CN116879232A - 一种基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置与方法，所述方法包括：将待测样品安装到力学加载装置中，对待测样品进行加载，低相干宽带光源发出的光通过第一凸透镜准直成一束平行光，在通过柱面镜后在其焦点处汇成光线，进而实现线性截面扫描；光线通过分光棱镜后，被分成两束进入参考臂、样品臂，待测样品的前后表面的反射光以及参考光进入分光棱镜相互干涉形成干涉条纹，随后进入线阵CCD相机采集。本发明装置具有高灵敏度的特点，实现了材料内部微缺陷周围力学失效过程的可视化监测。

Description

一种基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置与方法

技术领域

本发明缺陷检测技术领域，特别涉及一种基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置与方法。

背景技术

复合材料由于重量轻，强度高，成型性好等优点，在医疗、工业领域应用广泛。但是，其在制造过程中，不可避免地会出现夹杂物(如杂质、纤维束、空隙、气泡等)等内部缺陷，进而影响材料的力学性能和物理性能。更为重要的是，随着时间的推移，材料内部的微缺陷会变成较大的缺陷，进而导致机械故障。因此为了评估这种聚合物/聚合物复合材料的质量，发明一种可以识别材料内部缺陷的无损检测(non-destructive testing，NDT)及可视化监测方法是非常必要的。

目前常规的无损检测方法主要有以下几种：

磁粉检测：其通过对被检工件施加磁场使其磁化(整体磁化或局部磁化)，在工件的表面和近表面缺陷处将有磁力线逸出工件表面而形成漏磁场，有磁极的存在就能吸附施加在工件表面上的磁粉形成聚集磁痕，从而显示出缺陷的存在。

超声检测：超声波探伤是一种利用高频机械波在材料中传播的特性，探测材料中缺陷或异质界面的方法。探头产生的脉冲超声波在材料中传播，遇到缺陷或界面时产生反射，在探头接收和转换后，通过仪器放大和显示，可以测定缺陷的位置和大致尺寸。超声波探伤还可用于检测材料的物理特性，如声速、衰减和共振等。

渗透检测：渗透检测可以检测非磁性材料的表面缺陷，从而对磁粉检测提供了一项补充的手段。渗透检测方法，即在测试材料表面使用一种液态染料，并使其在体表保留至预设时限，该染料可为在正常光照下即能辨认的有色液体，也可为需要特殊光照方可显现的黄/绿荧光色液体。此液态染料由于“毛细作用”进入材料表面开口的裂痕。毛细作用在染色剂停留过程中始终发生，直至多余染料完全被清洗。此时将某种显像剂施加到被检材质表面，渗透入裂痕并使其着色，进而显现。具备相应资质的检测人员可对该显现痕迹进行解析。

其他检测方法：近年来提出了通过检测缺陷引起的变形异常来识别缺陷的方法。如电子散斑干涉技术和数字全息技术。

尽管已有方法能够实现某些场合下的材料缺陷无损检测，但其在实际应用中存在各种各样的问题，如磁粉检测主要用以探测磁性材料表面或近表面的缺陷；超声检测一般都是获取物体内部结构信息，通过识别缺陷轮廓来检测缺陷，其操作过程专业性强且当缺陷大小小于A-分辨率(约为10～100μm)时，该检测方法就会失效。而渗透检测虽然是对磁粉检测的补充，但因为其是一种接触式的检测方法，因此在应用中仍存在局限性。上述的检测均可以归类为形貌检测，即通过检测缺陷的形貌来判断是否存在缺陷，而这种方法的局限性就是检测分辨率不够高，若想提高检测分辨率，检测成本也会相应提高。

