CN107024454B - 一种便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置，激光发射源发射单色激光光束，测距分光器用于对单色激光光束进行分波与合波，测距分光器包括分光镜、反射镜，由激光发射源发出的单色激光光束被分光镜分成反射光束S1与透射光束S2，透射光束S2垂直射向物料观测台上的聚氨酯泡沫，其被聚氨酯泡沫反射的光束作为S1’，反射光束S1被竖直的反射镜反射得到的光束作为S3，S3与S1’在分光镜处汇合并进行干涉。信号接收器接收激光发射源发出的穿过聚氨酯泡沫后的光信号。本发明装置可通过光信号的实时变化同时监测发泡倍率及泡孔变化，能更全面的对发泡材料孔结构的变化进行观察与研究，同时，拆卸和组装方便，便于携带。
Description
技术领域
本发明属于无损技术测试领域，尤其涉及一种便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置。
背景技术
聚氨酯泡沫是以异氰酸酯和聚醚为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物。聚氨酯泡沫塑料应用范围十分广泛，几乎渗透到国民经济各方面，特别在家具、床具、运输、冷藏、建筑、绝热等方面使用得十分普遍，已成为不可缺少的材料之一。影响聚氨酯泡沫材料各项性能最主要的因素是其微观泡孔结构，目前主要针对发泡完毕后的泡沫泡孔结构进行各项性能表征，而没有对发泡过程中某一时刻泡孔的变化情况进行实时动态观察的表征方法，从而不能更全面的对聚氨酯发泡材料进行研究和改性。
扩散波光谱学(Diffusing-Wave Spectroscopy，DWS)是由动态光散射技术发展而来的，在扩散波光谱试验中，光线被多次散射，这样可以精确探测到颗粒的位移，由此可以分析出复合流体的特性。近年来，DWS技术的应用越来越多，如监测乳液涂膜成膜过程，测量食品凝胶、牛奶和其他乳剂性食品的流变学性质及其内部微观结构，在医药中用于观察血液中红细胞的移动速度，悬浮液聚合物的粒度分析等。利用DWS的技术原理对聚氨酯泡沫材料中泡孔结构变化进行动态表征也极具潜力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置，本发明装置可通过光信号的实时变化同时监测发泡倍率及泡孔变化，能更全面地对发泡材料孔结构的变化进行观察与研究，同时，拆卸和组装方便，便于携带。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置，包括发泡装置、激光发射源、测距分光器、信号接收器、测距感应器、信号处理器，其中聚氨酯泡沫原料盛放在发泡装置中的水平物料观测台上，激光发射源置于发泡装置上方，激光发射源用于发射单色激光光束，所述单色激光光束垂直射向所述物料观测台；测距分光器设置在激光发射源与发泡装置之间，用于对单色激光光束进行分波与合波，测距分光器包括分光镜、反射镜，由激光发射源发出的单色激光光束被分光镜分成反射光束S1与透射光束S2，透射光束S2垂直射向物料观测台上的聚氨酯泡沫，其被聚氨酯泡沫反射的光束作为S1’，反射光束S1被竖直的反射镜反射得到的光束作为S3，S3与S1’在分光镜处汇合并进行干涉，产生干涉条纹并被测距感应器接收；由于发泡厚度不断变化导致激光束S3与S1’光程差发生改变，即干涉条纹明暗变化，这种光信号变化经测距感应器转换为电信号传给信号处理器处理，经处理后由计数器计数，从而实现对泡沫发泡倍率的实时监测。