周延周,董 博,白玉磊,彭 義,張 慧

(廣東工業(yè)大學自動化學院,廣州 511400)

?

動態(tài)透視測量鐵氧體/聚苯硫醚復合材料內(nèi)部溫度-離面位移場*

周延周*,董 博,白玉磊,彭 義,張 慧

(廣東工業(yè)大學自動化學院,廣州 511400)

使用相位對照B掃描方法,對溫度變化過程中的曲面輪廓鐵氧體/聚苯硫醚復合材料樣品,進行內(nèi)部離面位移場動態(tài)透視測量。實驗測得了從37 ℃降溫至34.5 ℃過程中,曲面材料表面及表面以下60 μm深度區(qū)域發(fā)生的離面位移變化情況。材料溫度變化較快處,發(fā)生了2.3 μm的離面位移;溫度變化較慢處,發(fā)生了1.7 μm的離面位移。實驗研究表明:相位對照B掃描方法具有測量速度快、輪廓測量和位移場測量分辨率高等優(yōu)點,為電磁吸波材料的力學性能測試提供了一種有效手段,具有很好的實用性和應用前景。

溫度-力學特性;離面位移場;光學透視測量;鐵氧體/聚苯硫醚復合材料

電磁吸波材料目前普遍存在著耐候性差和易剝落等問題[1],測量吸波材料的力學特性是研究分層剝落的主要實驗方法。而傳統(tǒng)的測量方法只是通過對材料的拉伸強度、彈性模量等參數(shù)進行測試[2],獲得的測量信息有限。受光學和計算機技術高速發(fā)展的影響,近年來相繼出現(xiàn)了一些能夠動態(tài)測量材料位移場的方法。目前較成熟的主要有散斑干涉方法[3-4]、云紋干涉法[5]和圖像相關方法[6]等,但這些方法僅僅能對平面被測對象的表面受力-變形情況進行測量,不適合對曲面輪廓的黑色電磁吸波材料的受力-變形情況進行測量。

2005年前后,在散斑干涉測量方法的基礎上,英國拉夫堡大學的國際著名光學力學專家Huntley J M及其研究小組,先后提出了波長掃描干涉[7-8]、傾斜掃描干涉[9-10]和相位對照B掃描[11-12]3種透視測量高聚物復合材料內(nèi)部受力-位移場的方法[13]。前2種方法需要對被測對象的任何加載狀態(tài)進行數(shù)百乃至上千張干涉圖像的拍攝和處理,因此不具有動態(tài)測量的能力[14]。而相位對照B掃描方法只需要在每個加載狀態(tài)下進行一張干涉光譜的拍攝,就能在保證測量精度的同時完成一次測量,所以具備動態(tài)測量材料連續(xù)變形的能力。該小組利用這種方法分別對眼角膜、水性聚合物等透明材料的受力-位移場進行了測量[11-12]。國內(nèi)周延周等在對該方法進行研究的同時,將其應用于高聚物復合材料的測量,并實驗得到了定量加載下,樹脂/玻璃界面的離面位移場的測量結(jié)果[15]。相比于傳統(tǒng)的測量方法,這種位移場測量方法可以對平面或曲面材料表面和內(nèi)部的力學特性進行全場測量,提供動態(tài)分析的實驗手段,具有更強的指導意義。

本文將相位對照B掃描方法應用到高聚物電磁吸波構(gòu)件的溫度-位移場分布的動態(tài)測量方面。以一塊圓柱狀鐵氧體/聚苯硫醚復合材料為被測樣件,通過降溫的方式使曲面輪廓被測樣件發(fā)生連續(xù)的收縮變形,測量變形過程中樣件內(nèi)部離面位移場的動態(tài)變化,驗證了該方法可以很好地應用于這種黑色透光性較差的吸波材料力學特性的動態(tài)透視測量。

圖1 相位對照B掃描的系統(tǒng)相片和光路原理示意圖

1 原理和方法

相位對照B掃描是一種利用光學干涉原理,對照被測樣品變形前后產(chǎn)生干涉光譜的相頻特性,從而透視測量材料斷層面位移場分布的方法。它的硬件結(jié)構(gòu)和光路原理如圖1所示。圖1(a)為相位對照B掃描的實物相片,圖1(b)為其對應的光路原理。在圖1(b)中,近紅外寬帶光源SLD發(fā)出的寬帶光經(jīng)過凸透鏡L1后被準直為平行光,再經(jīng)由柱透鏡CL后開始聚焦。聚焦光路在方形分光鏡CBS上反射和透射后,分別在被測對象O和參考光楔R上聚焦成與y軸平行的線狀。由于系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)為邁克爾遜型干涉儀,因此被測對象O內(nèi)部的背向散射光和參考光楔R的反射光相互疊加后形成干涉。受凸透鏡L2的準直作用,干涉信號以平行光的形式入射由衍射光柵G和凸透鏡L3組成的分光儀結(jié)構(gòu)當中,并被展開成按波長排列的干涉光譜成像在CCD相機的像平面上。