近年来通过检测缺陷引起的形变来识别的缺陷的方法开始被提出，如电子散斑干涉技术、数字全息技术等。针对缺陷的形变测量方法比常规的形貌测量方法有着更高的测量灵敏度，即使是大小在微米到亚毫米范围内的微小缺陷也可以被检测到。但上述提到的形变测量相关方法主要还是应用于材料表面缺陷检测，虽然层析成像技术，如计算机层析成像(computed tomography，CT)、光学相干层析成像(optical coherence tomography,OCT)等结合相关算法可用作材料内部形变测量，但其计算效率和变形灵敏度相对较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种高灵敏度的、非接触式的基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置与方法，用以更好地检测材料内部的微缺陷，监测材料受力变形以及缺陷周围的力学失效机理。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置，包括光测装置以及力学加载装置；

所述光测装置包括低相干宽带光源、第一凸透镜、柱面镜、分光棱镜、样品臂、参考臂以及光谱仪，其中：

低相干宽带光源通过光纤接入装置为整个监测装置提供照明光束；光纤接入装置之后的光路上依次布置第一凸透镜、柱面镜、分光棱镜；分光棱镜用于按照其分光比将照明光束分为两束提供给样品臂和参考臂，同时还用于参考臂的参考光束以及待测样品前后表面的反射光束的干涉条纹形成；所述光谱仪用于对干涉条纹进行检测；

所述待测样品固定在力学加载装置中，力学加载装置用于对待测样品在样品臂轴向上进行力学加载。

进一步地，所述样品臂包括第二凸透镜，进入样品臂的光束对设置在力学加载装置中的待测样品进行照明。

进一步地，所述参考臂包括依次布置的第三凸透镜、中性滤波片以及光楔；分光棱镜分束后的光线通过反光镜反射进入参考臂，最终通过光楔反射后，通过参考臂回到分光棱镜中作为参考光束参与光线干涉过程。

进一步地，所述光谱仪包括闪耀光栅、高通滤波片、第四凸透镜以及线阵CCD相机。

进一步地，所述力学加载装置包括支撑板、石英玻璃、测微压片；

石英玻璃固定在支撑板的侧面，位于待测样品的上部，用于对待测样品进行安装定位；

测微压片布置在待测样品的下部，其下方设置有第一旋钮，第一旋钮用于驱动测微压片在z方向上对待测样品进行力学加载；

待测样品布置在石英玻璃与测微压片之间，在待测样品上部的两端与石英玻璃之间分别布置有第一压力传感器、第二压力传感器，用于检测力学加载时的压力数据。

进一步地，所述力学加载装置还包括第二旋钮、第三旋钮，其中，第二旋钮用于驱动支撑板带动待测样品在x方向移动，第三旋钮用于驱动支撑板带动待测样品在z方向移动。

一种基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测方法，包括：

步骤1，将待测样品放置于力学加载装置的石英玻璃与测微压片之间，利用第一旋钮对待测样品进行预紧操作；

步骤2，打开光测装置的低相干宽带光源，将力学加载装置固定在样品臂的下方，同时通过第二旋钮、第三旋钮对待测样品在x-z平面的角度进行调整，从而确保在与线阵CCD相机连接的计算机上可以观测到由光测装置采集到的干涉条纹；

步骤3，在进行检测时，旋转第一旋钮调整待测样品在z方向上的机械加载程度，同时利用第一压力传感器、第二压力传感器对待测样品受到的压力数据进行记录；

与此同时，低相干宽带光源发出的光通过第一凸透镜准直成一束平行光，在通过柱面镜后在其焦点处汇成照明光线，进而实现线性截面扫描；照明光线通过分光棱镜后，被分成两束，50％的光束进入样品臂，对待测样品S进行照明，另50％光束通过反光镜反射后进入参考臂；

步骤4，样品臂待测样品的前后表面的反射光，以及参考臂中通过光楔反射的参考光束进入分光棱镜相互干涉形成干涉条纹，随后通过闪耀光栅进入光谱仪的线阵CCD相机采集，进而完成实时测量。