信号接收器设置在发泡装置的正下方，用于接收激光发射源发出的穿过聚氨酯泡沫后的光信号；大部分透射光束S2打入聚氨酯泡沫材料内部，发生透射和散射，并投射到下方的信号接收器上，光束S2通过聚氨酯泡沫材料后会发生散射，形成散射光斑，由于发泡过程中聚氨酯泡沫材料泡孔结构不断变化，散射光斑与透射光强会随之改变，这种光信号变化经信号接收器接收，并转换为数字信号。具体为，信号接收器在物料观测台后高速摄取散射斑图像，信号接收器中的光照度传感器接收激光透射光强变化并传输给信号处理器。数字信号经数据处理后，获得聚氨酯泡沫材料发泡过程中孔结构的尺寸、大小分布及流变学性能的实时变化数据。随着发泡的进行，通过信号接收器中电耦合器件CCD将散射光斑明暗变化图像进行高速拍摄，通过光照度传感器探测透射光光强变化信息并传给信号处理器进行处理，实现聚氨酯泡沫材料孔结构参数获取。信号处理器处理信号接收器的光信号数据并计算发泡过程中泡孔孔径、泡孔分布、微流变信息，信号处理器处理测距感应器的光信号数据并计算泡沫发泡倍率。
按上述技术方案，聚氨酯泡沫材料的发泡厚度变化量为d：
其中，λ为激光发射源所发射单色激光光束的波长，N为根据测距感应器得到的干涉条纹数量。
按上述技术方案，聚氨酯泡沫发泡过程中泡孔孔径数据为：
R＝κT/6πηD0 (2)
D0＝1/τ0k0 2 (3)
式中D0为气泡扩散系数，η为介质的粘度，T为绝对温度，κ是任意常数，其中，气泡扩散系数D0根据(3)式计算得出，式(3)中τ0为特征衰减时间，由信号接收器检测散射光偏振方向与入射光偏振方向垂直或平行的γ值得出，式中k0＝2π/λ，λ为介质中光的波长；(4)式中αVH与αVV通过两次不同偏振状态实验测得，αVH为偏振方向与入射光偏振方向垂直的振幅，αVV为偏振方向与入射光偏振方向平行的振幅。γ因子为与检测角度，样品池，表面反射和粒径有关的变量，以<γ>＝(γVV+γVH)/2来克服γ的不确定性，γVH为检测偏振方向与入射光偏振方向垂直的γ值，γVV为检测偏振方向与入射光偏振方向平行的γ值。
按上述技术方案，通过信号接收器的测量得到多次散射光光强的自相关函数g2(τ),g2(τ)表征散射光的强度波动，同时根据微粒在粘弹性液体中扩散普遍化Langevin方程计算出粘弹性模量,得出气泡均方位移数据：
式中<Δr2(τ)>为气泡均方位移，τ为衰减时间，P(s)为光子传播路径概率分布，l*为光子传播平均自由程，k0＝2π/λ，λ为介质中光的波长，s为光经过s/l*步的随意行走后传播的路径。
按上述技术方案，激光发射源为半导体激光器，输出激光波长为0.66～1.31um，输出功率不小于30mW。
本发明产生的有益效果是：本发明装置可通过光信号的实时变化同时监测发泡倍率及泡孔变化，能更全面的对发泡材料孔结构的变化进行观察与研究，同时，拆卸和组装方便，便于携带。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，提供一种便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置，包括发泡装置、激光发射源、测距分光器、信号接收器、测距感应器、信号处理器，如图1所示，其中聚氨酯泡沫原料盛放在发泡装置中的水平物料观测台上，激光发射源置于发泡装置上方，激光发射源用于发射单色激光光束，所述单色激光光束垂直射向所述物料观测台；测距分光器设置在激光发射源与发泡装置之间，用于对单色激光光束进行分波与合波，测距分光器包括分光镜、反射镜，由激光发射源发出的单色激光光束被分光镜分成反射光束S1与透射光束S2，透射光束S2垂直射向物料观测台上的聚氨酯泡沫，其被聚氨酯泡沫反射的光束作为S1’，反射光束S1被竖直的反射镜反射得到的光束作为S3，S3与S1’在分光镜处汇合并进行干涉，产生干涉条纹并被测距感应器接收；由于发泡厚度不断变化导致激光束S3与S1’光程差发生改变，即干涉条纹明暗变化，这种光信号变化经测距感应器转换为电信号传给信号处理器处理，经处理后由计数器计数，从而实现对泡沫发泡倍率的实时监测。