CN103499405A - 透明塑料制品残余应力检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透明塑料制品残余应力检测装置和方法，光源由三种单色LED光源构成，光学***由平凸透镜，起偏镜，1/4波片组，检偏镜和透镜构成,图像采集与计算机处理***由CCD相机、计算机构成,光源后面依次放置平凸透镜，起偏镜，1/4波片组，检偏镜，透镜；起偏镜的透光轴沿OY方向,1/4波片组的快轴沿OX方向，光源通过平凸透镜和透镜后焦集在CCD相机的焦点上，光源部分、1/4波片组和CCD相机连接计算机。本发明根据三种不同波长的单色LED光源，利用同一主应力差下，不同光波长λ与该波长光下的应力条纹值N乘积相等，计算其中某一波长下的应力条纹值。该方法与装置对于透明塑料制品残余应力检测有测量范围大，精度高的优点。

Description

透明塑料制品残余应力检测装置和方法
技术领域
 本发明涉及一种检测透明塑料制品残余应力的方法和装置。 
背景技术
由于塑料熔体在加工过程中受到较强的剪切作用、加工中存在的取向与结晶作用、熔体各部位冷却速度极难做到均匀一致、熔体塑化不均匀、制品脱模困难等原因，在塑料制品内部都会引发残余应力的产生。几乎所有塑料制品都会不同程度地存在残余应力，尤其是塑料注射制品的残余应力更为明显。残余应力的存在不仅使塑料制品在贮存和使用过程中出现翘曲变形和开裂，也影响塑料制品的力学性能、光学性能、电学性能及外观质量。因此，在实际的生产过程中，需要对塑料制品应力进行检测，以判断该制品是否质量合格。
常见的塑料制品，如聚碳酸脂、环氧树脂等材料具有暂时双折射性能。目前通行的透明材料非接触应力测量装置，均采用光弹性应力分析检测方法。
光弹性是某些均质透明固体在应力作用下发生双折射的性质。利用这种物理性质可以在偏振光镜下通过观测等色线和等倾线，定量研究应力的分布形式。通常的光弹性应力分析方法，是整数条纹级分析技术，无法准确测量非整数条纹部分的大小。
另外，对于多数光弹应力条纹级分析，是基于边界点条件或已知边界点条纹级数，来推断整个被测物件内条纹的级数。若偏振视场中不包含上述边界点，则无法确定视场中各个条纹的级数。所以，对于被测物内部的局部区域应力大小，此类分析法无法有效检测。
而对于透明玻璃平板等主应力差小于I级的材料，大都采用补偿法。补偿法就是在线偏振或圆偏振应力检测光学***中，在未放入被测物件，***处于消光状态；放入被测物件后，原来的消光状态被破坏，此时可以旋转偏振片，直至***恢复到消光状态。该偏振片旋转的角度就是对被测物件主应力差的直接表示。常见补偿法有塞纳蒙（Senarmont）法、巴比纳特（Babinet）法。但补偿法是非整数条纹分析技术，无法用于对主应力差大于I级的材料进行残余应力检测。
通常的塑料制品主应力差很少处在I级之内，并且在级数高于I级的情况下也不可以忽略掉非整数条纹部分的大小。由此，如何提供一种既可以检测多级应力条纹，同时又可精确检测非整数条纹部分大小的透明塑料制品应力的检测方法，成为该技术领域一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有应力检测技术的不足，提供一种透明塑料制品残余应力检测装置和方法。本发明操作快捷，对被测物无损伤，可根据测量值，精确计算出被测物的主应力差值的的大小，从而反映出被测物的残余应力大小。
本发明的技术方案是：
一种透明塑料制品残余应力检测装置，包括光源、光学***，图像采集与计算机处理***，光源由三种单色LED光源构成，光学***由平凸透镜，起偏镜，1/4波片组，检偏镜和透镜构成, 图像采集与计算机处理***由CCD相机、计算机构成, 三种单色LED光源后面依次放置平凸透镜，起偏镜，1/4波片组，检偏镜，透镜；起偏镜的透光轴沿OY方向，且与被测塑料制品所要检测的主应力方向成45°角，1/4波片组的快轴沿OX方向，检偏镜的透光轴与OX成θ角，光源通过平凸透镜和透镜后焦集在CCD相机的焦点上，光源部分、1/4波片组和CCD相机连接计算机。
光源的三种单色LED光源分别为：波长为441.6nm的紫光源、波长为532的绿光源、波长为670的红光源,并置于光源的旋转轮盘。
1/4波片组由波长为441.6nm的1/4波片、波长为532nm的1/4波片、波长为441.6nm的1/4波片构成。
一种应用上述透明塑料制品残余应力检测装置检测透明塑料制品残余应力的方法，包括以下步骤：
1）逆时针旋转检偏镜，使得CCD相机采集到图像上应力检测点所对应的像素值为最低，即光路处于消光状态；
2）分别获取三种颜色光源下，检偏镜的透光轴与OX所成的θ1、θ2、θ3角；
3）计算被测塑料制品上由于残余应力引起该点的光程差
设整数变量                                               
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE002
，并组合计算，选取
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE002A
，使得
其中
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE006
、、
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE010
为三种光源波长；
根据材料上该点的残余应力条纹级数：
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE012
   
