SU1627937A1 - Method of finding width of cracks in polymers using refraction index of material - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измери- тельной технике. Цель изобретени  - расширение диапазона измерений, опре- деление параметров трещин в началь- ный момент их возникновени -и роста. Трешины в полимерах облучают линейно пол ризованным излучением под различными углами падени  в диапазоне 60-85 1, измер ют интенсивность отраженного от трещин излучени , по которой определ ют параметры трещин При этом регистрируетс  интегральна  интенсивность отраженного излучени  в услови х, обеспечивающих максимальную чувствительность. 2 ил. § слThis invention relates to a measurement technique. The purpose of the invention is to expand the measurement range, to determine the parameters of cracks at the initial moment of their occurrence and growth. The fractures in the polymers are irradiated with linearly polarized radiation at different incidence angles in the range of 60-85-1, the intensity of the radiation reflected from the cracks is measured, and the parameters of the cracks are determined. The integral intensity of the reflected radiation is recorded under conditions providing maximum sensitivity. 2 Il. § cl

Description

Изобретение относитс  к (мерительной технике, а именно к способам определени  параметров трещин в полимерах , и может быт использовано дл  оценки прочностных своиств материалов .The invention relates to (measuring equipment, namely, methods for determining the parameters of cracks in polymers, and can be used to assess the strength properties of materials.

Цель изобретени  - расширение диапазона измерений.The purpose of the invention is to expand the measurement range.

На фиг.1 представлена схема устройства дл  реализации способа; на фиг.2 - зависимость интенсивное и отраженного от трещины изтчченин от угла падени  at С©) ри различны/, величинах деформации полиме ппметакри- лата.Figure 1 shows a diagram of the device for implementing the method; 2 - the dependence of intense and reflected from the fracture of the fracture on the angle of incidence at С ри ri and different /, the values of deformation of the polymethpmethacrylate.

Способ осуществл ют c. it. упчиич образом .The method is carried out c. it. upchich way

Образец облучают линейно-лол ри зованным излучением под различными углами падени  на трещины в диапазоне 60-85 и измер ют зависимость интенсивности отраженного от трещин излучени  от угла падени  облучающего излучени , по которой определ ют параметры трещин. Указанный диапазон измерений - обеспечивает регистрацию максимальной интенсивности отраженного от образовавшейс  трещины излучени . Расп ространение трещин в полимерных материалах перпендикул рно направлению приложени  нагрузки, поэтому с учетом геометрии расположени  трепнш в образце интегральна  интенсивность отраженного от трещин сереГфа (креи-The sample is irradiated with linear-laser radiation at different angles of incidence on the cracks in the range of 60-85 and the dependence of the intensity of the radiation reflected from the cracks on the angle of incidence of the irradiating radiation, from which the parameters of the cracks are determined, is measured. The specified measurement range ensures the recording of the maximum intensity of radiation reflected from the formed crack. The crack propagation in polymeric materials is perpendicular to the direction of application of the load, therefore, taking into account the geometry of the location of the graphene reflected from the cracks in the sample,

он) излучени  равна I 10р(he) radiation is equal to I 10p (

- «« 5- "" five

(I)(I)

10 - интенсивность облучающего10 - intensity of the irradiating

излучени ;radiation;

г - энергетический коэффициент отражени  света от поверх- ности образца, который дл  параллельной пол ризации равенg is the energy coefficient of reflection of light from the sample surface, which for parallel polarization is equal to

4 sin4 sin

rf-l(n,-rf-l (n, -

sinsin

VV

(2)(2)

n ( cos + t n - sin и/, s i n ot с о s (X.n (cos + t n - sin and /, s i n ot с о s (X.