进一步地，待测样品的第j层沿其深度方向的正应变表示为：

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

本发明装置具有高灵敏度的特点，实现了材料内部微缺陷周围力学失效过程的可视化监测。对于某些通过传统的形貌检测无法测得的材料内部微缺陷，可通过本发明提出的装置和方法完成检测及可视化监测。该方法不仅适用于聚合物和聚合物复合材料，也适用于其他透明和半透明材料，如玻璃和陶瓷。该方法检测效率高且识别灵敏度和可靠性均高于常规成像方法。

附图说明

图1为本发明监测装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例中各样品某一时刻下的干涉光谱；

图3为本发明一个实施例中各样品某一时刻下的层析形貌；

图4为本发明一个实施例中各样品形变过程中的相位差分布图；

图5为各样品形变过程中的层析应变场。

图中标号说明：1低相干宽带光源，2第一凸透镜，3第二凸透镜，4第三凸透镜，5第四凸透镜，6柱面镜，7分光棱镜，8中性滤波片，9光楔，10反光镜，11闪耀光栅，12线阵CCD相机，13高通滤波片，14力学加载装置，15石英玻璃，16测微压片，17第一压力传感器，18第二压力传感器，19第三旋钮，20第二旋钮，21第一旋钮，22待测样品。

具体实施方式

参见图1，本发明首先提供了一种基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置，包括光测装置以及力学加载装置。

1.光测装置

光测装置包括低相干宽带光源、第一凸透镜、柱面镜、分光棱镜、样品臂、参考臂以及光谱仪，其中：

低相干宽带光源通过光纤接入装置为整个监测装置提供照明光束；光纤接入装置之后的光路上依次布置第一凸透镜、柱面镜、分光棱镜；分光棱镜用于按照其分光比将照明光束分为两束提供给样品臂和参考臂，同时还用于参考臂的参考光束以及待测样品前后表面的反射光束的干涉条纹形成；所述光谱仪用于对干涉条纹进行检测。

本方案中，所述样品臂包括第二凸透镜，进入样品臂的光束对设置在力学加载装置中的待测样品进行照明。

所述参考臂包括依次布置的第三凸透镜、中性滤波片以及光楔；分光棱镜分束后的光线通过反光镜反射进入参考臂，最终通过光楔反射后，通过参考臂回到分光棱镜中作为参考光束参与光线干涉过程。

所述光谱仪包括闪耀光栅、高通滤波片、第四凸透镜以及线阵CCD相机。

下面对光测装置中所用到的各光学器件作进一步说明。

低相干宽带光源的中心波长为825nm，带宽为50nm。

第一凸透镜至第四凸透镜的焦距均为50mm，直径均为25.4mm。其中第一凸透镜作为为准直透镜，其作用是将低相干宽带光源通过光纤接入装置提供的光线准直成一束平行光线；第二凸透镜、第三凸透镜分别位于样品臂、参考臂中，作用一方面是将光束汇聚到待测样品、光楔上，另一方面将光楔、样品前后表面反射光线准直回分光棱镜中进行光线干涉，以便于光谱仪的测量；第四凸透镜作为光谱仪的定焦镜头，其作用是使得其采集到的光线在线阵CCD相机的面上不同空间产生干涉效果。

柱面镜的焦距为50mm，其将经第一凸透镜准直的多条平行光线在其焦点处汇聚成一条光线，从而使装置实现线性截面扫描。

分光棱镜的分光比为50：50，其棱长为25mm。

中性滤波片的光谱范围为250-700nm，由于参考臂中的参考光束为镜面反射光束，反射光强较强，而样品臂中待测样品的散射光极弱，为了提高干涉条纹的对比度，采用中性滤波片对参考臂的参考光束的光强进行抑制。

