基于硅光电池的橡胶表面微小形变定量测量

尤　勐，刘　鸣，崔宇明，于　音

(天津大学，天津　300072)



基于硅光电池的橡胶表面微小形变定量测量

尤勐，刘鸣，崔宇明，于音

(天津大学，天津300072)

摘 要：本文基于迈克尔逊干涉光路，采用硅光电池作为传感器，检测橡胶板的内部气泡尺寸。该方法在橡胶板上粘贴反射铝膜，采用抽真空或加热的方法，使橡胶板内部气泡发生膨胀，从而使干涉条纹随着表面形变发生移动。基于硅光电池对于光强变化的快速响应，示波器可采集干涉条纹的移动电压脉冲信号，从而计算出橡胶板表面微小形变尺寸。

关键词：实验教学；光电传感实验；顶点课程

1研究背景

轮胎在出厂流通前，需要对其内部结构进行检测，以确保质量安全。目前常用的检测技术是采用X光检测钢丝结构是否出现错位和变形，采用激光散斑检测橡胶内部是否存在气泡。在气泡检测的过程中，一般将轮胎置于真空室，采用抽真空的方式，使得轮胎表面出现微小形变，利用剪切干涉的方式采集图片并解包裹，最终确定形变大小并判断轮胎是否合格。在某些生产检验过程中，为了配合流水线的生产速度，进一步提高检验效率，在真空室中可放置预先埋入气泡的橡胶板，在抽真空的过程中，将橡胶板出现的干涉图与轮胎做快速对比，作为轮胎中气泡大小的参考。

本实验室基于上述工业中的生产应用，加强学生理论与实践的结合，面对四年级本科生开发了基于硅光电池的橡胶表面微小形变定量测量系统，对预先埋入气泡的橡胶板进行气泡测量。系统在橡胶板上粘贴反射铝膜，采用抽真空或加热的方法，使橡胶板内部气泡发生膨胀，从而使干涉条纹随着表面形变发生移动。结合光电传感技术、工程光学等课程内容[1-3]，本实验室未采用面阵CCD作为探测器，而是采用硅光电池作为传感器，通过示波器探测干涉条纹的移动，来定量分析橡胶表面的形变，让学生深刻体会综合性、设计性实验的操作过程。

2实验原理

2.1实验光路的设计

当气压或温度发生变化时，橡胶板中的气泡会发生膨胀，导致橡胶表面发生离面位移。在实验室环境中，如果缺乏真空泵与密封舱设备，可通过电烙铁加热橡胶板背面，获得离面位移。在橡胶板表面粘贴铝制反射膜后，铝膜即可作为干涉光路中的一路反射镜，具体光路如图1所示。

图1　测量原理光路图

实验中采用氦氖激光器作为光源，光束出射后，经过分光棱镜，一束光反射至反射镜M2上，而后透射分光棱镜，入射至硅光电池；另一束光透射分光棱镜，入射至铝膜M1，而后反射至硅光电池，与M2反射的光束满足干涉条件，在硅光电池表面形成干涉条纹。

用电烙铁加热橡胶板后，气泡发生膨胀，而后粘贴在橡胶板上的铝膜会随之发生离面位移，在干涉光路中形成变化的光程差[4-6]，从而在硅光电池表面，形成变化的明暗干涉条纹。

2.2硅光电池探测器

根据资料查询，硅光电池的光谱探测范围在400 nm到1 200 nm之间。由于普通光学材料对近红外光谱存在较强吸收，而且实验中可见光的调节较为便捷，因此选取氦氖激光器作为光源，出射波长632.8 nm，该波长位于硅光电池的有效探测光谱范围内。

当氦氖激光在硅光电池表面形成干涉条纹时，干涉条纹的明暗变化，会使得硅光电池的输出电压随之变化。如果干涉条纹为明，根据硅光电池的开路电压计算公式：

图2　硅光电池环形遮光罩示意图

在实验中发现，如果明暗条纹过于细密，会使多级条纹同时出现在硅光电池的表面，影响探测精度。为了避免该问题，一是要求干涉光路的两臂近似等长，降低条纹的密度，使得明暗条纹的宽度尽量增大；二是在硅光电池的感光面上，添加宽约2 mm的环形遮光罩，使得硅光电池的感光范围，不超过某级干涉条纹的宽度。同时调节系统光路，在硅光电池表面形成环形干涉条纹，条纹走向与狭缝近似重合，以提高示波器的探测精度。如图2所示，硅光电池以绿色方块表示，安装环形遮光罩后，仅在绿色的环形狭缝处有光能进入硅光电池。红白相间的干涉条纹依此通过狭缝，被硅光电池探测后，由示波器输出不同的电压值。

2.3离面位移的测量

由于系统是基于迈克尔逊干涉光路搭建而成，因此根据干涉计算公式，当干涉级次移动数目为m时，其离面位移Δ为Δ=mλ。由于明条纹通过狭缝时，会在示波器上显示为电压峰值，因此通过计算峰值/谷值电压移动的数目，可得到干涉级次的移动数，从而计算出离面位移值[9-10]。示波器上可能出现的波形如图3所示。

