基于WSI的四层散斑表面复合材料应变场分布测量

广东工业大学自动化学院 韩 滔 何冠桧 周 科 周延周

基于WSI的四层散斑表面复合材料应变场分布测量

广东工业大学自动化学院 韩 滔 何冠桧 周 科 周延周

随着复合材料技术的飞速发展，其无损检测方法也非常多。故提出了一种基于迈克尔逊干涉仪结构的光学测量系统，利用激光波数扫描的方法高精度透视测量加载前后复合材料内部的应变场分布。当加载量线性增加时，应变也近似于线性增加。该测量方法拥有极高的稳定性和信噪比，其测量精度可达到±10nm，x, y方向上测量精度为2.12μm/pixel。实验用到的该测量方法为复合材料内部的力学特性的测量和无损检测提供一种可靠及高精度的技术平台。

复合材料；多层散斑面；无损检测；应变场

复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,复合材料强度高、可设计性比较强、抗疲劳、耐腐蚀，由于其具有这些优点， 复合材料比钢、铝合金等材料的性能更优越。

在工业生产中，即使是已经相当成熟工艺，在产品制造过程中也可能会产生缺陷，引起某些质量问题，严重时很可能导致整个产品的报废。因此对于复合材料其力学性能表征以及产品缺陷检测显得非常重要。

目前针对复合材料力学特性的测量手段有很多，传统的测量方法如拉伸，压缩、弯曲、冲击等，这些主要是沿用了一些金属材料检测所采取的方法，在检测过程会对被测材料产生一定的损伤。与之相对应的则是无损检测方法，而且已经广泛应用与工业生产中。

2007年，英国拉夫堡大学J. M. Huntley小组利用真空负压加载，激光散斑干涉技术检测碳纤维复合材料表面的微小离面位移变形量，进而推断出材料内部层与层之间的脱粘缺。2013年，广东工业大学周延周在J. M. Huntley小组的研究基础上提出激光波数扫描干涉方法测量浑浊树脂基复合材料内部三维离面位移场分布。

该文是利用激光波数扫描干涉测量技术，针对复合材料内部散斑面进行应变场分布测量。

1.实验测量系统及原理

本系统主要包括半导体激光器(LD)、激光控制器(LDC)、正方体分光棱镜(CBS)、光楔(OW)、CCD相机、加载装置单元(LDU)、TCM-温度控制模块及计算机(PC)等构成和加载台以外的部件全部封装在一个橙色的箱子内，箱子内部涂有哑光漆。激光器输出的激光中心波长为860nm，准直透镜将其变成了平行光束，经过50:50的正方体分光棱镜后分为两束光，这样就可以将其看成是两个不同光源发出的两束同频率，满足了迈克尔干涉对光的频率的要求。

实验要求观察到被测件内部应变，需要所选材料具有较高透明度，选择亚克力板为作为本实验的被测材料。选取的环氧树脂为E51型，固化剂为W93型。普通的亚克力板，其透光性比较强。表面平滑的复合材料样件，中间区域其透光性有所减弱，本实验所用材料样件，中间区域透光性比较差。

2.测量原理

上式中x, y表示像素点的空间坐标；M表示光的反射面的个数；Ip,Iq表示在深度方向上第p, q反射面的反射光光强；表示p, q两个反射面之间的光程差；表示初始相位差。

3.加载实验

将被测件固定在被测台上。将被测件被固定紧后会产生微小的扭曲，此时样品在z轴方向上就产生了离面位移。开启激光器，调节温控模块，将温控模块初始温度调到29度，待温度稳定到29度后，利用CCD相机等间隔采集激光器波数扫描过程中复合材料构件的干涉图像序列，此时激光输出的波数其扫描范围约为，激光调制过程中，CCD相机连续采集的1000张照片。圆头千分尺的分辨率为1μm，对被测件的加载可以精确到每步一微米。对被测件进行了一组图片的采集后，沿逆时针旋转千分尺，加载量为10μm，重复之前的步骤采集图像。四组加载实验后采集得到四组干涉图像，对应的加载量分别为10μm，20μm，30μm。

4.实验结果及分析

复合材料的激光干涉中y=6mm处的波数扫描所得干涉光强序列。对其进行傅里叶变换，即可得到y=6mm处幅频特性图。将光楔与被测件相对的两个面分别设为R2，和S4，则光楔另一面即为R2面。被测件的另外三个表面依次设为S1，S2，S3。其中S2，S3为复合材料内部散斑表面。R2S4，R2S3，R2S2，R2S1，R1S4，R1S3，R1S2，R1S1为光楔R1和R2与被测件四个表面形成的干涉信号。对加载前后的复合材料的干涉图中每一像素值进行傅里叶变换，对幅频特性图峰值处相位进行提取，即可求出加载前后对应的卷绕相位。得到加载后对应的卷绕相位后，两者做差并进行相应的解卷绕运算。带入公式(2)求出材料全部两个相邻反射面在Z轴方向上离面位移的差值，通过公式(3)就可求出样品在深度方向上其平均正应变。

对复合材料的加载量为10um,20um和30um时，复合材料样件的各个反射面的离面位移场；由力学特性可知，加载点处所受加载力最大，因此加载中心的离面位移量最大。本系统的CCD相机是完全倒置并固定的，这样的安装的方式导致相机拍摄的是测试区域翻转180度后，上方左右两端离加载中心距离比较近，其表示的离面位移量最大，下方的离面位移最小，呈现出从加载点向外围逐渐减弱，且这种减弱的趋势是线性变化的，与之前的推断基本吻合。实际的加载量作用到被测件上时会损失部分能量，实际产生的离面位移量会小于加载量的值。而S4表面由于直接受到加载装置球头挤压，其离面位移量会比其他面要大，变化规律为S4＞S3＞S2＞S1。

在复合材料上取四点A（200，200），B（1200,200），C（200,800），D（1200,800），依据力学方面原理，对原件进行拉伸则对应正应变是正值，而进行压缩则正应变值是负值。计算在不同扰度和散斑面下A,B,C,D四点正应变，得出的数据可知，被测复合材料其整体所受到的力是均匀变化的。当扰度是线性增加时，应变也随之呈现近视线性增加的趋势。

5.结论

利用激光波数扫描干涉这种无损检测的方法，对多层散斑面复合材料样件检测，了解其部分力学特性。得到了在光学干涉条件下，被测件的加载量线性增加时，材料的各个散斑面离面位移场和深度方向平均正应变场随之近似乎线性增加。

该测量方法的信噪比高、抗干扰能力强，作为一种新型的测量手段，具有较好的应用前景。传统的光学干涉方法只能测量材料表面或内部某一层散斑面应变场分布，本系统可用于测量内部多散斑表面应变场的测量，应用潜力巨大。

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广东省科技计划项目（2016A020220017）。