周延周,董 博,白玉磊,彭 义,张 慧

(广东工业大学自动化学院,广州 511400)



动态透视测量铁氧体/聚苯硫醚复合材料内部温度-离面位移场*

周延周*,董 博,白玉磊,彭 义,张 慧

(广东工业大学自动化学院,广州 511400)

使用相位对照B扫描方法,对温度变化过程中的曲面轮廓铁氧体/聚苯硫醚复合材料样品,进行内部离面位移场动态透视测量。实验测得了从37 ℃降温至34.5 ℃过程中,曲面材料表面及表面以下60 μm深度区域发生的离面位移变化情况。材料温度变化较快处,发生了2.3 μm的离面位移;温度变化较慢处,发生了1.7 μm的离面位移。实验研究表明:相位对照B扫描方法具有测量速度快、轮廓测量和位移场测量分辨率高等优点,为电磁吸波材料的力学性能测试提供了一种有效手段,具有很好的实用性和应用前景。

温度-力学特性;离面位移场;光学透视测量;铁氧体/聚苯硫醚复合材料

电磁吸波材料目前普遍存在着耐候性差和易剥落等问题[1],测量吸波材料的力学特性是研究分层剥落的主要实验方法。而传统的测量方法只是通过对材料的拉伸强度、弹性模量等参数进行测试[2],获得的测量信息有限。受光学和计算机技术高速发展的影响,近年来相继出现了一些能够动态测量材料位移场的方法。目前较成熟的主要有散斑干涉方法[3-4]、云纹干涉法[5]和图像相关方法[6]等,但这些方法仅仅能对平面被测对象的表面受力-变形情况进行测量,不适合对曲面轮廓的黑色电磁吸波材料的受力-变形情况进行测量。

2005年前后,在散斑干涉测量方法的基础上,英国拉夫堡大学的国际著名光学力学专家Huntley J M及其研究小组,先后提出了波长扫描干涉[7-8]、倾斜扫描干涉[9-10]和相位对照B扫描[11-12]3种透视测量高聚物复合材料内部受力-位移场的方法[13]。前2种方法需要对被测对象的任何加载状态进行数百乃至上千张干涉图像的拍摄和处理,因此不具有动态测量的能力[14]。而相位对照B扫描方法只需要在每个加载状态下进行一张干涉光谱的拍摄,就能在保证测量精度的同时完成一次测量,所以具备动态测量材料连续变形的能力。该小组利用这种方法分别对眼角膜、水性聚合物等透明材料的受力-位移场进行了测量[11-12]。国内周延周等在对该方法进行研究的同时,将其应用于高聚物复合材料的测量,并实验得到了定量加载下,树脂/玻璃界面的离面位移场的测量结果[15]。相比于传统的测量方法,这种位移场测量方法可以对平面或曲面材料表面和内部的力学特性进行全场测量,提供动态分析的实验手段,具有更强的指导意义。

本文将相位对照B扫描方法应用到高聚物电磁吸波构件的温度-位移场分布的动态测量方面。以一块圆柱状铁氧体/聚苯硫醚复合材料为被测样件,通过降温的方式使曲面轮廓被测样件发生连续的收缩变形,测量变形过程中样件内部离面位移场的动态变化,验证了该方法可以很好地应用于这种黑色透光性较差的吸波材料力学特性的动态透视测量。

图1 相位对照B扫描的系统相片和光路原理示意图

1 原理和方法

相位对照B扫描是一种利用光学干涉原理,对照被测样品变形前后产生干涉光谱的相频特性,从而透视测量材料断层面位移场分布的方法。它的硬件结构和光路原理如图1所示。图1(a)为相位对照B扫描的实物相片,图1(b)为其对应的光路原理。在图1(b)中,近红外宽带光源SLD发出的宽带光经过凸透镜L1后被准直为平行光,再经由柱透镜CL后开始聚焦。聚焦光路在方形分光镜CBS上反射和透射后,分别在被测对象O和参考光楔R上聚焦成与y轴平行的线状。由于系统的整体结构为迈克尔逊型干涉仪,因此被测对象O内部的背向散射光和参考光楔R的反射光相互叠加后形成干涉。受凸透镜L2的准直作用,干涉信号以平行光的形式入射由衍射光栅G和凸透镜L3组成的分光仪结构当中,并被展开成按波长排列的干涉光谱成像在CCD相机的像平面上。