1515

-ГТ 1 n 4- sin-GT 1 n 4- sin

n ., и nn., and n

геометрический фактор, 0 определ ющий непосредственно падающее на трещины излучение (п т-20 но облучающего излуче- ни ) ;the geometric factor, which determines the radiation directly incident on the cracks (n t-20 but irradiating radiation);

Х - угол падени  света на образен, св занный с углом падени  на тре- 25 типу & соотношением sinoi n cos & ; - показатели преломлени  полимерного материала и материала тре- о щины соответственно;X is the angle of incidence of light on shaped, associated with the angle of incidence at the third type & sinoi n cos &; - refractive indices of the polymer material and crack material, respectively;

R - энергетический коэффициент отражени  излучени  от трещины, завис щий от угла падени  0 (оО , толщины трещины h0 и показател  преломлени  материала трещины п/2 N - количество трещин,попадающих в область облучени  при нормальном падении света на образецR is the energy reflection coefficient of radiation from a crack, depending on the angle of incidence 0 (oO, crack thickness h0 and the refractive index of the crack material n / 2 N - the number of cracks falling into the irradiation area during normal incidence of light on the sample

Энергетический коэффициент отражени  оптического отражени  света RO от пленки толщиной h и показателем преломлени  n2, наход щейс  в среде с показателем преломлени  п, определ етс  в видеThe energy reflection coefficient of the optical reflection of light RO from a film of thickness h and refractive index n2 in an environment with a refractive index p is defined as

-7th -7th

HO - - -, (HO - - -, (

- 2 cos - 2 cos

obhobh

+ е+ e

2 тП -- l2 tp - l

пЛв1пйв- С)2 пПЛв1пйв- С) 2 п

(5)(five)

Ч - фаза отраженной волны дл  пол ризации света, лежащей в плоскости падени , определ ема  в видеH is the phase of the reflected wave for the polarization of light lying in the plane of incidence, defined as

( () + (24) cosftS)- 8 (sinC6- (DS)2)4 C08«0(() + (24) cosftS) - 8 (sinC6- (DS) 2) 4 C08 "0

cos 2 --- ---- -- (sin 6 ()ft + (SS) )2cos 2 --- ---- - (sin 6 () ft + (SS)) 2

С учетом экспериментальных данных вить в виде клина, дл  которых энер- дл  объ снени  взаимодействи  света гетический коэффициент отражени  свес трещинами серебра в полимерных ма-40 та R равен териалах эти трещины можно предстаbhofl - ЧTaking into account the experimental data, a wedge, for which the energy of explaining the interaction of light to the reflection coefficient of silver overhangs in polymeric ma-40 and R is equal to the materials equal to the materials, can be represented in the form of cracks.

Дл  малых значений 1 I, при которых , и с учетом For small values of 1 I, for which, and with

1 + bh,., - ----, выражение (7) преобразуетс  к виду 1 + bh,., - ----, expression (7) is converted to

В выражении (7) содержатс  три неизвестные величины (N, n, h0) о Однако ввиду сложности выражени  дл  R аналитическое решение уравне ний (1) при различных углах & неIn expression (7) there are three unknown values (N, n, h0) o However, due to the complexity of the expression for R, the analytical solution of equations (1) for different angles & not

R1 hh0 R1 hh0

. о/л /nl rifQ представл етс  возможным. Поэтому . o / l / nl rifQ is possible. therefore

-/г hnn j tsinKO - ( ) (о),J - / g hnn j tsinKO - () (o), J

yt ° лnt. задачу определени  п0и по. можноyt ° lnt. the task of determining p0i by. can

(6)(6)

2 И 1+с5в 2Ч 2 AND 1 + C5V 2H

(7)(7)

В выражении (7) содержатс  три неизвестные величины (N, n, h0) о Однако ввиду сложности выражени  дл  R аналитическое решение уравне- ний (1) при различных углах & неIn expression (7) there are three unknown values (N, n, h0) o However, due to the complexity of the expression for R, the analytical solution of equations (1) at different angles & not

представл етс  возможным. Поэтомуseems possible. therefore

сформулировать следующим образом. Найти (подобрать) такие их значени  при которых опытные данные R(6;)/ /R(6 const) Р-, ЭКс наилучшим образом совпадают с теоретическими (расчетными) Pj Ttop При наилучшем совпадении сумма квадратов отклонений экспериментальных значений от теоретических минимальна, поэтому задача сводитс  к определению минимума функцииformulate as follows. Find (pick up) their values at which the experimental data R (6;) / / R (6 const) P-, EKC best match the theoretical (calculated) Pj Ttop With the best match, the sum of the squares of the deviations of the experimental values from the theoretical ones is minimal, therefore the task is to determine the minimum of the function

