激光波数扫描干涉测量双层树脂基复合材料内部的压缩位移场分布

第13卷第2期2005年4月收稿日期：xxxx-xx-xx；修订日期：xxxx-xx-xx基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：11072063)；广东省自然科学基金资助项目(编号：S2012010010327)光学精密工程OpticsandPrecisionEngineeringVol.xNo.xxxx.xxxx第x卷第x期xxxx年x月文章编号激光波数扫描干涉测量双层树脂基复合材料内部的压缩位移场分布周延周*，刘运红，刘羽飞，徐金雄，章云（广东工业大学自动化学院，广东广州510006）摘要：为了测量树脂基复合材料在微小压缩下的压缩位移场分布,建立了基于迈克尔逊干涉结构的深度分辨倾斜激光波数扫描干涉测量系统，对双层树脂基复合材料样品的压缩位移场分布进行测量及分析。首先，采用DFB半导体激光器对双层树脂基复合材料样品进行波数扫描干涉测量，然后采用随机采样傅里叶变换(RSFT)计算双层树脂基复合材料样品加载前后的相位差，最后运用解卷绕算法对材料样品加载前后相位差进行解卷绕，计算出各表面压缩位移场分布。实验结果表明，压缩位移场分布的测量精度达到±100nm，深度方向轮廓分辨率约为0.41mm，最大测量深度约为52mm。该方法能够准确测量出树脂基复合材料的压缩位移场分布，是树脂基复合材料力学特性分析的新技术手段。关键词:压缩位移场；波数扫描干涉；树脂基复合材料中图分类号：TB332；O439文献标识码：ALaserwavenumber-scanninginterferometrymeasurementofthecompressiondisplacementfieldsintheduallayerepoxycompositeZHOUYan-zhou,LIUYun-hong,LIUYu-fei,XUJing-xiong,ZHANGYun(FacultyofAutomation,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou,P.R.China,510006)Abstract:Inordertomeasurethecompressiondisplacementfielddistributioninsideepoxycomposite.AtiltDepth-ResolvedWavenumber-ScanningMichelsoninterferometerisbuiltuptomeasureandanalyzethecompressiondisplacementfielddistributiononthefore,middleandrearsurfacesofadouble-deckepoxycomposite.ThelightsourceisaDFBdiodelaserwhichwavenumbercanbemodulatedbythetemperature.ARandom-SamplingFourierTransform(RSFT)isdesignedtoevaluatethephasedifferencesofthedouble-deckepoxycompositessamplebeforeandaftertheappliedloads.Finally,thecompressiondisplacementfielddistributionsofeachsurfaceonorinsidetheepoxycompositearegivenout.Experimentalresultsindicatethatthemeasurementresolutionofthecompressiondisplacementfielddistributionis±100nm,theresolutionoftheprofileindepthandthemaximummeasurementdepthare0.41mmand52mm,respectively.Thismethodcanaccuratelymeasurethecompressiondisplacementfielddistribution,andistheeffectiveandnoveltoanalyzethemechanicalpropertyoftheepoxycomposite.Keywords:compressiondisplacementfield;wavenumber-scanninginterferometry;epoxycomposite2光学精密工程第卷1引言随着复合材料制造技术的发展，出现了各种具有高比模量、高比强度、耐高温等多功能的复合材料，其在航空航天领域及各种工业中的应用也越来越广泛[1]，因此复合材料的力学性能测量与检测也变得越来越重要。由于压缩或拉伸是材料的基本力学性能指标之一，所以在材料力学性能测量时特别关注材料表面或内部的压缩或拉伸位移量的变化。目前,载荷下的复合材料构件的压缩或拉伸位移场的测量方法主要分为两类，一类是传统的应变片技术，另一类是高精度的光学测量方法，如数字散斑干涉及数字图像及数字体相关算法(DIC/DVC)[2-3]。由于光学测量具有非接触，高精度等优点，因此受到越来越多的关注。目前，基于光学干涉原理的检测手段越来越多地被应用到复合材料力学性能的检测中。1966年，Carre率先提出了相移干涉技术。1990年，相移干涉测量技术(PSI)已经运用在测量被测物体表面的离面与面内位移上[4]。该技术具有结构简单，调制方便，高精度等优点，其缺点是测量的时候容易受到外界扰动而引起误差[5]。后来出现了电子散斑干涉测量技术(ESPI)，利用干涉的方法来精密测量粗糙物体表面的变形，通过测量散斑干涉信号的相位变化来测量其变形[5]。