信号接收器设置在发泡装置的正下方，用于接收激光发射源发出的穿过聚氨酯泡沫后的光信号；大部分透射光束S2打入聚氨酯泡沫材料内部，发生透射和散射，并投射到下方的信号接收器上，光束S2通过聚氨酯泡沫材料后会发生散射，形成散射光斑，由于发泡过程中聚氨酯泡沫材料泡孔结构不断变化，散射光斑与透射光强会随之改变，这种光信号变化经信号接收器接收，并转换为数字信号。具体为，信号接收器在物料观测台后高速摄取散射斑图像，信号接收器中的光照度传感器接收激光透射光强变化并传输给信号处理器。数字信号经数据处理后，获得聚氨酯泡沫材料发泡过程中孔结构的尺寸、大小分布及流变学性能的实时变化数据。随着发泡的进行，通过信号接收器中电耦合器件CCD将散射光斑明暗变化图像进行高速拍摄，通过光照度传感器探测透射光光强变化信息并传给信号处理器进行处理，实现聚氨酯泡沫材料孔结构参数获取。信号处理器处理信号接收器的光信号数据并计算发泡过程中泡孔孔径、泡孔分布、微流变信息，信号处理器处理测距感应器的光信号数据并计算泡沫发泡倍率。
进一步地，聚氨酯泡沫材料的发泡厚度变化量为d：
其中，λ为激光发射源所发射单色激光光束的波长，N为根据测距感应器得到的干涉条纹数量。
进一步地，聚氨酯泡沫发泡过程中泡孔孔径数据为：
R＝κT/6πηD0 (2)
D0＝1/τ0k0 2 (3)
式中D0为气泡扩散系数，η为介质的粘度，T为绝对温度，κ是任意常数，其中，气泡扩散系数D0根据(3)式计算得出，式(3)中τ0为特征衰减时间，由信号接收器检测散射光偏振方向与入射光偏振方向垂直或平行的γ值得出，式中k0＝2π/λ，λ为介质中光的波长；(4)式中αVH与αVV通过两次不同偏振状态实验测得，αVH为偏振方向与入射光偏振方向垂直的振幅，αVV为偏振方向与入射光偏振方向平行的振幅。γ因子为与检测角度，样品池，表面反射和粒径有关的变量，以<γ>＝(γVV+γVH)/2来克服γ的不确定性，γVH为检测偏振方向与入射光偏振方向垂直的γ值，γVV为检测偏振方向与入射光偏振方向平行的γ值。
进一步地，通过信号接收器的测量得到多次散射光光强的自相关函数g2(τ),g2(τ)表征散射光的强度波动，同时根据微粒在粘弹性液体中扩散普遍化Langevin方程计算出粘弹性模量,得出气泡均方位移数据：
式中<Δr2(τ)>为气泡均方位移，τ为衰减时间，P(s)为光子传播路径概率分布，l*为光子传播平均自由程，k0＝2π/λ，λ为介质中光的波长，s为光经过s/l*步的随意行走后传播的路径。
进一步地，激光发射源为半导体激光器，输出激光波长为0.66～1.31um，输出功率不小于30mW。
本发明的一个较佳实施例中，物料观测台材质是玻璃，发泡装置的四壁为塑料且表面涂有聚四氟乙烯防止粘连。用本发明的装置检测硬质聚氨酯泡沫发泡过程，首先开启激光发射源及测距感应器，激光光源采用半导体激光器，输出激光波长为0.66um，输出功率不小于30mW。将原料异氰酸酯、聚醚多元醇4410及发泡剂HCFC-141b在物料混合装置内按一定比例快速混合后，经推送装置注入物料观测台开始发泡。激光光源经发泡材料表面反射回测距分光器并与入射光形成干涉，最后在测距感应器成像。发泡过程中聚氨酯泡沫厚度不断增大，其所成的像在测距感应器上发生相应的位移。信号处理器通过干涉光光斑的变化计算出发泡厚度。