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專利名稱：一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照b掃描儀及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)干涉測(cè)量的方法和儀器，特別是對(duì)復(fù)合材料、透明或半透明多層樹脂涂層進(jìn)行三維離面位移場(chǎng)分布測(cè)量的方法及儀器。技術(shù)背景
隨著航空航天工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，不同強(qiáng)度、剛度和材質(zhì)的復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)用得越來越多。由于內(nèi)部各種不同材料組分和結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜耦合效應(yīng)給其力學(xué)性能的分析和表征實(shí)驗(yàn)方法帶來了更大的挑戰(zhàn)，所以需要可以透視測(cè)量復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部力學(xué)量:三維位移場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)儀器和方法。
測(cè)量復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部三維位移場(chǎng)分布具有很強(qiáng)的實(shí)用性。由于制造工藝的不穩(wěn)定，復(fù)合材料構(gòu)件有時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。在整個(gè)使用周期內(nèi)，雖然大部分微小缺陷(尺度 0.01mm)對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能沒有影響，但是有一些卻會(huì)由小到大，最后導(dǎo)致構(gòu)件破壞。傳統(tǒng)的檢測(cè)方式主要是通過對(duì)構(gòu)件內(nèi)部輪廓進(jìn)行測(cè)量，無法辨識(shí)出那些日后可能產(chǎn)生問題的微小缺陷，而透視測(cè)量復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部位移場(chǎng)分布的方法，能利用應(yīng)力集中現(xiàn)象，直接觀察和評(píng)估缺陷的危害等級(jí)甚至演變過程，為復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部力學(xué)特性的研究以及缺陷檢測(cè)提供了有效的技術(shù)手段。
近年來，隨著計(jì)算機(jī)和元器件技術(shù)的不斷發(fā)展，相繼出現(xiàn)了幾種透視測(cè)量復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部位移場(chǎng)的方法，主要包括:(I)數(shù)字體相關(guān)(DVC):該方法的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，但是要求被測(cè)對(duì)象的光學(xué)透明度高，測(cè)量深度有限；(2)核磁共振成像:該方法具有很高的測(cè)量精度和軸向分辨率，但是無法測(cè)量?jī)?nèi)部含有金屬的構(gòu)件；(3)X射線層析:該方法具有很強(qiáng)的穿透能力，缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，X射線對(duì)人體有傷害，且樹脂基材料在X射線波段的吸收和反射較小，成像對(duì)比度低；(4)中子衍射:與X射線層析方法類似，具有更強(qiáng)的穿透能力，缺點(diǎn)是受到中子元通道的限制，空間分辨率低；(5)光學(xué)波長(zhǎng)干涉掃描方法:該方法可以對(duì)透明、半透明或光學(xué)混濁復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部三維位移場(chǎng)分布進(jìn)行高精度測(cè)量，軸向三維輪廓和位移場(chǎng)測(cè)量分辨率高，缺點(diǎn)是測(cè)量速度較慢。
在綜合已有的位移場(chǎng)透視測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明公開一種用于復(fù)合材料內(nèi)部三維離面位移場(chǎng)測(cè)量的新型儀器及方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部三維離面位移場(chǎng)分布的快速、高精度透視測(cè)量。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描儀及其測(cè)量方法，利用寬帶光源的空間調(diào)制和干涉光譜的相頻特性，進(jìn)行高分辨率、高速度測(cè)量復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部的三維離面位移分布。
本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描儀，如

圖1所示，適用于復(fù)合材料構(gòu)件力學(xué)特性的研究及其微小缺陷的檢測(cè)辨識(shí)，依次包括低相干寬帶光源(I)、凸透鏡L1 (2)、柱面鏡(3)、分光鏡(4)、偏振片(5)、參考平面(6)、被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)、凸透鏡L2(8)、衍射光柵(9)、凸透鏡L3 (10)、CCD相機(jī)(11)和計(jì)算機(jī)(12)。
儀器主視方向的光路如圖1虛線所示，其主視方向的傳光成像原理為:低相干寬帶光源(I)發(fā)出的寬帶光經(jīng)過凸透鏡L1 (2)準(zhǔn)直后成為平行光。因?yàn)橹饕暦较蛏现骁R(3)相當(dāng)于平面透鏡，不改變傳光方向，所以在通過分光鏡(4)后，平行光分別反射和透射到干涉儀兩臂的被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)和參考平面￠);來自被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)和參考平面(6)的反射光再次經(jīng)過分光鏡(4)透射和反射后，相互疊加產(chǎn)生干涉。因?yàn)橹饕暦较蛏涎苌涔鈻?9)相當(dāng)于平面反射鏡，所以干涉光通過凸透鏡L2(S)和L3(IO)后，平行照射在CCD相機(jī)(11)的像平面上。以偏振片(5)的軸向?yàn)橹行膶?duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以使兩臂反射光強(qiáng)相近，從而保證干涉圖像的對(duì)比度為最佳。
