滕 鑫

(華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200237)

0 引言

在高分子領(lǐng)域，高分子材料成型加工技術(shù)是獲取高分子材料制品、體現(xiàn)材料特性和開發(fā)新材料的重要手段。早在上世紀(jì)六七十年代，新的高聚物就不斷地被合成出來(lái)，具有獨(dú)特性能的高分子材料也不斷地被發(fā)現(xiàn)［1-2］。當(dāng)今世界，高分子成型加工技術(shù)已成為高分子學(xué)科向更廣、更深入的領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要原因。例如擠出、注塑、熱成型、鑄塑等實(shí)驗(yàn)，可以賦予特定的高分子產(chǎn)品以特殊的形狀尺寸。然而，實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)部反應(yīng)復(fù)雜，整個(gè)物理化學(xué)過(guò)程發(fā)生在密閉的高壓、中溫、鋼制圓筒中，導(dǎo)致人們往往只知其大致規(guī)律，而無(wú)法分析并掌握其精確的物理數(shù)學(xué)規(guī)律模型［3］。

可視化技術(shù)的研究是建立在宏觀可視化基礎(chǔ)上的，即建立在肉眼觀察、攝影及攝像基礎(chǔ)上，其觀察尺度為毫米級(jí)。但是，在擠出過(guò)程中還發(fā)生了聚合物形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及流變性能方面的大量變化［4］。在不同的擠出壓力、溫度、剪切速率的力和能量的作用下，制品的性能也會(huì)有很大的不同［5］。因此將可視化擠出機(jī)發(fā)展成全程視窗微觀可視化擠出機(jī)，利用顯微鏡直接觀察并記錄下擠出過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變化(見圖1)。

本課題研究?jī)?nèi)容是讓物象在現(xiàn)有的物鏡工作距離之內(nèi)成實(shí)像，即制備一種光學(xué)器件，目標(biāo)物在通過(guò)這種光學(xué)器件后在物鏡的工作距離內(nèi)成像并照相。為此，本文制備了高溫下顯微鏡的探頭，并將其與顯微鏡系統(tǒng)構(gòu)架成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了探頭在工作過(guò)程中成像與照相功能的聯(lián)合應(yīng)用［6］。對(duì)于了解螺桿內(nèi)部反應(yīng)物質(zhì)的特征有著重要的意義，對(duì)于螺桿的性能改進(jìn)起到檢測(cè)和促進(jìn)的作用。本課題的主要研究對(duì)象為高溫下顯微鏡的探頭的制作與整個(gè)顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)架組成，以及顯微鏡照相的聯(lián)合應(yīng)用。

圖1 雙螺桿擠出機(jī)在線顯微鏡構(gòu)想

1 基本設(shè)計(jì)思路

1．1 自聚焦透鏡的特點(diǎn)及選擇

當(dāng)光線在空氣中傳播遇到不同介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的折射率不同會(huì)改變其傳播方向。傳統(tǒng)的透鏡成像是通過(guò)控制透鏡表面的曲率，利用產(chǎn)生的光程差使光線匯聚成一點(diǎn)。自聚焦透鏡同普通透鏡的區(qū)別在于，自聚焦透鏡材料能夠使沿軸向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射，并使折射率的分布沿徑向逐漸減小，從而實(shí)現(xiàn)出射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)。

圖2為不同截距自聚焦透鏡中光的傳播軌跡，只有當(dāng)Z=0．50P和Z=1．00P時(shí)才可以傳播與實(shí)物相同的像，只是成像是否正立。在實(shí)際情況下，現(xiàn)有理論認(rèn)為雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)反應(yīng)物的反應(yīng)是隨機(jī)的，所以觀察的結(jié)果與成像是否正立無(wú)關(guān);而在實(shí)際使用中，所選透鏡只要能夠傳播圖像即可。因此，我們選用了截距為Z=0．50P的透鏡。

圖2 不同截距自聚焦透鏡中光的傳播軌跡

1．2 設(shè)計(jì)原理

在實(shí)物與顯微鏡的物鏡之間安裝合適的自聚焦透鏡，使目標(biāo)物的實(shí)像在物鏡的工作距離內(nèi)存在，這樣就可以在普通顯微鏡中觀測(cè)到這一實(shí)像。根據(jù)自聚焦透鏡的成像原理可知，所觀察到的實(shí)像就是所要觀察的目標(biāo)，所成的實(shí)像是與目標(biāo)大小相等的倒像。通過(guò)普通顯微鏡結(jié)合自聚焦透鏡聯(lián)用實(shí)驗(yàn)，得出直接照明目標(biāo)物時(shí)，可以在顯微鏡的物鏡中觀察到目標(biāo)通過(guò)顯微鏡放大的像;而在物鏡與自聚焦透鏡之間進(jìn)行光學(xué)照明時(shí)，卻無(wú)法在物鏡中觀察到目標(biāo)。這是由于自聚焦透鏡傳播光線時(shí)，入射光線的入射角必須小于臨界角αmax，而采用該種方法照明時(shí)，由于物鏡工作距離的限制，物鏡與自聚焦透鏡的距離只能被限定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，顯然普通光線照明時(shí)的入射角α遠(yuǎn)大于透鏡的臨界角，如圖3所示。