被测对象O的实物如图2(a)所示,是高压压铸制成的铁氧体/聚苯硫醚复合材料柱状零件,利用分辨率为0.001 mm、精度为0.01 mm的外径千分尺测量得到其直径为19.894 mm,左图为xy平面的实物照片,右图为yz平面的实物照片,该零件的固定方式如图2(b)所示。光源在yz平面以平行光的形式沿z方向入射被测对象O,其背向散射光与参考光楔R的反射光相互干涉的原理如图3所示。

图2 被测样件相片和示意图

图3 材料内部干涉原理示意图

图3中,设被测对象O内部任意一点p的散射光强为Ip,参考光楔R的反射光强为IR,则干涉光强表达式为

(1)

其中φRp0表示照明光在p上散射和R上反射时产生的相位变化;ΛRp为R与p点之间的光程差;k=2π/λ为波数,λ为波长。由式(1)可以看出,经过系统采样后波数k的频率为

(2)

其中,Δk为系统采样窗口对应的波数带宽。从式(2)看出,fRp与ΛRp是线性关系,因此可以利用干涉光谱的幅频特性,计算出图3所示材料内部yz平面的断面轮廓结构。

当材料内部的点p发生了光学长度为wp的离面位移(z方向位移)时,位移前后的相位差为

ΔΠp=2kc·wp

(3)式中kc=2π/λc,λc为光源的中心波长。由式(3)看出,离面位移和相位差之间是线性关系,因此可以利用干涉光谱的相位差计算出材料断面的离面位移场分布。并且,相位差每变化2π弧度对应的位移量为光源中心波长的一半,本文实验系统中为0.42 μm。理论上,相位的分辨率可以高达2π/1000,即离面位移的分辨率可达0.4 nm。而在实际系统当中,离面位移分辨率约为0.1 μm[7]。

根据式(2),系统的测量深度为

(4)

其中δk为CCD单位像素点对应的波数带宽。测量系统的轮廓测量分辨率为

(5)

将本文实验系统的实际参数代入其中后,最大测量深度为5.98 mm,轮廓测量分辨率为15 μm。

2 实验

本研究使用的被测对象及其及固定方式如图2所示。实验前,利用参考文献[11]中的实验方法对系统位移测量的准确性进行验证。实验过程中,首先将被测样件加温至45 ℃以上,并利用红外热像仪记录其从40 ℃降温至30 ℃过程的降温曲线,反复进行5次后取平均值。再次加温后,待材料降温至37 ℃时开始使用系统连续拍摄干涉光谱。相机的曝光时间设置为250 ms,连续拍摄张数为100张,测量得到的是样件从37 ℃降温到34.5 ℃过程中材料内部的变形情况。

将测量过程中拍摄到第1张干涉光谱的幅频特性乘以式(2)所述的比例系数后,可以得到被测对象yz平面的断面轮廓,如图4所示。

图4 被测样件的断层轮廓图像(a);图(a)的局部放大图(b)

图5 相位差图像

从图4(a)所示图像上可以看到材料的圆弧曲面轮廓。在该轮廓上任意取5个点,依次为:(1.83 mm,3.66 mm),(1.65 mm,2.75 mm),(1.57 mm,1.96 mm),(1.55 mm,1.12 mm),(1.61 mm,0.21 mm),可以拟合出一个圆心为(11.50 mm,1.31 mm),半径为9.95 mm的圆,拟合结果与实先测量结果一致。从图4(b)所示的局部放大图中可以看出,系统能够对被测对象的曲面表面及表面以下约60 μm深度范围内的轮廓结构进行测量。

将实验过程中拍摄到的干涉光谱分别与第1张做差,可以得到相位差图像,其中第1张和第30张干涉光谱的相位差如图5所示。图5中,相位差图像的灰度代表了该点的相位值,值的大小对应图右侧的灰度条。据式(3)原理,相位差正比于被测样品的离面位移。提取35.5 ℃、34.9 ℃、34.5 ℃时拍摄干涉光谱相频特性中的连续相位部分,并乘以式(3)的比例系数,可以得到如图6所示的离面位移场。

图6 从37 ℃降温至35.5 ℃、34.9 ℃和34.5 ℃时被测样品内部的离面位移场

图6中,从左往右分别为温度从37 ℃降温至35.5 ℃,34.9 ℃和34.5 ℃时被测样品曲面轮廓及轮廓内部的离面位移场,图像当中每一点位移大小对应图右侧的灰度条。从图6中可以看出,随着温度不断降低,被测样品的离面位移随之增加,这表示表层材料正处于不断向内部收缩的过程当中。根据图6,可以得到材料表面降温至35.5 ℃,34.9 ℃和34.5 ℃时的离面位移曲线,如图7所示。

