一種光學幹涉譜域相位對照b掃描儀及其測量方法
2023-06-26 13:15:06 2
專利名稱：一種光學幹涉譜域相位對照b掃描儀及其測量方法
技術領域：
本發明涉及一種光學幹涉測量的方法和儀器，特別是對複合材料、透明或半透明多層樹脂塗層進行三維離面位移場分布測量的方法及儀器。技術背景
隨著航空航天工業技術的發展，不同強度、剛度和材質的複合材料構件應用得越來越多。由於內部各種不同材料組分和結構之間的複雜耦合效應給其力學性能的分析和表徵實驗方法帶來了更大的挑戰，所以需要可以透視測量複合材料構件內部力學量:三維位移場分布的實驗儀器和方法。
測量複合材料構件內部三維位移場分布具有很強的實用性。由於製造工藝的不穩定，複合材料構件有時會產生內部缺陷。在整個使用周期內，雖然大部分微小缺陷(尺度 0.01mm)對構件的力學性能沒有影響，但是有一些卻會由小到大，最後導致構件破壞。傳統的檢測方式主要是通過對構件內部輪廓進行測量，無法辨識出那些日後可能產生問題的微小缺陷，而透視測量複合材料構件內部位移場分布的方法，能利用應力集中現象，直接觀察和評估缺陷的危害等級甚至演變過程，為複合材料構件內部力學特性的研究以及缺陷檢測提供了有效的技術手段。
近年來，隨著計算機和元器件技術的不斷發展，相繼出現了幾種透視測量複合材料構件內部位移場的方法，主要包括:(I)數字體相關(DVC):該方法的測量系統結構簡單，測量精度較高，但是要求被測對象的光學透明度高，測量深度有限；(2)核磁共振成像:該方法具有很高的測量精度和軸向解析度，但是無法測量內部含有金屬的構件；(3)X射線層析:該方法具有很強的穿透能力，缺點是系統複雜，X射線對人體有傷害，且樹脂基材料在X射線波段的吸收和反射較小，成像對比度低；(4)中子衍射:與X射線層析方法類似，具有更強的穿透能力，缺點是受到中子元通道的限制，空間解析度低；(5)光學波長幹涉掃描方法:該方法可以對透明、半透明或光學混濁複合材料構件內部三維位移場分布進行高精度測量，軸向三維輪廓和位移場測量解析度高，缺點是測量速度較慢。
在綜合已有的位移場透視測量方法的基礎上，本發明公開一種用於複合材料內部三維離面位移場測量的新型儀器及方法，實現了複合材料構件內部三維離面位移場分布的快速、高精度透視測量。發明內容
本發明公開一種光學幹涉譜域相位對照B掃描儀及其測量方法，利用寬帶光源的空間調製和幹涉光譜的相頻特性，進行高解析度、高速度測量複合材料構件內部的三維離面位移分布。
本發明通過如下技術方案實現:
一種光學幹涉譜域相位對照B掃描儀，如
圖1所示，適用於複合材料構件力學特性的研究及其微小缺陷的檢測辨識，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)、被測複合材料構件(7)、凸透鏡L2(8)、衍射光柵(9)、凸透鏡L3 (10)、CCD相機(11)和計算機(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)發出的寬帶光經過凸透鏡L1 (2)準直後成為平行光。因為主視方向上柱面鏡(3)相當於平面透鏡，不改變傳光方向，所以在通過分光鏡(4)後，平行光分別反射和透射到幹涉儀兩臂的被測複合材料構件(7)和參考平面￠);來自被測複合材料構件(7)和參考平面(6)的反射光再次經過分光鏡(4)透射和反射後，相互疊加產生幹涉。因為主視方向上衍射光柵(9)相當於平面反射鏡，所以幹涉光通過凸透鏡L2(S)和L3(IO)後，平行照射在CCD相機(11)的像平面上。以偏振片(5)的軸向為中心對其進行旋轉，可以使兩臂反射光強相近，從而保證幹涉圖像的對比度為最佳。
儀器俯視方向光路如圖1實線所示，其俯視方向的傳光原理為:低相干寬帶光源(I)發出的寬帶光經過凸透鏡L1 (2)準直後平行照射到柱面鏡(3)上。由於俯視方向上柱面鏡(3)相當於凸透鏡，因此經分光鏡(4)反射、透射後，寬帶光分別在被測複合材料構件(7)和參考平面(6)聚焦成一個光點，綜合主、俯視光路兩個維度來看，形成一個測量複合材料構件(7)內部軸向切面的光刀；被測複合材料構件(7)和參考平面(6)的反射光經過分光鏡(4)透射和反射後，在凸透鏡L2(S)的準直作用下，平行的寬帶光以相同的入射角射入衍射光柵(9)。因為衍射光柵(9)對不同波長的光以不同的衍射角衍射，使只有波長相同的光在凸透鏡L3(IO)的聚焦作用下才可以在CCD相機(11)像平面上特定的y位置成像，因此波長連續的寬帶光經過衍射後，在CCD相機(11)像平面的y方向按照波長連續展開，形成幹涉光譜圖像並傳入計算機(12)。