图3　示波器输出理想波形

3实验数据与分析

3.1实验测量数据

首先调节实验系统至稳定状态，使得硅光电池表面的环状干涉条纹无明显抖动；而后将电烙铁探头至于橡胶板后，靠近但不接触。其余实验系统准备妥当后，接通电烙铁电源，探头开始加热。此时橡胶板内的气泡开始膨胀，带动表面粘贴的铝膜发生离面位移，硅光电池表面的干涉条纹开始移动，示波器也开始显示相应的电压曲线，如图4所示。

图4　示波器数据图

为了显示清晰，图4b)、图4c)中依次放大了橡胶膨胀初期、膨胀末期的电压曲线图。可以看出，由于激光器与示波器的噪声问题，曲线与2.3节中的理论曲线并不一致，但是可以清晰的提取波峰或者波谷的数值，通过2.3节中的计算公式，即可得到离面位移值△为

Δ≈14.5×λ=14.5×632.8 nm=9.176 μm，其中14.5中的0.5，是综合考虑膨胀起始、膨胀结束时的条纹周期估算而得。

3.2实验误差分析

本实验系统基于迈克尔逊干涉原理进行设计，因此实验环境的稳定性直接影响测量精度。在实验过程中，如果实验平台发生振动，或者某一干涉光路的温度、气流等发生变化，都会导致干涉条纹的移动。因此，在实验过程中需要保证测量环境的相对稳定[11-12]。

实验系统采用硅光电池作为传感器，由于硅光电池的信号输出与光强正相关，因此添加环形狭缝后，不仅可以控制进入传感器的干涉条纹级次，还可以限制杂散环境光，将环境光对最终测量的影响降至最小。

4实验总结

本实验是根据轮胎制造企业实际生产过程中，采用的检测系统转化而来，并将其引入具体的实验教学中。学生在实验中可以完整的运用工程光学中的干涉理论，结合光电传感技术中硅光电池的传感特性，将理论知识运用到工业生产的微缩系统中。该实验采用硅光电池作为传感器，并利用示波器探测输出电压信号，可综合训练学生对光电传感器课程的理解与运用。

参考文献：

[1]戴玮,陶宗明,段天权,等.激光探测音频信息实验[J].实验技术与管理，2010，27(8):40-42.

[2]梁清华,李亮之,刘春玲.硅光电池温度补偿方法的研究[J].仪表技术，2002(4):24-25.

[3]王景凯,赵鹏,潘存海.基于硅光电池的大米色选分类方法研究[J].天津科技大学学报，2009，24(4):66-68.

[4]周朕,卢佃清,史林兴.硅光电池特性研究[J].实验室研究与探索[J].2011，30(11):36-39.

[5]徐毅,宋兆丽,徐政.聚光内球面太阳能电池[J].光子学报，2013，42(7):782-786.

[6]韦宣,乐静,申阿维.用于微动工作台的光纤位移传感器设计[J].传感器与微系统，2013，32(1):115-117.

[7]潘丽娜,庄紫云,王戈.运用半导体激光器进行监听以及音源定位的研究[J].光学仪器，2013，35(1):36-43.

[8]文韬,洪添胜,李震,等.太阳能硅光电池最大功率点跟踪算法的仿真及试验[J].农业工程学报，2012，28(1):196-201.

[9]薛婧,李斌.基于硅光电池的电荷放大器性能测试信号发生器[J].仪表技术与传感器，2009(7):60-62.

[10] 戴皓珽,倪晨,方恺，等.基于LabView研究硅光电池特性[J].物理实验，2014，34(10):19-21.

[11] 塔金星.《硅光电池特性》实验教学探索和实践[J].大学物理实验，2015，28(1):38-40.

[12] 丁扣宝,霍明旭.基于电流型边界条件的硅光电池模的新方法[J].传感技术学报，2004(3):505-50.

[13] 塔金星.《硅光电池特性》实验教学探索和实践[J].大学物理实验，2015，28(1)：38-90.

Quantitative Measurements of Small Deformation on Rubber Surface Based on Silicon Photocell

YOU Meng，LIU Ming，CUI Yu-ming，YU Yin

(Tianjin University,Tianjin 300072)

Abstract：Based on the Michelson interferometer,silicon photovoltaic cells are used as a sensor to detect bubble size inside the rubber plate.A reflective aluminum film is stick on the rubber surface.With method of vacuum or heating,the bubble would expand and the interference fringes would move along with the surface deformation.Based on the rapid response to changes in light intensity,oscilloscope could get the voltage pulse signal from silicon photovoltaic cells and calculate the size of the tiny changes on the rubber plate surface.

Key words：experimental teaching；optical sensing experiments；capstone course

中图分类号：G 642

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.006

文章编号：1007-2934(2016)01-0023-03

收稿日期：2015-08-26