CN116559118B - 基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法、系统及装置，包括：获取待检测聚合物任一时刻的横截面的干涉光谱；通过所述干涉光谱获得幅值信息；获取所述幅值信息中的光衰减信号；通过所述光衰减信号得到该时刻的光衰减系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度。本发明所述的方法测量过程简单，而且在非接触测量的过程中无需连续测量，提升了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及材料测量领域，具体为一种基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法、系统、装置以及计算机可读存储介质。
背景技术
牙科复合树脂是一种填料增强型聚合物基复合材料，是由有机树脂基质和无机填料以及引发体系组合而成的非均匀相混合物。现有的，通常基于各种物理原理的测量技术，以监测和表征以牙科复合树脂为代表的聚合物在复杂操作环境中的固化反应。例如，热机械分析(TMA)可以通过观察固化聚合物中水银膨胀计的液位来测量与温度相关的变形；动态机械分析(DMA)使用穿透探针检测聚合物在交变力作用下的粘弹性，以评估固化程度；基于电阻和应变之间线性映射关系的电阻应变计技术可以监测聚合物试样的表面应变，这需要应变计与试样表面接触；介电分析可以通过测量聚合物介电特性的变化来监测固化过程；此外，嵌入试样中的光纤布拉格光栅(FBG)传感器可检测聚合过程中光谱信息的差异，即跟踪光纤中光波长偏移随固化变形的变化。然而，上述方法是涉及接触力的接触式测量，因此会给聚合物试样带来额外的应力，并且难以准确测量实际的固化参数。
为了避免上述接触测量方法引起的测量误差，也存在一些用于以牙科复合树脂为代表的聚合物固化测量的非接触方法，例如数字图像相关(DIC)。基于DIC的固化监测方法跟踪和分析聚合物表面光散斑的运动，以动态测量表面变形。然而，在实践中， DIC 必须克服复杂的操作和与其他实验设备的高度合作问题，并通过在聚合物上仔细喷涂白漆和碳颗粒来制造精致的散斑图案，测量过程繁琐。
鉴于此，一种针对牙科复合树脂的非接触的无需连续测量的聚合物固化监测方法亟待研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法、系统及装置，用以至少解决现有技术中的一个技术问题。
本发明的技术方案是：
一种基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法，包括：
获取待检测聚合物任一时刻的横截面的干涉光谱；
通过所述干涉光谱获得幅值信息；
获取所述幅值信息中的光衰减信号；
通过所述光衰减信号得到该时刻的光衰减系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度。
所述获取待检测聚合物任一时刻的横截面的干涉光谱，包括：
通过光学相干层析系统获取待检测聚合物在t时刻的横截面的干涉光谱，表示为：
;
其中，表示待测样品在t时刻被系统采集到的横截面干涉光谱信号；
为参考平面的反射光；
为待测样品的反射光；
为参考平面与待测样品内任意位置之间的光程差;
为待测样品表面以下测量信号的反射深度；
为中心波长为/>的宽带光源的波矢；
为测量光束对待测物体探测时的层析层数。
所述通过所述干涉光谱获得幅值信息，包括：
对时刻获取的所述干涉光谱进行傅里叶变换，获得幅值信息，表示为：
;
其中，为幅频图像上显示的反射光强；
为参考平面与待测样品内任意位置之间的光程差;
为参考平面的反射光；
为待测样品的反射光；
为待测样品表面以下测量信号的反射深度；
为测量光束对待测物体探测时的层析层数。
为狄拉克函数；
为沿深度变化的频率。
所述获取所述幅值信息中的光衰减信号，包括：
由比尔定律分析所述幅值信息，得到在深度方向上呈现指数型衰减的光衰减信号。
所述通过所述光衰减信号得到该时刻的光衰减系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度，包括：
对所述光衰减信号进行指数型拟合，得到t时刻的光衰减系数，表示为：
;
其中，为通过将光衰减信号用Beer-Lambert型函数拟合得到的光衰减系数；
为待测样品表面以下测量信号的反射深度；
为t时刻获取的幅值信息；
为待测样品表面的初始反射光强，t 0为待测样品发生固化反应前的时刻。
一种基于光衰减系数变化的聚合物固化监测系统，包括：
采集模块，用于获取待检测聚合物任一时刻的横截面的干涉光谱；
监测模块，与所述采集模块进行数据交互，用于利用如上所述的基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法通过所述干涉光谱得到该时刻的光衰减 系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度。
所述监测模块，包括：
第一获取模块，与所述采集模块进行数据交互，用于对该时刻获取的所述干涉光谱进行傅里叶变换，获得所述幅值信息；
第二获取模块，与所述第一获取模块进行数据交互，用于由比尔定律分析所述幅值信息，得到所述光衰减信号；
第三获取模块，与所述第二获取模块进行数据交互，用于通过所述光衰减信号得到该时刻的光衰减系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度；
所述光衰减信号在深度方向上呈现指数型衰减。
一种电子装置，包括：
存储介质，用于存储计算机程序，