光楔的角度为10°，将其前表面的光反射回光测装置，后表面反射光反射出光测装置，减小整个装置的解调难度。

反光镜的作用是改变光路方向，使得整个装置的结构紧凑，集成度高。

闪耀光栅将能量汇聚到除零级光谱以外的其他级光谱上，在其他级不同波长的光按照不同的角度反射，本装置在光栅的一级光谱时实现将多种混合波长的光线按照波长逐次的效果。

线阵CCD相机的采样频率最高为35fps，曝光时间最低为40μs可以实现对干涉条纹的快速实时采集。

高通滤波片能够极大的抑制外部可见光对干涉图像的影响，提高成像质量和***性噪比。

2.力学加载装置

所述待测样品固定在力学加载装置中，力学加载装置用于对待测样品在样品臂轴向上进行力学加载。

参见图1，本实施例中，所述力学加载装置包括支撑板、石英玻璃、测微压片，其中：

石英玻璃厚度为50mm，其通过螺丝被固定在支撑板的侧面，位于待测样品的上部，用于对待测样品进行安装定位，同时配合下方的测微压片对待测样品进行力学加载，保证样品受到力学加载时的稳定性。

测微压片布置在待测样品的下部，其下方设置有第一旋钮，第一旋钮用于驱动测微压片在z方向上对待测样品进行力学加载。

待测样品布置在石英玻璃与测微压片之间，其中在待测样品上部的两端与石英玻璃之间分别布置有第一压力传感器、第二压力传感器，用于检测力学加载时的压力数据。

为了保证测量精度，力学加载装置还包括第二旋钮、第三旋钮，其中，第二旋钮用于驱动支撑板带动待测样品在x方向移动，第三旋钮用于驱动支撑板带动待测样品在z方向移动，从而调整待测样品在x-z平面的角度；图1的示例中，z方向为垂直于屏幕的方向。

第一旋钮、第二旋钮以及第三旋钮的具体安装方式为现有技术，以第一旋钮为例，第一旋钮前端为螺杆，在支撑板侧面位于测微压片下方设置有带螺纹孔的固定板，第一旋钮前端穿过螺纹孔，通过旋转第一旋钮，使得第一旋钮的端部推动测微压片在z方向上移动。

在上述技术方案的基础上，本发明进一步提供一种基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测方法，包括：

步骤1，将待测样品放置于力学加载装置的石英玻璃与测微压片之间，利用第一旋钮对待测样品进行预紧操作。

步骤2，打开光测装置的低相干宽带光源，将力学加载装置固定在样品臂的下方，同时通过第二旋钮、第三旋钮对待测样品在x-z平面的角度进行调整，从而确保在与线阵CCD相机连接的计算机上可以观测到由光测装置采集到的干涉条纹。

步骤3，在进行检测时，旋转第一旋钮调整待测样品在z方向上的机械加载(压缩)程度，同时利用第一压力传感器、第二压力传感器对待测样品受到的压力数据进行记录；

与此同时，低相干宽带光源发出的光通过第一凸透镜准直成一束平行光，在通过柱面镜后在其焦点处汇成照明光线，进而实现线性截面扫描；照明光线通过分光棱镜后，被分成两束，50％的光束进入样品臂，对待测样品S进行照明，另50％光束通过反光镜反射后进入参考臂。

步骤4，样品臂待测样品的前后表面的反射光，以及参考臂中通过光楔反射的参考光束进入分光棱镜相互干涉形成干涉条纹，随后通过闪耀光栅进入光谱仪的线阵CCD相机采集，进而完成实时测量。

在任意时刻t，线阵CCD相机采集到的待测样品y-z截面的一系列干涉光谱信号可以表示为：

其中，I(y,k,t)为光强，k＝2π/λ为波长为λ的光的波数，M为待测样品的表面个数，j表示第j个表面，y表示装置工作时经柱面镜汇聚的光线方向是y方向，z_j表示z方向上的第j个表面，I_R和I_S分别为从参考平面(光楔R)和待测样品S第j表面反射过来的光强，为第j个表面反射造成的相位变化，Λ(y,z_j,t)为参考平面(光楔R)与待测样品S第j表面之间的光程差，DC与AC分别为自相干分量和互相干分量；由于上式右侧第三项的频率为f_k＝Λ(y,z,t)/π，因此其对应于待测样品y-z平面的层析结构的振幅-频率谱。