计算出材料上由于残余应力引起该点的光程差，从而判断该点应力值。
本发明的有益效果是：
本发明与现有技术相比，可以精确测量出透明塑料制品的残余应力所引起的光程差，并且实现了基于小视场的大型检测物局部区域的应力检测。由于偏振光所涉及的偏振光学，直径稍大一些，价格增长很多，大直径的偏振片和波片往往造价高昂。本发明可以用小视场实现检测，可以大幅减小检测设备的制造成本，利于残余应力检测设备的大范围推广。同时，本测量方法同样也适用于其他透明材料如玻璃、薄膜、以及力学光弹实验等方面的应力测量。
附图说明
图1是本发明的检测原理示意图；
图2是光源转盘示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的透明塑料制品残余应力检测装置，由三部分组成：光源S1，光学***S2，图像采集与计算机处理***S3。
光源S1由三种单色LED光源构成，如附图2，分别为：波长为441.6nm的紫光源1、波长为532的绿光源2、波长为670的红光源13,以及放置光源的旋转轮盘14。
光学***S2由平凸透镜3，起偏镜4， 1/4波片组，检偏镜9和透镜10构成。
图像采集与计算机处理***S3由CCD相机11、计算机12构成。
1/4波片组由波长为441.6nm的1/4波片6、波长为532nm的1/4波片7、波长为441.6nm的1/4波片8构成。
三种单色LED光源后面依次放置平凸透镜3，起偏镜4，1/4波片组，检偏镜9，透镜10；起偏镜4的透光轴沿OY方向，且与被测塑料制品5所要检测的主应力方向成45°角，1/4波片组的快轴沿OX方向，检偏镜9的透光轴与OX成θ角，光源S1通过平凸透镜13和透镜10后焦集在CCD相机11的焦点上，光源S1、1/4波片组和CCD相机11连接计算机12。
1/4波片组中之选取一个与光源波长相对应的波片，放置在光路上。起偏镜4的透光轴沿OY方向，且和样品上所研究点的主应力方向成45°角，1/4波片的快轴沿OX方向，而检偏镜9的透光轴与OX成θ角。调整平凸透镜13和透镜10，使光源S1和CCD相机11分别在它们的焦点上。
采用琼斯矢量来计算光学***中的光矢量。
从1/4波片出射的光矢量
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE014
为
在此式子中，W为快轴沿OX方向的1/4波片的琼斯矩阵，
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE018
为快轴与OX轴相交45°角的双折射材料5的琼斯矩阵，
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE020
为从振动平面沿垂直方向的起偏镜4出射的线偏振光的琼斯矩阵。
由表示一个滞后量为δ，快轴与OX轴成β角的线滞后器件的琼斯矩阵
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE022
。对于快轴沿OX方向的1/4波片的琼斯矩阵W， 
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE024
，可得
对于快轴与OX轴相交45°角的双折射材料5的琼斯矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
， 
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE028
，可得
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE030
于是可得
即从1/4波片出射的光为线偏振光，其偏振平面与OY轴成
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE034
角。
若将检偏器沿反时针转
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE036
，则其主轴垂直于从1/4波片出射的线偏振光，于是，在所讨论的点发生消光现象。可以使用CCD相机11采集到的图像上，对应于应力检测点的图像点的灰度值信息。当该点的灰度值为最低时，可判定此刻消光。
由此可得条纹级数为
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE038
（k为整数，θ范围为0~180°）
根据二维应力-光学定律
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE040
其中
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE042
，是模型材料条纹值，C为材料的应力-光学常数，λ为当前光源波长。
由以上三式可得
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE044
对于三种波长的光源，则有
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE046
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE048
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE050
联立可得
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE004A
组合计算，选取合适的
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE002AA
，使得上式成立。则主应力差的条纹值为
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE012A
以聚碳酸脂工业生产应力检测为例，如附图1所示，本发明的步骤如下：
（1）将红光源13旋转到光路上，打开红光源13，并将红光对应的670nm波长1/4波片旋转到光路上。
（2）调整光路上各个元件，使得起偏镜4的透光轴沿OY方向，且和样品上所研究点的主应力方向成45°角，1/4波片的快轴沿OX方向，而检偏镜9的透光轴与OX成θ角。调整平凸透镜13和透镜10，使光源S1和CCD相机11分别在它们的焦点上。
（3）逆时针方向旋转检偏镜9，当计算机12显示分析点像素值达到最小时停止旋转，并记录旋转角度
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE052
。
（4）将绿光源2旋转到光路上，打开绿光源2，并将绿光对应的532nm波长1/4波片旋转到光路上。重复步骤（2）、（3），记录旋转角度。
（5）将紫光源1旋转到光路上，打开紫光源1，并将紫光对应的441.6nm波长1/4波片旋转到光路上。重复步骤（2）、（3），记录旋转角度
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE056
。
（6）设整数变量
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE058
，并分别选取合适的值，使得
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE060
      即使得
Figure 2013104791869100002DEST_PATH_IMAGE062
三式最接近。可根据
Figure DEST_PATH_IMAGE012AA
计算出材料上由于残余应力引起该点的光程差，从而判断该点应力值。