被測對象O的實物如圖2(a)所示,是高壓壓鑄制成的鐵氧體/聚苯硫醚復合材料柱狀零件,利用分辨率為0.001 mm、精度為0.01 mm的外徑千分尺測量得到其直徑為19.894 mm,左圖為xy平面的實物照片,右圖為yz平面的實物照片,該零件的固定方式如圖2(b)所示。光源在yz平面以平行光的形式沿z方向入射被測對象O,其背向散射光與參考光楔R的反射光相互干涉的原理如圖3所示。

圖2 被測樣件相片和示意圖

圖3 材料內(nèi)部干涉原理示意圖

圖3中,設被測對象O內(nèi)部任意一點p的散射光強為Ip,參考光楔R的反射光強為IR,則干涉光強表達式為

(1)

其中φRp0表示照明光在p上散射和R上反射時產(chǎn)生的相位變化;ΛRp為R與p點之間的光程差;k=2π/λ為波數(shù),λ為波長。由式(1)可以看出,經(jīng)過系統(tǒng)采樣后波數(shù)k的頻率為

(2)

其中,Δk為系統(tǒng)采樣窗口對應的波數(shù)帶寬。從式(2)看出,fRp與ΛRp是線性關系,因此可以利用干涉光譜的幅頻特性,計算出圖3所示材料內(nèi)部yz平面的斷面輪廓結(jié)構(gòu)。

當材料內(nèi)部的點p發(fā)生了光學長度為wp的離面位移(z方向位移)時,位移前后的相位差為

ΔΠp=2kc·wp

(3)式中kc=2π/λc,λc為光源的中心波長。由式(3)看出,離面位移和相位差之間是線性關系,因此可以利用干涉光譜的相位差計算出材料斷面的離面位移場分布。并且,相位差每變化2π弧度對應的位移量為光源中心波長的一半,本文實驗系統(tǒng)中為0.42 μm。理論上,相位的分辨率可以高達2π/1000,即離面位移的分辨率可達0.4 nm。而在實際系統(tǒng)當中,離面位移分辨率約為0.1 μm[7]。

根據(jù)式(2),系統(tǒng)的測量深度為

(4)

其中δk為CCD單位像素點對應的波數(shù)帶寬。測量系統(tǒng)的輪廓測量分辨率為

(5)

將本文實驗系統(tǒng)的實際參數(shù)代入其中后,最大測量深度為5.98 mm,輪廓測量分辨率為15 μm。

2 實驗

本研究使用的被測對象及其及固定方式如圖2所示。實驗前,利用參考文獻[11]中的實驗方法對系統(tǒng)位移測量的準確性進行驗證。實驗過程中,首先將被測樣件加溫至45 ℃以上,并利用紅外熱像儀記錄其從40 ℃降溫至30 ℃過程的降溫曲線,反復進行5次后取平均值。再次加溫后,待材料降溫至37 ℃時開始使用系統(tǒng)連續(xù)拍攝干涉光譜。相機的曝光時間設置為250 ms,連續(xù)拍攝張數(shù)為100張,測量得到的是樣件從37 ℃降溫到34.5 ℃過程中材料內(nèi)部的變形情況。

將測量過程中拍攝到第1張干涉光譜的幅頻特性乘以式(2)所述的比例系數(shù)后,可以得到被測對象yz平面的斷面輪廓,如圖4所示。

圖4 被測樣件的斷層輪廓圖像(a);圖(a)的局部放大圖(b)

圖5 相位差圖像

從圖4(a)所示圖像上可以看到材料的圓弧曲面輪廓。在該輪廓上任意取5個點,依次為:(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),可以擬合出一個圓心為(11.50 mm,1.31 mm),半徑為9.95 mm的圓,擬合結(jié)果與實先測量結(jié)果一致。從圖4(b)所示的局部放大圖中可以看出,系統(tǒng)能夠?qū)Ρ粶y對象的曲面表面及表面以下約60 μm深度范圍內(nèi)的輪廓結(jié)構(gòu)進行測量。