对采集到的干涉光谱经过加窗并离散化处理后使用傅里叶变换原理进行解调，可以得到该干涉光谱的幅值为：

在上式中，f表示频率，Δk表示加窗操作的动态范围，f_k表示干涉频率。

可见，当f＝f_k＝Λ(y,z_j,t)/π时，幅值存在，故干涉信号的傅里叶变换的幅值正比于试样内部光学深度即光程差Λ(y,z_j,t)。因此，其幅频图即是样品内部层析形貌，故通过幅值图可以实现较大缺陷的检测。

当待测样品在机械加载过程中产生形变时，可以从干涉信号中得到待测样品在在任意时刻t时第j表面的光程差变化量ΔΛ(y,z_j)，其可以表示为：

在上式中，λ_c为低相干宽带光源的中心波长，为相位差，diff[]和unwrap{}分别表示相位差计算以及相位解包裹计算，/>和/>分别为在任意时刻t和初始时刻t₀下待测样品第j层反射造成的相位变化。

由于光程差是折射率和距离的乘积，那么待测样品表面间光程差变化的差值可以表示为：

ΔΛ(y,z_j+δz,t)-ΔΛ(y,z_j,t)＝[w(y,z_j+δz,t)-w(y,z_j,t)]n₀ (4)

在上式中，ΔΛ(y,z_j+δz,t)、ΔΛ(y,z_j,t)分别表示样品形变前后的光程差，δz为待测样品层析分辨率，w(y,z_j+δz,t)、w(y,z_j,t)为样品形变前后沿y方向的位移，称为面外位移，n₀为样品初始折射率。

结合式(3)以及位移同应变的关系，式(4)可以改写为：

其中，ε(y,z_j,t)表示待测样品的第j层沿其深度方向的正应变，表示样品形变后的相位差。

得到样品的层析应变场后，通过其层析应变场重构(在相位差分布图中，就可以观测到奇异点，故在层析应变场中观察到的该点使用了重构一词)测量结果中的奇异点(即相位或应变场发生畸变的点)，即可完成材料内部微缺陷检测及可视化监测。后续持续进行压缩加载，可进一步观察缺陷周围受力过程的应力集中现象，观察到不同类型缺陷由小变大，材料逐步产生力学失效过程的动态应变场分布，实现材料内部缺陷失效过程的可视化监测。

实施例：

(1)根据图1所示结构图搭建检测及可视化监测装置，其深度分辨率为7.5μm，深度量程为3mm，截面监测速率为20fps。

(2)将制备好的样品安装在机械加载装置中对其进行机械加载(压缩)，同时打开低相干宽带光源以及线阵相机，采集样品在机械加载过程中的干涉图。

(3)为了验证测量方法的可靠性与准确性，共制备了三个样品，分别为样品A(内部无缺陷)、样品B(内部存在大缺陷)、样品C(内部存在小缺陷)，其在机械加载过程中的某一时刻下的干涉光谱如图2所示。

(4)获得上述的干涉光谱后，可通过傅里叶变换得到式(2)的所表征的各样品的层析形貌，从而检测出尺度较大的内部缺陷，如图3所示。

(5)从图3中，可以看到样品B中有着明显的缺陷，但样品A和样品C中是否存在缺陷在幅值图上无法辨别。依据式(3)，通过对受力形变前后的干涉光谱进行傅里叶变换并进行相位差，可以获得其所述的相位差分图并用于识别样品的内部缺陷。取各样品在机械加载过程中形变前后的两帧干涉光谱对其进行相位差计算，得到的样品在不同时刻下(即不同的机械加载程度)的相位差分布如图4所示。

(6)对所得到的差分相位按照式(5)求解其对应的沿深度方向的正应变，获得其层析应变场，进而通过层析应变场重构测量结果中的奇异点，如图5所示。

(7)在图4和图5中可以看到，当样品内部存在缺陷时，样品的相位差分布以及层析应变场将在缺陷处出现奇异点且样品不同时刻下(即不同的机械加载程度下)的相位差分布及层析应变均可表征出来。由此可见，利用层析应变不光能识别较大的内部缺陷，而且也可识别层析形貌无法识别的细微缺陷；同时随着压缩加载的增加，可以观测不同应力下的材料内部层析应变场，用于分析材料力学失效机理，为其优化设计提供实验依据。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置，其特征在于，包括光测装置以及力学加载装置；其中：