由于光線無(wú)法通過(guò)自聚焦透鏡傳播到目標(biāo)物像上，導(dǎo)致物鏡中看不到所要觀察的像，在實(shí)物下方或是自聚焦透鏡與實(shí)物之間對(duì)目標(biāo)物像進(jìn)行照明就成了首選方案［7］。而事實(shí)上所要觀測(cè)的目標(biāo)是螺桿擠出機(jī)中的反應(yīng)物，實(shí)物下方就是螺桿，不可能實(shí)現(xiàn)在實(shí)物下方對(duì)目標(biāo)物象進(jìn)行照明的方案?；谶@個(gè)原因，光學(xué)照明就只能在目標(biāo)與自聚焦透鏡之間進(jìn)行，這是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。

1．3 基本設(shè)計(jì)框架

基于上述原因，可以得到整個(gè)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)框架，如圖4所示。

本實(shí)驗(yàn)所用的光纖是長(zhǎng)度67 mm，直徑2．68 mm的光纖棒，截距0．50P。事實(shí)上，一般使用0．50P周期的自聚焦透鏡的長(zhǎng)度略小于該透鏡固有的周期長(zhǎng)度，在實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)小范圍內(nèi)上下移動(dòng)透鏡，所觀察到的像基本不會(huì)發(fā)生變化［8］。此外，實(shí)物與自聚焦透鏡并非直接接觸，且必須保持一定的距離用來(lái)安裝玻璃片以保護(hù)透鏡。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖5):當(dāng)透鏡遠(yuǎn)離目標(biāo)時(shí)也能觀察到成像，只是成像位置在透鏡的內(nèi)部，但是只要實(shí)像的位置在物鏡的工作距離之內(nèi)，就能夠被顯微鏡所觀察。由于所要觀察的實(shí)物并非是緊貼在保護(hù)玻璃層，而是略深于保護(hù)玻璃的下表層［9］，其成像處于物鏡的工作距離以內(nèi)。由此可知，必須照明到保護(hù)玻璃的下表層，這樣可以通過(guò)物鏡觀察到目標(biāo)物象，只是成像的位置在聚焦透鏡的內(nèi)部而已，因此采用自聚焦透鏡是最佳選擇。

圖3 物鏡與自聚焦透鏡位置圖

圖4 基本設(shè)計(jì)思路圖解

圖5 實(shí)物成像在自聚焦透鏡內(nèi)的圖解

本研究的目的是實(shí)時(shí)觀測(cè)在雙螺桿中反應(yīng)的高分子物質(zhì)，而在高溫環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是不切實(shí)際的，因此需要借助顯微鏡攝像技術(shù)［10］。首先，應(yīng)確定攝像機(jī)的安裝位置，實(shí)驗(yàn)證明:在物鏡成像平面附近的CCD片有自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能［11］，攝像機(jī)CCD上的每一個(gè)像素點(diǎn)都有一定的大小，以某一像素點(diǎn)為例，當(dāng)光束照射到CCD時(shí)，只要通過(guò)該像素點(diǎn)的光線數(shù)相同，即照射到該像素點(diǎn)的光強(qiáng)相同，就能以相同的光強(qiáng)激活該像素點(diǎn)，其所反映的圖像也是相同的，因此在成像平面附近(距離只與CCD的像素點(diǎn)的大小有關(guān))可以安裝攝像機(jī)。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

2．1 研究對(duì)象的選定

螺桿擠出機(jī)上的探測(cè)孔的型號(hào)有很多種。本實(shí)驗(yàn)研究是常見的GYZ2型，如圖6所示。

2．2 光學(xué)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖6 螺桿擠出機(jī)上的探測(cè)孔GYZ2型