2006年，英国拉夫堡大学的J.M.Huntley小组提出光学干涉谱域相位对照B扫描技术(PCOCT)测量物体内部位移场分布，利用宽带光源的空间调制和干涉光谱的相频特性，对材料内部三维变形场进行测量，该方法的优点是轴向分辨率高，可进行动态测量[6]。2004年，英国拉夫堡大学J.M.Huntley小组提出波长扫描干涉技术(WSI)测量物体内部位移场分布，WSI利用半导体激光器的波长可调性质，对被测样件进行波长干涉扫描后，提取干涉光强序列的相位信息，测量出被测样件的微小位移量，该方法可对被测样品进行全场测量，系统抗干扰能力强[7]。2012年，英国拉夫堡大学的P.R.Ruiz等人使用激光波数扫描的方法测量内部混有少量微米级TiO2的树脂基复合材料构件内部的位移场分布，其优点是深度方向轮廓分辨率达到0.068mm，位移场测量精度为100nm，缺点是视场狭小，仅仅1.5mm2[9]。2013年，广东工业大学提出了断续波长扫描方法测量三维位移场分布[10]，在此研究的基础上，本文提出了一种深度分辨波数扫描干涉方法(DRWSI)，通过设计倾斜激光波数扫描干涉的系统和算法，透视测量双层树脂基复合材料样品前后表面及内部中间面的压缩位移场分布。在下文中，将介绍光学测量系统的构成，说明深度分辨波数扫描倾斜干涉的算法原理，最后给出实验结果及分析。2实验系统本实验的系统基于迈克尔逊干涉原理，其光路如图1中的虚线所示。激光控制器控制带有温控模块的激光器发出激光，经过准直透镜变成平行光束，再由50:50的正方体分光棱镜分为两束光，一束光倾斜照射到树脂样品的散斑表面上，另一束光经过偏振片的衰减垂直照射到厚度6mm倾角为6，的参考光楔表面，树脂基复合材料样品散斑表面的反射光束和光楔反射光束再次分别经过正方体分光镜经透射和反射最终在CCD相机（1024×1024像素，12位）的像平面上叠加形成干涉图形。为了获取更好的干涉图形，在参考光路中可以通过调节偏振镜P，使光楔的反射光光强与树脂基复合材料样品反射光光强相匹配。图1光学系统的结构；TCM-温度控制单元；LD-DFB半导体激光器；LC-激光控制器；PC-个人电脑；CCD-CCD相机；CBS-正方体分光棱镜；L-透镜；P-偏振镜；OW-光楔；Sample-树脂基复合材料样品；UAL-外加负荷单元；θ-倾斜角度。Fig.1Opticalsystemconfiguration;TCM-temperaturecontrolunit;LD-laserdiode;LC-lasercontroller;PC-personalcomputer;CCD-CCDcamera;CBS-cubebeamsplitter;L-convexlens;P-polarizer;OW-opticalwedge;Sample-epoxysample;UAL-unitoftheappliedload;θ-tiltangle.系统光源采用的是DFB半导体激光器，将其安装在温度控制模块上，并通过激光控制器来驱动。激光器输出的中心波长为860nm，当工作温度从42℃调节到约20℃时，其输出波长能连续调制1.2nm，CCD相机连续采集500幅干涉图形。系统波数扫描范围约为1.517104m-1，深度方向轮廓分辨率为0.41mm，最大测量深度为52mm，压缩位移的测量精度为±100nm。第期周延周，等：光学透视测量树脂基复合材料内部的压缩位移场分布3图2压缩位移场加载装置Fig.2Unitofappliedload图3倾斜干涉原理Fig.3TiltMichelsoninterferometry实验中测量的树脂基复合材料样品为双层树脂基复合材料（三表面：前、中和后表面）。树脂基复合材料样品是由环氧树脂和固化剂按3:1的比例制作，在室温下放置8小时固化成的，尺寸大小为70mm×55mm。双层树脂基复合材料样品的制作过程如下：先制作一层2mm厚的环氧树脂，固化后，然后在上面浇筑一层2mm厚的环氧树脂，固化后制作成为总厚度为4mm，有三个反射面的树脂基复合材料样品。在实验中被测双层树脂基复合材料样品前后两表面用2500目的干磨砂纸，砂粒大小约为0.59μm进行打磨，使其表面散斑点细腻成均匀分布。实验中测量视场大小约为10.12mm×10.12mm。压缩位移场加载装置如图2所示，其主要有两个金属槽和一个金属底板组成，一侧金属槽内安装有圆头千分丝杆，另一侧金属槽内中心分别固定有两个直径为5mm，中心距离为40mm的金属钢珠。两个金属钢珠和圆头千分丝杆构成三点负荷加载机构。实验测量前使用圆头千分丝杆对树脂基复合材料样品进行轻微预紧，然后利用底部的高精度旋转平台使树脂基复合材料样品与光轴方向成一个角度θ=80°，如图3所示。通过圆头千分丝杆能对树脂材料样品进行高精度的微小位移量进给，相对应树脂基复合材料样品可以在加载方向上产生微小的面内位移。因为外加负荷装置在树脂基复合材料样品上产生的只是单纯压缩量，所以实际测量面内位移场分布相当于测量压缩位移场分布。3激光波数扫描倾斜干涉测量原理激光波数扫描倾斜干涉的原理如图3所示，其中R1,R2,S3,S4,S5分别代表光楔前后表面和双层树脂基复合材料样品的前、中和后表面。θ是树脂基复合材料样品与光轴之间的夹角。当激光照射在各表面分别反射，最终在CCD相机像平面上形成干涉图形，通过CCD相机连续拍摄干涉图形序列为：011),(2cos),(),(),,(pqpqMpMqqpkyxyxIyxIkyxI,(1)其中x,y为空间坐标；波数k=2π/λ，λ是激光的波长；M表示反射面的数量，此处M为5；Ip、Iq分别表示p、q面反射光光强；p、q分别表示深度方向上p和q表面；Λpq(x,y)表示p和q表面之间的光程差，φpq0表示p和q表面之间的初始相位。对公式(1)进行空间2维傅里叶变换：)(exp)(),()],,([11kjIIkvkukvuIFpqqpMpMqpqvpqu,(2)12012012121212122)()/()()/()(kkkkkkyvxu