处理单元，与所述存储介质进行数据交换，用于在聚合物固化监测时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如上所述的基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法的步骤。
一种计算机可读存储介质：
所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；
所述计算机程序在运行时，执行如上所述的基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法的步骤。
本发明的有益效果至少包括：
本发明所述的方法，首先获取待检测聚合物任一时刻的横截面的干涉光谱；通过所述干涉光谱获得幅值信息；然后，获取所述幅值信息中的光衰减信号；最后，通过所述光衰减信号得到该时刻的光衰减系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度。本发明所述的方法中，OCT图像的光学衰减体现了OCT测量光穿透标本时的反射或散射，其中标本内部层析界面的反射率取决于界面上方和下方的折射率。由于聚合可以改变聚合物的折射率，因此OAC-OCT方案能够表征聚合物固化程度，而且测量过程简单，无需连续测量，提升了工作效率。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为待检测聚合物t时刻下的横截面的干涉光谱图；
图3为图2中干涉光谱对应的横截面幅值图；
图4为图3中框内区域的归一化光衰减曲线图；
图5为图4剔除高噪声部分后的理想拟合段；
图6为固化过程前45s的光衰减系数变化图；
图7为使用本发明所述方法进行实际材料固化监测的固化测量结果图；
图8为图7中对应材料的光衰减系数变化速率图；
图9为本发明所述系统的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请进行进一步的说明。
OCT是一种成像方法，可提供横截面图像，断层扫描分辨率在微米范围内，深度范围在毫米范围内。OCT结合相位敏感检测技术提供了测量纳米级位移和重建微应变变形场的可能性。
本发明通过光学相干层析技术(OCT)配合光在材料/组织中传播的光衰减特性，实现一些有价值的应用，如待检测聚合物的固化监测；优选的，聚合物可以是：光固化聚合物，例如牙科复合树脂。
本发明提供以下实施例：
具体实施例I：
如图1，一种基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法，包括以下步骤：
步骤一：
使用光学相干层析(OCT)系统获得t时刻的横截面干涉光谱，如图2，可表示为：
;
步骤二：
对干涉光谱进行傅里叶变换获得幅值信息，如图3，可表示为：
;
步骤三：
对图3中的框中的区域进行归一化，由比尔定律可知，幅值信息在深度方向上呈现指数型衰减，如图4所示；
步骤四：
将如图4所示的光衰减曲线进行去噪，得到如图5的理想拟合段，得到t时刻的光衰减系数，可以表示为：
;
并监测聚合物整个固化过程的光衰减系数变化，得到聚合物固化监测结果，其中，聚合过程前45秒的光衰减系数μ变化如图6所示。
根据图6可以确定的， 0-5s是固化反应前待测样品的静态状态，以减少自由流动的影响。此后，在紫外光的连续照射下，在接下来的10秒内经历了快速下降，最终值一直维持在1.71-1.74×10-3的范围内，如黄色虚线所示。整个固化过程展示了待测样品光学性能的转变：样品的光透过率随着折射率的变化不断增加，导致/>不断减小，并在15s左右的时候固化完全，趋势逐渐平缓，表明光衰减系数μ能够用于监测聚合物的固化过程。
本实施例提供以下具体案例：
本处所涉及的案例采用具体实施例I所述的方法，测量了具有相似基质和填充材料的三种光固化聚合物的固化过程。实验用材料，包括：3M公司的FiltekTMZ350（可流动）、FiltekTMZ250和FiltekTMP60，并分别制备三个玻璃夹片样品。如图7所示，在 第5s开启光源后，可以发现在接下来的10s内三者快速下降，15s后均保持平滑变化。三者的总光衰减系数变化量分别为0.5、0.4和0.2×10-3，这是由于基体和填料的比例不同而引起的它们之间光学性能的差异。与Z250和P60相比，Z350从液态转变为固态后波动较小，而前两者仍然以相对稳定但极低的速度缓慢固化。从图8中的方框中可以看出，三种材料经历了从凝胶化到玻璃化的状态转变过程。光衰减系数变化速率在达到玻璃化转变点之前迅速增加，之后逐渐降至零。由于三种聚合物具有相似的成分，因此它们都具有相似的状态转换时间，范围为第5-15秒。它们在固化过程中达到玻璃化点的时间也非常接近，分别为11s、10.5s和11.5s，最大间隔时间为1s。考虑到实验过程中人工操作带来的误差以及系统的固有误差，实验结果符合材料说明书中给出的固化参数，表明光衰减系数变化能够监测各种聚合物的固化过程，具有普遍适用性。
具体实施例II：
本发明还提供一种实施例：
如图9，一种基于光衰减系数变化的聚合物固化监测系统，包括：采集模块100、监测模块200；其中，采集模块100，如OCT设备，用于获取待检测聚合物任一时刻的横截面的干涉光谱；监测模块200与所述采集模块100进行数据交互，用于利用如上所述的基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法通过所述干涉光谱得到该时刻的光衰减系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度。