儀器俯視方向光路如圖1實(shí)線所示，其俯視方向的傳光原理為:低相干寬帶光源(I)發(fā)出的寬帶光經(jīng)過凸透鏡L1 (2)準(zhǔn)直后平行照射到柱面鏡(3)上。由于俯視方向上柱面鏡(3)相當(dāng)于凸透鏡，因此經(jīng)分光鏡(4)反射、透射后，寬帶光分別在被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)和參考平面(6)聚焦成一個(gè)光點(diǎn)，綜合主、俯視光路兩個(gè)維度來看，形成一個(gè)測(cè)量復(fù)合材料構(gòu)件(7)內(nèi)部軸向切面的光刀；被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)和參考平面(6)的反射光經(jīng)過分光鏡(4)透射和反射后，在凸透鏡L2(S)的準(zhǔn)直作用下，平行的寬帶光以相同的入射角射入衍射光柵(9)。因?yàn)檠苌涔鈻?9)對(duì)不同波長(zhǎng)的光以不同的衍射角衍射，使只有波長(zhǎng)相同的光在凸透鏡L3(IO)的聚焦作用下才可以在CCD相機(jī)(11)像平面上特定的y位置成像，因此波長(zhǎng)連續(xù)的寬帶光經(jīng)過衍射后，在CCD相機(jī)(11)像平面的y方向按照波長(zhǎng)連續(xù)展開，形成干涉光譜圖像并傳入計(jì)算機(jī)(12)。
B掃描是指系統(tǒng)的每一次測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)內(nèi)部一個(gè)切面的平面信息的測(cè)量。
一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描測(cè)量方法，包括以下步驟:
I)、使用如圖2(b)所示的加載裝置對(duì)被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)進(jìn)行輕微預(yù)緊，記錄此時(shí)的干涉光譜圖像；
2)、使用加載裝置對(duì)被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)施加進(jìn)給或加載，使其產(chǎn)生離面位移，記錄此時(shí)的干涉光譜圖像；
3)、將I)和2)步驟中測(cè)量得到的兩干涉光譜圖像分別進(jìn)行如下的傅里葉變換:照射在CCD相機(jī)(11)像平面的干涉光譜為:
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描儀，依次包括低相干寬帶光源(I)、凸透鏡LI (2)、柱面鏡(3)、分光鏡(4)、偏振片(5)、參考平面￠)、被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)、凸透鏡L2(S)、衍射光柵(9)、凸透鏡L3 (10)、CCD相機(jī)(11)和計(jì)算機(jī)(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描儀，其特征在于:儀器主視光路圖中依次包括低相干寬帶光源(I)、凸透鏡L1 (2)、相當(dāng)于平面透鏡的柱面鏡(3)、分光鏡(4)、偏振片(5)、參考平面(6)、被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)、凸透鏡L2 (8)、相當(dāng)于平面反射鏡的衍射光柵(9)、凸透鏡L3 (10)、CCD相機(jī)(11)和計(jì)算機(jī)(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描儀，其特征在于:儀器俯視光路圖中依次包括低相干寬帶光源(I)、凸透鏡L1 (2)、相當(dāng)于凸透鏡的柱面鏡(3)、分光鏡(4)、偏振片(5)、參考平面￠)、被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)、凸透鏡L2 (8)、具有對(duì)不同波長(zhǎng)的光以不同衍射角衍射的衍射光柵(9)、凸透鏡L3 (10)、CCD相機(jī)(11)和計(jì)算機(jī)(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描儀，其特征在于:照明光路中使用帶寬IOnm以上的低相干寬帶光源(I)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描儀，其特征在于:成像光路的凸透鏡LJ8)和凸透鏡L3(IO)之間包括一個(gè)衍射光柵(9)。
6.一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟: 1)、對(duì)被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)進(jìn)行輕微預(yù)緊，記錄此時(shí)的干涉光譜圖像； 2)、對(duì)被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)加載，使其產(chǎn)生離面位移，記錄此時(shí)的干涉光譜圖像； 3)、將I)和2)步驟中測(cè)量得到的兩干涉光譜圖像分別進(jìn)行傅里葉變換，取相頻特性作差，計(jì)算被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)的三維離面位移場(chǎng)分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描方法，其特征在于:利用干涉光譜幅頻特性的峰值頻率計(jì)算被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)內(nèi)部的三維輪廓分布: 被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)內(nèi)部第P和第q個(gè)表面之間的光程差可以由對(duì)應(yīng)的幅頻特性上峰值頻率fM求出Am = Ji.C.fpq 其中C為常數(shù):
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描方法，其特征在于:利用加載前后被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)內(nèi)部p、q兩表面受力前后的干涉光譜相頻特性的卷繞相位差A(yù)fM ap(f)，在經(jīng)過對(duì)卷繞相位的跳躍點(diǎn)加減整數(shù)倍的2π進(jìn)行解卷繞計(jì)算后，得到解卷繞相位差;使用解卷繞相位差計(jì)算被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件(7)內(nèi)部的離面位移分布:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)干涉譜域相位對(duì)照B掃描儀及其測(cè)量方法，主要用于透視測(cè)量復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部的離面位移分布。該掃描儀基于光學(xué)干涉原理，利用寬帶光源的空間調(diào)制，在CCD相機(jī)的像平面上，將被測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部切面的干涉光譜展開，從光譜的相頻特性中計(jì)算出復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部切面的離面位移分布。該掃描儀可以對(duì)透明和光學(xué)渾濁復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行透視測(cè)量，特點(diǎn)是軸向輪廓和離面位移的測(cè)量分辨率高，測(cè)量速度快，適用于復(fù)合材料構(gòu)件力學(xué)特性研究及其微小缺陷檢測(cè)辨識(shí)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK103148785SQ20131002556
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者周延周, 董博, 徐金雄, 白玉磊 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)