Claims (4)

1.一种透明塑料制品残余应力检测装置，包括光源(S1)、光学***(S2)，图像采集与计算机处理***(S3)，特征在于：所述光源(S1)由三种单色LED光源构成，光学***(S2)由平凸透镜(3)，起偏镜(4)，1/4波片组，检偏镜(9)和透镜(10)构成, 图像采集与计算机处理***(S3)由CCD相机(11)、计算机(12)构成, 三种单色LED光源后面依次放置平凸透镜(13)，起偏镜(4)，1/4波片组，检偏镜(9)，透镜(10)；起偏镜(4)的透光轴沿OY方向，且与被测塑料制品(5)所要检测的主应力方向成45°角，1/4波片组的快轴沿OX方向，检偏镜(9)的透光轴与OX成θ角，光源(S1)通过平凸透镜(3)和透镜(10)后焦集在CCD相机(11)的焦点上，光源(S1)、1/4波片组和CCD相机(11)连接计算机(12)。
2.根据权利要求1所述的透明塑料制品残余应力检测装置，其特征在于：所述光源(S1)的三种单色LED光源分别为：波长为441.6nm的紫光源(1)、波长为532的绿光源(2)、波长为670的红光源(13),并置于光源的旋转轮盘(14)。
3.根据权利要求1所述的透明塑料制品残余应力检测装置，其特征在于：所述1/4波片组由波长为441.6nm的1/4波片(6)、波长为532nm的1/4波片(7)、波长为441.6nm的1/4波片(8)构成。
4.一种应用权利要求1至3任一项所述的透明塑料制品残余应力检测装置检测透明塑料制品残余应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）逆时针旋转检偏镜(9)，使得CCD相机(11)采集到图像上应力检测点所对应的像素值为最低，即光路处于消光状态；
2）分别获取三种颜色光源下，检偏镜(9)的透光轴与OX所成的θ1、θ2、θ3角；
3）计算被测塑料制品(5)上由于残余应力引起该点的光程差
设整数变量                                               
Figure 2013104791869100001DEST_PATH_IMAGE002A
，并组合计算，选取
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
，使得
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
为三种光源波长；
根据材料上该点的残余应力条纹级数：
   
计算出材料上由于残余应力引起该点的光程差，从而判断该点应力值。
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