图7 从37 ℃降温至35.5 ℃、34.9 ℃和34.5 ℃时材料表面的离面位移曲线

图7所示的上中下三条曲线分别为材料降温至34.5 ℃、34.9 ℃和35.5 ℃时,曲面轮廓表面的离面位移分布情况。在y=0到y=4.2 mm过程中,降温至35.5 ℃时,材料表面的离面位移从0.7 μm降为0.5 μm;降温至34.9 ℃时,离面位移从1.4 μm降为1.0 μm;降温至34.5 ℃时,离面位移从2.2 μm降为1.7 μm。这表明材料从上往下的收缩程度呈递减的规律,也反映出温度的变化自上向下不断减缓。该现象与加温方式有关。为了研究材料不同位置位移和温度的变化关系,在图6中分别取A、B、C 3点进行研究,可以得到如图8所示的离面位移-温度曲线。

图8 A、B、C 3点的离面位移-温度曲线

在图8所示曲线中,点线、圆线和叉线分别表示A点、B点和C点的离面位移-温度曲线。从图中可以看出,随着温度不断降低,整个过程位移的变化量约为2 μm,但是A、B、C 3点的变化量大小稍有不同,为A>B>C,这证明了整个降温过程中,材料从上往下温度的变化速度呈从上往下递减的趋势;另外,材料在从37 ℃降温至36.5 ℃过程和从35.8 ℃降温至35.4 ℃过程中,A、B、C 3点位移变化曲线的斜率明显低于平均值,而且在从35.8 ℃降温至35.4 ℃过程中C点离面位移的变化明显小于A、B两点,并开始出现较明显的分离,这表明材料在两次斜率降低过程中出现了其他因素导致的位移,如振动等。由此可以看出,相位对照B扫描方法的离面位移测量灵敏度高,测量过程中需要良好的隔震环境。

3 结束语

相位对照B扫描是一种新型光学干涉测量方法,能实现亚微米级的离面位移测量和数十微米级的断面轮廓测量,特别适合构件表面及亚表面微小贴壁裂缝等的检测。另外,相比于其他位移场测量方法,这种非接触无损检测方法不仅能够对亚表层材料内部进行透视测量,而且测量速度快,能实现动态测量,特别适合高聚物电磁吸波等涂层材料力学特性的研究。

本文实验研究结果表明,相位对照B扫描测量方法不仅适用于角膜、环氧树脂聚合物等透明或半透明材料,还能够对透光性能较差的铁氧体/聚苯硫醚复合材料进行测量。尽管目前的测量深度较浅,仅为60 μm,但是系统升级后很有望实现1 mm深度的透视测量。毫无疑问,这种新型光学干涉测量方法不仅能用于隐形飞机电磁吸波涂层的研究,而且对于其他透明或半透明工程涂层材料的研究,也具有重要的参考价值。

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周延周(1964-),男,吉林长春人,教授,分别于1985年、1992年、2000年在哈尔滨工业大学获得学士、硕士、博士学位,2003～2007年获得英国拉夫堡大学博士,现任教广东工业大学,主要从事3D机器视觉及功能成像等方面的研究,zhouyanzhou.optics@gmail.com;

董博(1989-),男,广东广州人,硕士研究生,于2012年在广东工业大学获学士学位,研究方向为3D机器视觉及功能成像,742666185@qq.com。

DynamicMeasurementofTemperature-out-of-PlaneDisplacement-FieldInsidetheFerrite/PolyphenyleneSulfideCompositeCurvedSurfaces*

ZHOUYanzhou*,DONGBo,BAIYulei,PENGYi,ZHANGHui

(School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510400,China)

By using phase-contrast spectral optical coherence tomography(OCT),we have successively measured the out of plane displacement field inside the ferrite/Polyphenylene sulfide(PPS)composite material curved surfaces dynamically. The results show that the out-of-plane-displacement-field inside the curved surfaces and 60 μm away from upper surfaces can be measured,when the temperature of the composite material was dropped from 37 ℃ to 34.5 ℃. Moreover,2.3 μm of out-of-plane-displacement appears in the area where temperature changes fastest while 1.7 μm does in the area where temperature changes slowest. This research indicates that,phase-contrast spectral OCT is a useful method which has the ability of rapid measurement with high profile resolution and displacement resolution. It is also an effective way of mechanical property analysis not only in electromagnetic-wave-absorbing materials but also in other engineering coating materials.

temperature-mechanics property;out-of-plane-displacement;optical measurement;ferrite/polyphenylene sulfide composite

项目来源:国家自然科学基金项目(11072063);广东省自然科学基金项目(S2012010010327)

2014-05-07修改日期:2014-07-22

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.001

TB33

:A

:1004-1699(2014)09-1159-05