光测装置包括低相干宽带光源、第一凸透镜、柱面镜、分光棱镜、样品臂、参考臂以及光谱仪，其中：

低相干宽带光源通过光纤接入装置为整个监测装置提供照明光束；光纤接入装置之后的光路上依次布置第一凸透镜、柱面镜、分光棱镜；分光棱镜用于按照其分光比将照明光束分为两束提供给样品臂和参考臂，同时还用于参考臂的参考光束以及待测样品前后表面的反射光束的干涉条纹形成；所述光谱仪用于对干涉条纹进行检测；

所述待测样品固定在力学加载装置中，力学加载装置用于对待测样品在样品臂轴向上进行力学加载。

2.根据权利要求1所述的基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置，其特征在于，所述样品臂包括第二凸透镜，进入样品臂的光束对设置在力学加载装置中的待测样品进行照明。

3.根据权利要求1所述的基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置，其特征在于，所述参考臂包括依次布置的第三凸透镜、中性滤波片以及光楔；分光棱镜分束后的光线通过反光镜反射进入参考臂，最终通过光楔反射后，通过参考臂回到分光棱镜中作为参考光束参与光线干涉过程。

4.根据权利要求1所述的基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置，其特征在于，所述光谱仪包括闪耀光栅、高通滤波片、第四凸透镜以及线阵CCD相机。

5.根据权利要求1所述的基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置，其特征在于，所述力学加载装置包括支撑板、石英玻璃、测微压片；

石英玻璃固定在支撑板的侧面，位于待测样品的上部，用于对待测样品进行安装定位；

测微压片布置在待测样品的下部，其下方设置有第一旋钮，第一旋钮用于驱动测微压片在z方向上对待测样品进行力学加载；

待测样品布置在石英玻璃与测微压片之间，在待测样品上部的两端与石英玻璃之间分别布置有第一压力传感器、第二压力传感器，用于检测力学加载时的压力数据。

6.根据权利要求5所述的基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测装置，其特征在于，所述力学加载装置还包括第二旋钮、第三旋钮，其中，第二旋钮用于驱动支撑板带动待测样品在x方向移动，第三旋钮用于驱动支撑板带动待测样品在z方向移动。

7.一种基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测方法，其特征在于，包括：

步骤1，将待测样品放置于力学加载装置的石英玻璃与测微压片之间，利用第一旋钮对待测样品进行预紧操作；

步骤2，打开光测装置的低相干宽带光源，将力学加载装置固定在样品臂的下方，同时通过第二旋钮、第三旋钮对待测样品在x-z平面的角度进行调整，从而确保在与线阵CCD相机连接的计算机上可以观测到由光测装置采集到的干涉条纹；

步骤3，在进行检测时，旋转第一旋钮调整待测样品在z方向上的机械加载程度，同时利用第一压力传感器、第二压力传感器对待测样品受到的压力数据进行记录；

与此同时，低相干宽带光源发出的光通过第一凸透镜准直成一束平行光，在通过柱面镜后在其焦点处汇成照明光线，进而实现线性截面扫描；照明光线通过分光棱镜后，被分成两束，50％的光束进入样品臂，对待测样品S进行照明，另50％光束通过反光镜反射后进入参考臂；

步骤4，样品臂待测样品的前后表面的反射光，以及参考臂中通过光楔反射的参考光束进入分光棱镜相互干涉形成干涉条纹，随后通过闪耀光栅进入光谱仪的线阵CCD相机采集，进而完成实时测量。

8.根据权利要求7所述的基于层析应变测量的内部缺陷可视化监测方法，其特征在于，待测样品的第j层沿其深度方向的正应变表示为：