专利名称：一种光学干涉谱域相位对照b扫描仪及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种光学干涉测量的方法和仪器，特别是对复合材料、透明或半透明多层树脂涂层进行三维离面位移场分布测量的方法及仪器。技术背景
随着航空航天工业技术的发展，不同强度、刚度和材质的复合材料构件应用得越来越多。由于内部各种不同材料组分和结构之间的复杂耦合效应给其力学性能的分析和表征实验方法带来了更大的挑战，所以需要可以透视测量复合材料构件内部力学量:三维位移场分布的实验仪器和方法。
测量复合材料构件内部三维位移场分布具有很强的实用性。由于制造工艺的不稳定，复合材料构件有时会产生内部缺陷。在整个使用周期内，虽然大部分微小缺陷(尺度 0.01mm)对构件的力学性能没有影响，但是有一些却会由小到大，最后导致构件破坏。传统的检测方式主要是通过对构件内部轮廓进行测量，无法辨识出那些日后可能产生问题的微小缺陷，而透视测量复合材料构件内部位移场分布的方法，能利用应力集中现象，直接观察和评估缺陷的危害等级甚至演变过程，为复合材料构件内部力学特性的研究以及缺陷检测提供了有效的技术手段。
近年来，随着计算机和元器件技术的不断发展，相继出现了几种透视测量复合材料构件内部位移场的方法，主要包括:(I)数字体相关(DVC):该方法的测量系统结构简单，测量精度较高，但是要求被测对象的光学透明度高，测量深度有限；(2)核磁共振成像:该方法具有很高的测量精度和轴向分辨率，但是无法测量内部含有金属的构件；(3)X射线层析:该方法具有很强的穿透能力，缺点是系统复杂，X射线对人体有伤害，且树脂基材料在X射线波段的吸收和反射较小，成像对比度低；(4)中子衍射:与X射线层析方法类似，具有更强的穿透能力，缺点是受到中子元通道的限制，空间分辨率低；(5)光学波长干涉扫描方法:该方法可以对透明、半透明或光学混浊复合材料构件内部三维位移场分布进行高精度测量，轴向三维轮廓和位移场测量分辨率高，缺点是测量速度较慢。
在综合已有的位移场透视测量方法的基础上，本发明公开一种用于复合材料内部三维离面位移场测量的新型仪器及方法，实现了复合材料构件内部三维离面位移场分布的快速、高精度透视测量。发明内容
本发明公开一种光学干涉谱域相位对照B扫描仪及其测量方法，利用宽带光源的空间调制和干涉光谱的相频特性，进行高分辨率、高速度测量复合材料构件内部的三维离面位移分布。
本发明通过如下技术方案实现:
一种光学干涉谱域相位对照B扫描仪，如
图1所示，适用于复合材料构件力学特性的研究及其微小缺陷的检测辨识，依次包括低相干宽带光源(I)、凸透镜L1 (2)、柱面镜(3)、分光镜(4)、偏振片(5)、参考平面(6)、被测复合材料构件(7)、凸透镜L2(8)、衍射光栅(9)、凸透镜L3 (10)、CCD相机(11)和计算机(12)。
仪器主视方向的光路如图1虚线所示，其主视方向的传光成像原理为:低相干宽带光源(I)发出的宽带光经过凸透镜L1 (2)准直后成为平行光。因为主视方向上柱面镜(3)相当于平面透镜，不改变传光方向，所以在通过分光镜(4)后，平行光分别反射和透射到干涉仪两臂的被测复合材料构件(7)和参考平面￠);来自被测复合材料构件(7)和参考平面(6)的反射光再次经过分光镜(4)透射和反射后，相互叠加产生干涉。因为主视方向上衍射光栅(9)相当于平面反射镜，所以干涉光通过凸透镜L2(S)和L3(IO)后，平行照射在CCD相机(11)的像平面上。以偏振片(5)的轴向为中心对其进行旋转，可以使两臂反射光强相近，从而保证干涉图像的对比度为最佳。
仪器俯视方向光路如图1实线所示，其俯视方向的传光原理为:低相干宽带光源(I)发出的宽带光经过凸透镜L1 (2)准直后平行照射到柱面镜(3)上。由于俯视方向上柱面镜(3)相当于凸透镜，因此经分光镜(4)反射、透射后，宽带光分别在被测复合材料构件(7)和参考平面(6)聚焦成一个光点，综合主、俯视光路两个维度来看，形成一个测量复合材料构件(7)内部轴向切面的光刀；被测复合材料构件(7)和参考平面(6)的反射光经过分光镜(4)透射和反射后，在凸透镜L2(S)的准直作用下，平行的宽带光以相同的入射角射入衍射光栅(9)。因为衍射光栅(9)对不同波长的光以不同的衍射角衍射，使只有波长相同的光在凸透镜L3(IO)的聚焦作用下才可以在CCD相机(11)像平面上特定的y位置成像，因此波长连续的宽带光经过衍射后，在CCD相机(11)像平面的y方向按照波长连续展开，形成干涉光谱图像并传入计算机(12)。