將實驗過程中拍攝到的干涉光譜分別與第1張做差,可以得到相位差圖像,其中第1張和第30張干涉光譜的相位差如圖5所示。圖5中,相位差圖像的灰度代表了該點的相位值,值的大小對應圖右側(cè)的灰度條。據(jù)式(3)原理,相位差正比于被測樣品的離面位移。提取35.5 ℃、34.9 ℃、34.5 ℃時拍攝干涉光譜相頻特性中的連續(xù)相位部分,并乘以式(3)的比例系數(shù),可以得到如圖6所示的離面位移場。

圖6 從37 ℃降溫至35.5 ℃、34.9 ℃和34.5 ℃時被測樣品內(nèi)部的離面位移場

圖6中,從左往右分別為溫度從37 ℃降溫至35.5 ℃,34.9 ℃和34.5 ℃時被測樣品曲面輪廓及輪廓內(nèi)部的離面位移場,圖像當中每一點位移大小對應圖右側(cè)的灰度條。從圖6中可以看出,隨著溫度不斷降低,被測樣品的離面位移隨之增加,這表示表層材料正處于不斷向內(nèi)部收縮的過程當中。根據(jù)圖6,可以得到材料表面降溫至35.5 ℃,34.9 ℃和34.5 ℃時的離面位移曲線,如圖7所示。

圖7 從37 ℃降溫至35.5 ℃、34.9 ℃和34.5 ℃時材料表面的離面位移曲線

圖7所示的上中下三條曲線分別為材料降溫至34.5 ℃、34.9 ℃和35.5 ℃時,曲面輪廓表面的離面位移分布情況。在y=0到y(tǒng)=4.2 mm過程中,降溫至35.5 ℃時,材料表面的離面位移從0.7 μm降為0.5 μm;降溫至34.9 ℃時,離面位移從1.4 μm降為1.0 μm;降溫至34.5 ℃時,離面位移從2.2 μm降為1.7 μm。這表明材料從上往下的收縮程度呈遞減的規(guī)律,也反映出溫度的變化自上向下不斷減緩。該現(xiàn)象與加溫方式有關。為了研究材料不同位置位移和溫度的變化關系,在圖6中分別取A、B、C 3點進行研究,可以得到如圖8所示的離面位移-溫度曲線。

圖8 A、B、C 3點的離面位移-溫度曲線

在圖8所示曲線中,點線、圓線和叉線分別表示A點、B點和C點的離面位移-溫度曲線。從圖中可以看出,隨著溫度不斷降低,整個過程位移的變化量約為2 μm,但是A、B、C 3點的變化量大小稍有不同,為A>B>C,這證明了整個降溫過程中,材料從上往下溫度的變化速度呈從上往下遞減的趨勢;另外,材料在從37 ℃降溫至36.5 ℃過程和從35.8 ℃降溫至35.4 ℃過程中,A、B、C 3點位移變化曲線的斜率明顯低于平均值,而且在從35.8 ℃降溫至35.4 ℃過程中C點離面位移的變化明顯小于A、B兩點,并開始出現(xiàn)較明顯的分離,這表明材料在兩次斜率降低過程中出現(xiàn)了其他因素導致的位移,如振動等。由此可以看出,相位對照B掃描方法的離面位移測量靈敏度高,測量過程中需要良好的隔震環(huán)境。

3 結(jié)束語

相位對照B掃描是一種新型光學干涉測量方法,能實現(xiàn)亞微米級的離面位移測量和數(shù)十微米級的斷面輪廓測量,特別適合構(gòu)件表面及亞表面微小貼壁裂縫等的檢測。另外,相比于其他位移場測量方法,這種非接觸無損檢測方法不僅能夠?qū)啽韺硬牧蟽?nèi)部進行透視測量,而且測量速度快,能實現(xiàn)動態(tài)測量,特別適合高聚物電磁吸波等涂層材料力學特性的研究。

本文實驗研究結(jié)果表明,相位對照B掃描測量方法不僅適用于角膜、環(huán)氧樹脂聚合物等透明或半透明材料,還能夠?qū)ν腹庑阅茌^差的鐵氧體/聚苯硫醚復合材料進行測量。盡管目前的測量深度較淺,僅為60 μm,但是系統(tǒng)升級后很有望實現(xiàn)1 mm深度的透視測量。毫無疑問,這種新型光學干涉測量方法不僅能用于隱形飛機電磁吸波涂層的研究,而且對于其他透明或半透明工程涂層材料的研究,也具有重要的參考價值。

[1] 劉海定,曹旭東,賀文海,等. 吸波涂層界面結(jié)合機理(Ⅰ):涂層力學性能影響因素分析[J]. 功能材料,2007,38(7):1045-1048.