B掃描是指系統的每一次測量能夠實現對被測複合材料構件(7)內部一個切面的平面信息的測量。
一種光學幹涉譜域相位對照B掃描測量方法，包括以下步驟:
I)、使用如圖2(b)所示的加載裝置對被測複合材料構件(7)進行輕微預緊，記錄此時的幹涉光譜圖像；
2)、使用加載裝置對被測複合材料構件(7)施加進給或加載，使其產生離面位移，記錄此時的幹涉光譜圖像；
3)、將I)和2)步驟中測量得到的兩幹涉光譜圖像分別進行如下的傅立葉變換:照射在CCD相機(11)像平面的幹涉光譜為:
權利要求
1.一種光學幹涉譜域相位對照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￠)、被測複合材料構件(7)、凸透鏡L2(S)、衍射光柵(9)、凸透鏡L3 (10)、CCD相機(11)和計算機(12)。
2.根據權利要求1所述的一種光學幹涉譜域相位對照B掃描儀，其特徵在於: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)、相當於平面透鏡的柱面鏡(3)、分光鏡(4)、偏振片(5)、參考平面(6)、被測複合材料構件(7)、凸透鏡L2 (8)、相當於平面反射鏡的衍射光柵(9)、凸透鏡L3 (10)、CCD相機(11)和計算機(12)。
3.根據權利要求1所述的一種光學幹涉譜域相位對照B掃描儀，其特徵在於: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)、相當於凸透鏡的柱面鏡(3)、分光鏡(4)、偏振片(5)、參考平面￠)、被測複合材料構件(7)、凸透鏡L2 (8)、具有對不同波長的光以不同衍射角衍射的衍射光柵(9)、凸透鏡L3 (10)、CCD相機(11)和計算機(12)。
4.根據權利要求1所述的一種光學幹涉譜域相位對照B掃描儀，其特徵在於:照明光路中使用帶寬IOnm以上的低相干寬帶光源(I)。
5.根據權利要求1所述的一種光學幹涉譜域相位對照B掃描儀，其特徵在於:成像光路的凸透鏡LJ8)和凸透鏡L3(IO)之間包括一個衍射光柵(9)。
6.一種光學幹涉譜域相位對照B掃描測量方法，其特徵在於包括以下步驟: 1)、對被測複合材料構件(7)進行輕微預緊，記錄此時的幹涉光譜圖像； 2)、對被測複合材料構件(7)加載，使其產生離面位移，記錄此時的幹涉光譜圖像； 3)、將I)和2)步驟中測量得到的兩幹涉光譜圖像分別進行傅立葉變換，取相頻特性作差，計算被測複合材料構件(7)的三維離面位移場分布。
7.根據權利要求6所述的一種光學幹涉譜域相位對照B掃描方法，其特徵在於:利用幹涉光譜幅頻特性的峰值頻率計算被測複合材料構件(7)內部的三維輪廓分布: 被測複合材料構件(7)內部第P和第q個表面之間的光程差可以由對應的幅頻特性上峰值頻率fM求出Am = Ji.C.fpq 其中C為常數:
8.根據權利要求6所述的一種光學幹涉譜域相位對照B掃描方法，其特徵在於:利用加載前後被測複合材料構件(7)內部p、q兩表面受力前後的幹涉光譜相頻特性的卷繞相位差AfM ap(f)，在經過對卷繞相位的跳躍點加減整數倍的2π進行解卷繞計算後，得到解卷繞相位差;使用解卷繞相位差計算被測複合材料構件(7)內部的離面位移分布:
全文摘要
本發明公開了一種光學幹涉譜域相位對照B掃描儀及其測量方法，主要用於透視測量複合材料構件內部的離面位移分布。該掃描儀基於光學幹涉原理，利用寬帶光源的空間調製，在CCD相機的像平面上，將被測複合材料構件內部切面的幹涉光譜展開，從光譜的相頻特性中計算出複合材料構件內部切面的離面位移分布。該掃描儀可以對透明和光學渾濁複合材料構件進行透視測量，特點是軸向輪廓和離面位移的測量解析度高，測量速度快，適用於複合材料構件力學特性研究及其微小缺陷檢測辨識。
文檔編號G01B11/02GK103148785SQ20131002556
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月10日 優先權日2013年1月10日
發明者周延周, 董博, 徐金雄, 白玉磊 申請人:廣東工業大學