透视测量树脂基复合材料内部离面位移场分布的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种透视测量树脂基复合材料构件内部离面位移场分布的装置及方法。该装置是设计迈克尔逊多表面干涉的光学系统，在参考臂端引入一个双表面光楔，形成光楔和被测树脂基复合材料内部反射信号之间的干涉图像。光楔有两个作用，首先用于监测激光波数k，其次提供干涉的参考平面。通过温度扫描，半导体激光控制器输出激光的波数也进行扫描，与此同时，CCD相机拍摄多帧干涉图像。分别对加载前后干涉图像序列进行傅里叶变换，干涉峰值对应的相位差可以解调出被测树脂基复合材料构件内部离面位移场分布。该装置及方法的优点是可以进行透视测量，且离面位移场测量精度高，为树脂基复合材料内部力学性能测量和无损检测提供了一种新的技术平台。
【专利说明】透视测量树脂基复合材料内部离面位移场分布的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉测量的装置和方法，主要应用于测量透明或半透明树脂基复合材料，特别是测量加载前后玻璃纤维增强树脂基复合材料构件内部离面位移场分布，属于复合材料力学性能测量和无损检测领域。
技术背景
[0002]随着树脂基复合材料在航空和航天领域的应用比例不断提高，对其力学性能也提出了越来越高的要求。由于各种原因如杂质、工艺实施上不完善等因素，树脂基复合材料构件内部可能存在缺陷。所以对树脂基复合材料的内部力学性能分析和测量十分必要。目前树脂基复合材料内部力学性能测量方法主要分成两类:(I)轮廓检测方法，如超声波无损检测技术；(2)应力-应变检测方法，如基于计算机层析扫描成像、共焦显微镜的数字体相关算法和光学干涉方法等。由于可以利用应力集中现象，对探测微小缺陷特别灵敏，第(2)种方法被认为是透明或半透明树脂基复合材料内部无损检测和力学性能测量的最佳方法。
[0003]在激光数字散斑相移干涉的基础上，本发明公开一种基于迈克尔逊多表面干涉仪结构，利用激光波数扫描干涉方法，透视测量加载前后树脂基复合材料构件内部离面位移场分布的一种装置和方法。使用内部功能成像的方法，透视测量加载前后树脂基复合材料构件内部的三维力学特性。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种基于迈克尔逊多表面干涉，利用激光波数扫描干涉的相频特性，透视测量加载前后，树脂基复合材料构件内部离面位移场分布的装置及方法。
[0005]本发明通过如下技术方案实现:
[0006]—种基于光学迈克尔逊多表面干涉的树脂基复合材料构件内部离面位移场分布的测量装置，如图1所示，依次顺序是激光控制器(I)、安装在温控模块上的半导体激光器
(2)、凸透镜(3)、分光棱镜⑷、偏振片(5)、参考光楔(6) XCD相机(7)、计算机⑶和加载装置(9)。
[0007]在该装置中使用的参考光楔(6)其作用有两个，首先是充当干涉测量的参考面，其次用于监测波数扫描过程中，每帧干涉图像对应激光的波数。为了避免频谱混叠，参考光楔(6)的平均厚度要比被测树脂基复合材料构件(10)厚Imm以上，其次为了监测波数，参考光楔(6)的两个表面必须线性倾斜，其倾斜角要可以在视场内产生40-50个干涉条纹。
[0008]在该装置中使用的偏振片(5)是用来调整参考光楔一侧的反射光强，使被测树脂基复合材料构件(10)的反射光强和参考光楔(6)的反射光强大小相近，这样可获取对比度闻的干涉图像。
[0009]在该装置中使用的加载装置(9)，如图2所示，是由两根固定支柱和一个球头千分丝杆构成的三点支撑弯曲加载装置，利用千分丝杆可对被测树脂基复合材料构件(10)进行精密的步进变形加载。
[0010]该装置的干涉光路如图1中虚线所示，激光控制器⑴控制激光器⑵发出相干光，经过凸透镜(3)准直，再经过分光比为50:50的分光棱镜(4)后，分别照射在参考光楔
(6)和被测树脂基复合材料构件(10)上。被测树脂基复合材料构件(10)和参考光楔(6)的反射光，经分光棱镜(4)聚合后，在CCD相机(7)的像平面上形成多束光相互干涉的干涉图像，并传输到计算机(8)中进行数据处理。
[0011]基于激光波数扫描干涉原理，透视测量树脂基复合材料构件内部的离面位移场分布的方法及具体步骤如下:
[0012]I)、如图2所示，将被测树脂基复合材料构件(10)放在加载装置(9)上，调整千分丝杆，轻微预紧和固定被测树脂基复合材料构件(10)。