B扫描是指系统的每一次测量能够实现对被测复合材料构件(7)内部一个切面的平面信息的测量。
一种光学干涉谱域相位对照B扫描测量方法，包括以下步骤:
I)、使用如图2(b)所示的加载装置对被测复合材料构件(7)进行轻微预紧，记录此时的干涉光谱图像；
2)、使用加载装置对被测复合材料构件(7)施加进给或加载，使其产生离面位移，记录此时的干涉光谱图像；
3)、将I)和2)步骤中测量得到的两干涉光谱图像分别进行如下的傅里叶变换:照射在CCD相机(11)像平面的干涉光谱为:
权利要求
1.一种光学干涉谱域相位对照B扫描仪，依次包括低相干宽带光源(I)、凸透镜LI (2)、柱面镜(3)、分光镜(4)、偏振片(5)、参考平面￠)、被测复合材料构件(7)、凸透镜L2(S)、衍射光栅(9)、凸透镜L3 (10)、CCD相机(11)和计算机(12)。
2.根据权利要求1所述的一种光学干涉谱域相位对照B扫描仪，其特征在于:仪器主视光路图中依次包括低相干宽带光源(I)、凸透镜L1 (2)、相当于平面透镜的柱面镜(3)、分光镜(4)、偏振片(5)、参考平面(6)、被测复合材料构件(7)、凸透镜L2 (8)、相当于平面反射镜的衍射光栅(9)、凸透镜L3 (10)、CCD相机(11)和计算机(12)。
3.根据权利要求1所述的一种光学干涉谱域相位对照B扫描仪，其特征在于:仪器俯视光路图中依次包括低相干宽带光源(I)、凸透镜L1 (2)、相当于凸透镜的柱面镜(3)、分光镜(4)、偏振片(5)、参考平面￠)、被测复合材料构件(7)、凸透镜L2 (8)、具有对不同波长的光以不同衍射角衍射的衍射光栅(9)、凸透镜L3 (10)、CCD相机(11)和计算机(12)。
4.根据权利要求1所述的一种光学干涉谱域相位对照B扫描仪，其特征在于:照明光路中使用带宽IOnm以上的低相干宽带光源(I)。
5.根据权利要求1所述的一种光学干涉谱域相位对照B扫描仪，其特征在于:成像光路的凸透镜LJ8)和凸透镜L3(IO)之间包括一个衍射光栅(9)。
6.一种光学干涉谱域相位对照B扫描测量方法，其特征在于包括以下步骤: 1)、对被测复合材料构件(7)进行轻微预紧，记录此时的干涉光谱图像； 2)、对被测复合材料构件(7)加载，使其产生离面位移，记录此时的干涉光谱图像； 3)、将I)和2)步骤中测量得到的两干涉光谱图像分别进行傅里叶变换，取相频特性作差，计算被测复合材料构件(7)的三维离面位移场分布。
7.根据权利要求6所述的一种光学干涉谱域相位对照B扫描方法，其特征在于:利用干涉光谱幅频特性的峰值频率计算被测复合材料构件(7)内部的三维轮廓分布: 被测复合材料构件(7)内部第P和第q个表面之间的光程差可以由对应的幅频特性上峰值频率fM求出Am = Ji.C.fpq 其中C为常数:
8.根据权利要求6所述的一种光学干涉谱域相位对照B扫描方法，其特征在于:利用加载前后被测复合材料构件(7)内部p、q两表面受力前后的干涉光谱相频特性的卷绕相位差AfM ap(f)，在经过对卷绕相位的跳跃点加减整数倍的2π进行解卷绕计算后，得到解卷绕相位差;使用解卷绕相位差计算被测复合材料构件(7)内部的离面位移分布:
全文摘要
本发明公开了一种光学干涉谱域相位对照B扫描仪及其测量方法，主要用于透视测量复合材料构件内部的离面位移分布。该扫描仪基于光学干涉原理，利用宽带光源的空间调制，在CCD相机的像平面上，将被测复合材料构件内部切面的干涉光谱展开，从光谱的相频特性中计算出复合材料构件内部切面的离面位移分布。该扫描仪可以对透明和光学浑浊复合材料构件进行透视测量，特点是轴向轮廓和离面位移的测量分辨率高，测量速度快，适用于复合材料构件力学特性研究及其微小缺陷检测辨识。
文档编号G01B11/02GK103148785SQ20131002556
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月10日 优先权日2013年1月10日
发明者周延周, 董博, 徐金雄, 白玉磊 申请人:广东工业大学