本設(shè)計(jì)的棱鏡是圓柱形，但剖面是采用現(xiàn)有理論成型的棱鏡進(jìn)行組合來(lái)設(shè)計(jì)的［12］，這樣就保證了設(shè)計(jì)的實(shí)際可行性。圖7中的棱鏡1的剖面是等腰棱鏡DⅡ-45°，它的一個(gè)頂角為 45°，兩個(gè)底角都為67．5°，它的作用是使光軸轉(zhuǎn)角45°，用的是3次反射的方法。如圖所示，光線垂直照射到一條腰邊上進(jìn)入棱鏡后依然豎直向下傳播，到達(dá)另一條腰后全反射到底邊，在底邊上再次全反射到前一條腰后全反射垂直于腰傳播出棱鏡，全過(guò)程經(jīng)過(guò)了3次全反射，最后在2號(hào)棱鏡的底邊上就會(huì)有一個(gè)與過(guò)渡透鏡等大圓斑，并且軸心處會(huì)有以軸心為圓心，直徑為1．32 mm的重疊區(qū)域，該區(qū)域的光強(qiáng)大，適合顯微鏡的光學(xué)觀測(cè)。棱鏡1的底邊必須鍍銀，因?yàn)橥ㄟ^(guò)sinα=1/n，α=45°計(jì)算，得出n=1．414，因此棱鏡的材料的折射率必須大于1．414。常用的冕牌玻璃的折射率都大于該值，因此該透鏡可用常規(guī)玻璃制作，對(duì)于實(shí)際可行性有利。但是底邊的入射角 α =22．5°，同樣可以求得 n=2．613，這個(gè)值遠(yuǎn)大于實(shí)際玻璃的折射率，所以必須鍍銀以保證光線在底邊能夠全反射［13-14］。

圖7 棱鏡組剖面設(shè)計(jì)示意圖

2．3 顯微鏡基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8 是整個(gè)顯微鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖中的1就是所設(shè)計(jì)的光學(xué)元件，與2結(jié)合就構(gòu)成了本設(shè)計(jì)的光學(xué)照明部分，使光線按一定的角度照射到圓柱棱鏡上;3號(hào)探頭是根據(jù)給定的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)孔徑設(shè)計(jì)的，必須保證有一定的強(qiáng)度，這構(gòu)成了顯微鏡的最重要的部分，照明和圖像的傳遞都在這里完成;4號(hào)過(guò)渡接頭是基于物鏡的尺寸，進(jìn)行傳像部分和成像部分的連接，另外也負(fù)有5保護(hù)螺帽的定位和光纖引入的作用保護(hù)螺帽是控制物鏡與自聚焦透鏡的距離，使之不接觸。到此為止，自聚焦透鏡的固定，光學(xué)照明以及實(shí)物的實(shí)像傳遞過(guò)程已經(jīng)完成。

零件6～13是整個(gè)系統(tǒng)的成像部分，通過(guò)過(guò)渡接頭進(jìn)行銜接，加入隔熱圈是為了保護(hù)物鏡免受由探頭傳熱而導(dǎo)致物鏡的損壞;再由8完成物鏡的安裝與整個(gè)物鏡的調(diào)節(jié)的銜接;通過(guò)調(diào)節(jié)螺紋10和壓緊螺帽9使物鏡能夠上下移動(dòng)，物鏡的安裝系統(tǒng)和CCD轉(zhuǎn)接筒12、轉(zhuǎn)接筒11、CCD13是連在一起的，這樣保證在調(diào)節(jié)物鏡與自聚焦透鏡的距離，即找尋由自聚焦透鏡所成的實(shí)像時(shí)，整個(gè)成像系統(tǒng)不會(huì)隨之產(chǎn)生影響。

圖8 顯微鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)CCD成像后，使CCD與計(jì)算機(jī)連接，就可以在計(jì)算機(jī)上看到實(shí)時(shí)的像。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要討論了螺桿擠出機(jī)探測(cè)孔中光學(xué)照明系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，同時(shí)介紹了該系統(tǒng)的功能、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)。使用光學(xué)照明系統(tǒng)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望。使學(xué)生加深對(duì)有關(guān)概念的理解與掌握，滿足學(xué)生預(yù)習(xí)高分子加工實(shí)驗(yàn)的需要，同時(shí)配合課堂教學(xué)可以起到相輔相成的效果。

在高分子本科教學(xué)專業(yè)課程體系中，高分子成型加工是一門重要的核心課程，是高分子加工專業(yè)學(xué)生必須掌握的專業(yè)知識(shí)和技能［15］。結(jié)合高分子成型加工工藝實(shí)驗(yàn)有關(guān)教材的內(nèi)容，在螺桿擠出機(jī)GYZ2型探測(cè)孔中安裝光學(xué)照明系統(tǒng)，能夠使學(xué)生看清實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程及實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法直接觀察到的儀器內(nèi)部工作過(guò)程，達(dá)到了形與神的完美結(jié)合，保證了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的直觀性和動(dòng)態(tài)過(guò)程的逼真性。

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