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】
[0001] 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】
[0002] 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，为了研宄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。
[0003] 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宄了出来。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。
[0004] 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】
[0005] 本发明通过以下技术方案实现。
[0006] 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)。
[0007] -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)。
[0008] 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⑷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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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：
[0012] 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。
[0013] 2)接着用一个被测样件固定装置（3)固定被测样件（4)。
[0014] 3)然后用SD-OCT测量系统（1)对被测样件（4)进行连续测量。
[0015] 4)如图2所示，p、q是被测样件⑷内部的任意两点，Zp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\。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δ z。此时，被测样件（4)和参 考面R的干涉光强可以表示为：
【主权项】
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. -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V的位置时，发生的光学深度变化量Wp可以表示为：
其中k。为中心波数；Λ Π 5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 %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Iitl= I) ; Ani是移动前后第 i层的折射率变化量（其中△%是被测样件所处环境的折射率变化量，一般情况下Antl = 〇) ;zsi是第i层的前表面到参考面R的光学深度（z s〇= 〇)。 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zsl，zp和Λ Π 5均可通过测量得到，因此⑵式可以计算出An1A1。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AniAii,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\为：
其中Wsi是第i层前表面的光学深度变化量（w s〇= 〇)。 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％为：
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01B11-16
【公开号】CN104729419
【申请号】CN201410662911
【发明人】周延周, 刘运红, 董博, 章云
【申请人】广东工业大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2014年11月4日