进一步的，所述监测模块200，包括：第一获取模块201、第二获取模块202以及第三获取模块203；其中，第一获取模块201与所述采集模块100进行数据交互，用于对该时刻获取的所述干涉光谱进行傅里叶变换，获得所述幅值信息；第二获取模块202与所述第一获取模块201进行数据交互，用于由比尔定律分析所述幅值信息，得到所述光衰减信号；第三获取模块203与所述第二获取模块202进行数据交互，用于通过所述光衰减信号得到该时刻的光衰减系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度；所述光衰减信号在深度方向上呈现指数型衰减。
具体实施例III：
本发明还提供以下实施例：
一种电子装置，包括：存储介质和处理单元；其中，存储介质，用于在进行聚合物固化监测时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如具体实施例I所述的基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在运行时，执行如具体实施例I所述的基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法的步骤。
在本发明中，计算机可读的存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。
计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于 由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。
Claims (6)
1.基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法，其特征在于，包括：
获取待检测聚合物任一时刻的横截面的干涉光谱；
通过所述干涉光谱获得幅值信息；
获取所述幅值信息中的光衰减信号；
通过所述光衰减信号得到该时刻的光衰减系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度；
所述获取待检测聚合物任一时刻的横截面的干涉光谱，包括：
通过光学相干层析系统获取待检测聚合物在t时刻的横截面的干涉光谱，表示为：
；
其中，I(z,t)表示待测样品在t时刻被系统采集到的横截面干涉光谱信号；
I R 为参考平面的反射光；
I S 为待测样品的反射光；
Λ(z,t)为参考平面与待测样品内任意位置之间的光程差;
z为待测样品表面以下测量信号的反射深度；
k=2π/λ为中心波长为λ的宽带光源的波矢；
M为测量光束对待测物体探测时的层析层数；
所述通过所述干涉光谱获得幅值信息，包括：
对t时刻获取的所述干涉光谱进行傅里叶变换，获得幅值信息，表示为：
；
其中，A(z,t)为幅频图像上显示的反射光强；
Λ(z,t)为参考平面与待测样品内任意位置之间的光程差;
I R 为参考平面的反射光；
I S 为待测样品的反射光；
z为待测样品表面以下测量信号的反射深度；
M为测量光束对待测物体探测时的层析层数；
δ为狄拉克函数；
f为沿深度变化的频率；
所述获取所述幅值信息中的光衰减信号，包括：
由朗伯比尔定律分析所述幅值信息，得到在深度方向上呈现指数型衰减的光衰减信号；
所述通过所述光衰减信号得到该时刻的光衰减系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度，包括：
对所述光衰减信号进行指数型拟合，得到t时刻的光衰减系数，表示为：
；
其中，μ(z,t)为通过将光衰减信号用Beer-Lambert型函数拟合得到的光衰减系数；
z为待测样品表面以下测量信号的反射深度；
A(z,t)为t时刻获取的幅值信息；
A 0 （z,t 0 ）为待测样品表面的初始反射光强，t 0为待测样品发生固化反应前的时刻。
2.基于光衰减系数变化的聚合物固化监测系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于获取待检测聚合物任一时刻的横截面的干涉光谱；
监测模块，与所述采集模块进行数据交互，用于利用权利要求1所述的基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法，通过所述干涉光谱得到该时刻的光衰减系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度。
3.根据权利要求2所述的基于光衰减系数变化的聚合物固化监测系统，其特征在于，所述监测模块，包括：
第一获取模块，与所述采集模块进行数据交互，用于对该时刻获取的所述干涉光谱进行傅里叶变换，获得所述幅值信息；
第二获取模块，与所述第一获取模块进行数据交互，用于由朗伯比尔定律分析所述幅值信息，得到所述光衰减信号；
第三获取模块，与所述第二获取模块进行数据交互，用于通过所述光衰减信号得到该时刻的光衰减系数，并通过所述光衰减系数反映所述待检测聚合物固化程度。
4.根据权利要求3所述的基于光衰减系数变化的聚合物固化监测系统，其特征在于：
所述光衰减信号在深度方向上呈现指数型衰减。
5.一种电子装置，其特征在于，包括：
存储介质，用于存储计算机程序，
处理单元，与所述存储介质进行数据交换，用于在聚合物固化监测时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如权利要求1所述的基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于：
所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；
所述计算机程序在运行时，执行如权利要求1所述的基于光衰减系数变化的聚合物固化监测方法的步骤。
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