[0013]2)、计算机通过激光控制器(I)使安装在温控模块的单纵模半导体激光器(2)的工作温度从 40°C单调调制到20°C，这样激光器(2)的谐振腔折射率变化，导致输出单纵模激光的波数单调变化，这就是激光波数扫描。与此同时，通过CCD相机(7)连续采集激光波数扫描过程中，由参考光楔(6)和被测树脂基复合材料构件(10)反射光形成的干涉图像序列。
[0014]3)、采集完第一组干涉图像序列后(标记为序列A，加载前)，使用加载装置对被测复合材料构件(10)进行准确的步进加载，使其产生变形。接着采集第二组干涉图像序列(标记为序列B，加载后)。
[0015]4)、分别对两组图像序列A和B进行处理，具体数据处理算法分为以下4步:
[0016]①分别对干涉图像序列A和B进行波数监测。激光器⑵输出波数k = 2 /入，由于波数调制过程中，波数随温度或时间是非线性变化的，故需对其进行监测。根据光学干涉理论，图1所示的系统中，CXD相机(7)上干涉图像的数学表达式为:
【权利要求】
1.一种基于激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉的树脂基复合材料内部离面位移场分布的测量装置，包括激光控制器(I)、安装在温控模块上的半导体激光器(2)、凸透镜(3)、分光棱镜(4)、偏振片(5)、参考光楔(6)、CCD相机(7)、计算机(8)和加载装置(9)。
2.根据权利要求1中所述的、一种基于激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉的树脂基复合材料内部离面位移场分布的测量装置，其特征在于:干涉参考光路包含一个参考光楔。
3.根据权利要求1、2中所述的、一种基于激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉的树脂基复合材料内部离面位移场分布的测量装置，其特征在于:干涉的参考信号来自参考光楔的前后两个表面。
4.根据权利要求1、2中所述的、一种基于激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉的树脂基复合材料内部离面位移场分布的测量装置，其特征在于:使用参考光楔前后两个表面的干涉信号，监测激光器输出激光的波数。
5.利用权利要求1所述的激光波数扫描和光学迈克尔逊多表面干涉的测量系统，测量树脂基复合材料内部离面位移场分布的方法，其特征在于:具体步骤为: (1)将被测树脂基复 合材料构件放在加载装置上，调整千分丝杆，轻微预紧和固定被测树脂基复合材料构件； (2)采集第一组干涉图像序列(标记为序列A，加载前)数据；计算机通过激光控制器，使安装在温控模块的单纵模半导体激光器的工作温度从40°C单调调制到20°C，这样激光器输出单纵模激光的波数单调变化，实现激光波数扫描；与此同时，通过CCD相机连续采集激光波数扫描过程中，由参考光楔和被测树脂基复合材料构件内部反射光形成的干涉图像序列； (3)使用加载装置对被测树脂基复合材料构件进行准确的步进加载，使其产生变形； (4)采集第二组干涉图像序列(标记为序列B，加载后)数据；计算机通过激光控制器，使安装在温控模块的单纵模半导体激光器的工作温度从40°C单调调制到20°C，这样激光器输出单纵模激光的波数单调变化，实现激光波数扫描；与此同时，通过CCD相机连续采集激光波数扫描过程中，由参考光楔和被测树脂基复合材料构件内部反射光形成的干涉图像序列； (5)分别对两组图像序列A和B进行处理，具体数据处理算法分为以下4步: ①分别对干涉图像序列A和B进行波数监测；激光器输出波数k = 2 /X ;(XD相机采集的干涉图像数学表达式为:
/(X，y,k) =J1P(x，少)?'(x，y)cos 2n?-八押(X，少)?灸 + ~oO，y) ’
p=l q=\_冗 八办十八⑶+厶八…-尤+厶~/少， 其中(X，y)表示空间坐标；ix、IX分别为构件内部深度方向的第P和第q反射信号光强，其中第I和第2反射信号为参考光楔前表面和后表面；Aw(x，_y)为第p和第q反射信号之间的光程差，其中八i2(U)表不参考光楔上各点的光程差；AA12x、AA12y分别为参考光楔在x，y方向上单位像素的光程差变化量；AI20为在空间坐标原点处参考光楔的光程差；为第P和第q反射信号之间的初始相位差；干涉图像序列的空间二维傅里叶变换为:
【文档编号】G01B11/02GK103528524SQ201310443068
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】周延周, 徐金雄, 刘羽飞 申请人:广东工业大学