品后再通过光学透镜，最后到达波前传感器；由于待测等厚透明高聚物制品平面上各处的折光系数存在差异，导致经过其的偏振光波前发生变化，而该变化被波前传感器捕捉并记录下来，具体步骤如下：

(1)假设待测等厚透明高聚物制品上任一考察点(设为A点)的光程为l_A、折光系数为n_A、密度为ρ_A，并设参考点(设为O点)的相应值为l₀、n₀和ρ₀，则该考察点相对于参考点的光程差为Δl_A＝l_A-l₀，相对折光系数为Δn_A＝n_A-n₀，相对密度为Δρ_A＝ρ_A-ρ₀；

(2)因待测等厚透明高聚物制品的厚度d为恒量且已知，根据物理光学基础理论知识，求得该待测等厚透明高聚物制品A点处的相对折光系数为Δn_A＝Δl_A/d：

(3)根据该待测等厚透明高聚物制品所用材料的密度常数ρ和折光系数常数n，可进一步根据简化微分麦克斯韦公式(式(1))求得该待测等厚透明高聚物制品A点处的相对密度Δρ_A；

${\mathrm{\Δ\ρ}}_A=\frac{6\mathrm{\ρ}}{n^3+n-2/n}\·{\mathrm{\Δn}}_A---\left(1\right)$

(4)不断重复上述(1)～(3)步骤，可获得待测等厚透明高聚物制品其他所有点的相对密度，从而获得整个制品的密度连续分布图；

(5)进一步地，如采用特定方法确定待测等厚透明高聚物制品参考点(O点)的密度绝对值，便可获得待测等厚透明高聚物制品整个平面的密度绝对值连续分布图。