[2]刑麗英,蔣詩才,李斌太. 含電路模擬結(jié)構(gòu)吸波復合材料力學性能研究[J]. 航空材料學報,2004,24(2):22-26.

[3]Davila A,Ruiz P D,Kaufmann G H,et al. Measurement of Sub-Surface Delaminations in Carbon Fibre Composites Using High-Speed Phase-Shifted Speckle Interferometry and Temporal Phase Unwrapping[J]. Optics and Lasers in Engineering,2003,40(5):447-458.

[4]Dudescu C,Naumann J,Stockmann,M,et al. Characterisation of Thermal Expansion Coefficient of Anisotropic Materials by Electronic Speckle Pattern Interferometry[J]. Strain,2006,42(3):197-205.

[5]Zhu J G,Xie H M,Hu Z X,et al. Cross-Sectional Residual Stresses in Thermal Spray Coatings Measured by Moiré Interferometry and Nanoindentation Technique[J]. Journal of Thermal Spray Technology,2012,21(5):810-817.

[6]潘兵,吳大方,高鎮(zhèn)同. 基于數(shù)字圖像相關方法的非接觸高溫熱變形測量系統(tǒng)[J]. 航空學報,2010,31(10):1960-1967.

[7]Ruiz P D,Zhou Y Z,Huntley J M,et al. Depth-Resolved Whole-Field Displacement Measurement Using Wavelength Scanning Interferometry[J]. Journal of Optics A:Pure and Applied Optics,2004,6(7):679-683.

[8]Ruiz P D,Huntley J M,Wildman R D. Depth-Resolved Whole-Field Displacement Measurement by Wavelength-Scanning Electronic Speckle Pattern Interferometry[J]. Applied Optics,2005,44(19):3945-3953.

[9]Ruiz P D,Huntley J M,Maranon A. Tilt Scanning Interferometry:A Novel Technique for Mapping Structure and Three-Dimensional Displacement Fields within Optically Scattering Media[J]. Proceedings of the Royal Society A:Mathematical,Physical and Engineering Science,2006,462(2072):2481-2502.

[10]Burlison B S H,Huntley J M. Evaluation of the Performance of Tilt Scanning Interferometry for Tomographic Imaging and Profilometry[J]. Optics Communications,2012,285(7):1654-1661.

[11]Torre-lbarra M H D,Ruiz P D,Huntley J M. Double-Shot Depth-Resolved Displacement Field Measurement Using Phase-Contrast Spectral Optical Coherence Tomography[J]. Optics Express,2006,14(21):9643-9656.

[12]Torre-Ibarra M H D,Ruiz P D,Huntley J M. Simultaneous Measure-ment of in-Plane and out-of-Plane Displacement Fields in Scattering Media Using Phase-Contrast Spectral Optical Coherence Tomography[J]. Optics Letters,2009,34(6):806-808.

[13]Ruiz P D,Huntley J M,Coupland J M. Depth-Resolved Imaging and Displacement Measurement Techniques Viewed as Linear Filtering Operations[J]. Experimental Mechanics,2011,51(4):453-465.

[14]Xu J X,Liu Y F,Dong B,et al. Improvement of the Depth Resolution in Depth-Resolved Wavenumber-Scanning Interfero-metry Using Multiple Uncorrelated Wavenumber Bands[J]. Applied Optics,2013,52(20):4890-4897.

[15]董博,徐金雄,白玉磊,劉羽飛,張程瀟,周延周. 快速和高精度透視測量玻璃纖維/樹脂復合材料構(gòu)件內(nèi)部的離面位移[J]. 復合材料學報,2014,31(2):331-337.

周延周(1964-),男,吉林長春人,教授,分別于1985年、1992年、2000年在哈爾濱工業(yè)大學獲得學士、碩士、博士學位,2003～2007年獲得英國拉夫堡大學博士,現(xiàn)任教廣東工業(yè)大學,主要從事3D機器視覺及功能成像等方面的研究,zhouyanzhou.optics@gmail.com;

董博(1989-),男,廣東廣州人,碩士研究生,于2012年在廣東工業(yè)大學獲學士學位,研究方向為3D機器視覺及功能成像,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

項目來源:國家自然科學基金項目(11072063);廣東省自然科學基金項目(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