同时，信号接收器在物料观测台后高速摄取散射斑图像，信号接收器中的光照度传感器接收激光透射光强变化并传输给信号处理器，信号处理器将光信号即时转化为数字信息，并通过构建函数对整个发泡过程的信息进行处理，计算出发泡过程中硬质聚氨酯泡沫实时动态的量化平均孔结构的变化，以及气泡微流变的动力学信息，实现对硬质聚氨酯泡沫孔结构实时动态表征。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置，其特征在于，包括发泡装置、激光发射源、测距分光器、信号接收器、测距感应器、信号处理器，其中聚氨酯泡沫原料盛放在发泡装置中的水平物料观测台上；激光发射源置于发泡装置上方，激光发射源用于发射单色激光光束，所述单色激光光束垂直射向所述物料观测台；测距分光器设置在激光发射源与发泡装置之间，用于对单色激光光束进行分波与合波，测距分光器包括分光镜、反射镜，由激光发射源发出的单色激光光束被分光镜分成反射光束S1与透射光束S2，透射光束S2垂直射向物料观测台上的聚氨酯泡沫，其被聚氨酯泡沫反射的光束作为S1’，反射光束S1被竖直的反射镜反射得到的光束作为S3，S3与S1’在分光镜处汇合并进行干涉，产生干涉条纹并被测距感应器接收；信号接收器设置在发泡装置的正下方，用于接收激光发射源发出的穿过聚氨酯泡沫后的光信号；信号处理器处理信号接收器的光信号数据并计算发泡过程中泡孔孔径、泡孔分布、微流变信息，信号处理器处理测距感应器的光信号数据并计算泡沫发泡倍率。
2.根据权利要求1所述的便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置，其特征在于，聚氨酯泡沫材料的发泡厚度变化量为d：
其中，λ为激光发射源所发射单色激光光束的波长，N为根据测距感应器得到的干涉条纹数量。
3.根据权利要求1或2所述的便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置，其特征在于，
聚氨酯泡沫发泡过程中泡孔孔径数据为：
R＝κT/6πηD0 (2)
D0＝1/τ0k0 2 (3)
式中D0为气泡扩散系数，η为介质的粘度，T为绝对温度，κ是任意常数，其中，气泡扩散系数D0根据(3)式计算得出，式(3)中τ0为特征衰减时间，由信号接收器检测散射光偏振方向与入射光偏振方向垂直或平行的γ值得出，式中k0＝2π/λ，λ为介质中光的波长；(4)式中αVH与αVV通过两次不同偏振状态实验测得，αVH为偏振方向与入射光偏振方向垂直的振幅，αVV为偏振方向与入射光偏振方向平行的振幅。γ因子为与检测角度，样品池，表面反射和粒径有关的变量，以<γ>＝(γVV+γVH)/2来克服γ的不确定性，γVH为检测偏振方向与入射光偏振方向垂直的γ值，γVV为检测偏振方向与入射光偏振方向平行的γ值。
4.根据权利要求1或2所述的便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置，其特征在于，通过信号接收器的测量得到多次散射光光强的自相关函数g2(τ),g2(τ)表征散射光的强度波动，同时根据微粒在粘弹性液体中扩散普遍化Langevin方程计算出粘弹性模量,得出气泡均方位移数据：
式中<Δr2(τ)>为气泡均方位移，τ为衰减时间，P(s)为光子传播路径概率分布，l*为光子传播平均自由程，k0＝2π/λ，λ为介质中光的波长，s为光经过s/l*步的随意行走后传播的路径。
5.根据权利要求1或2所述的便携型聚氨酯泡沫材料孔结构表征装置，其特征在于，激光发射源为半导体激光器，输出激光波长为0.66～1.31um，输出功率不小于30mW。
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