Ф(Ь0, пй) Z ;3KC- Р(Теор)г (9) iF (b0, pj) Z; 3KC-P (Theor) g (9) i

Из экспериментальной зависимости интенсивности отраженного от трещины излучени  от угла падени  в диапазоне 60-85 ° определ ем значени  Р;экс и с использованием ЭВМ находим параметры Ь0 и п, соответствующие минимуму функции f(h0, n). Уменьшение угла меньше 60° приводит к уменьшению регистрирующей интенсивности за счет понижени  энергетического коэффициента отражени  оптического излучени  от трещин. Увеличение угла выше 85 приводит к уменьшению регистрирующей интенсивности ia счет уменьшени  п тна облучающего трещину излученич.From the experimental dependence of the intensity of the radiation reflected from the crack on the angle of incidence in the range of 60-85 °, we determine the values of Р; ex and using the computer we find the parameters b0 and n corresponding to the minimum of the function f (h0, n). A decrease in the angle less than 60 ° leads to a decrease in the recording intensity due to a decrease in the energy coefficient of reflection of optical radiation from cracks. Increasing the angle above 85 leads to a decrease in the recording intensity ia due to a decrease in the spot of the radiation radiating the crack.

Устройство дл  реализации способа содержит источник 1 оптического излучени , гют рочд 2, фокусирующую линзу 3, фотоприемник 4, индикатор 5 гониометрическое устройство 6. При этом источник излучени  и регистрирующа  часть (фокусирующа  линза 3, фотоприемник 4 и индикатор 5) располагаютс  симметрично относительно направлени  приложени  нагрузки ( обеспечиваетс  равенство углов падени  и отражени  от трещин, которые расположены перпендикул рно к направлению приложени  нагрузки. Исследуемый образец 7 с трещинами облучают оптическим излучением 8 от источника I под различными углами падени  на трещины в диапазоне 60-85°(что соответствует изменению угла падени  на образен 5-50°) и измер ют зависимост интенсивности отраженного от трещины излучени  от угла падени  облучени , которое фокусируетс  линзой 3 на фо- топриемник 4, фототок 9 которого регистрируетс  индикатором 5. По полученной зависимости с использованием расчетных формул (1) и (9) опре-A device for implementing the method comprises an optical radiation source 1, a roach 2 lens, a focusing lens 3, a photodetector 4, an indicator 5, a goniometric device 6. At the same time, the radiation source and the recording part (focusing lens 3, photodetector 4 and indicator 5) are arranged symmetrically with respect to the direction of application load (the angles of incidence and reflection from cracks, which are perpendicular to the direction of application of the load, are ensured. The test sample 7 with cracks is irradiated with optical radiation 8 from source I at different angles of incidence on the cracks in the range of 60-85 ° (which corresponds to a change in the angle of incidence by 5-50 °) and measure the dependence of the intensity of the radiation reflected from the crack on the angle of incidence of irradiation, which is focused by the lens 3 on the background - the receiver 4, the photocurrent 9 of which is recorded by the indicator 5. According to the obtained dependence using the calculation formulas (1) and (9),

279376279376

дел ют толщину и показатель преломлени  материала трещин.the thickness and the refractive index of the crack material are divided.

Пример осуществлени  способа. Образцы из полиметилметакрилата предварительно прикрепл ли зажимами нагружающего устройства и механически нагружали на различные величины дег формации, что обеспечивало воэникно-An example of the method. Samples of polymethylmethacrylate were pre-attached with clips of a loading device and mechanically loaded with various amounts of formation money, which provided military equipment.

JQ вение трещин с- различными параметра - ми« Образцы с трещинами устанавливали на гониометрическое устройство и облучали оптическим излучением от источника - лазера ЛГИ-105 (длинаJQ cracking with various parameters. “The samples with cracks were mounted on a goniometric device and irradiated with optical radiation from a source — an LGI-105 laser (

15 волны fl 0,6328 мкм, мощность 1 мВт) под различными углами падени  на трещины и с использованием фотопри- емника ФД-7К и вольтметра В7-21А регистрировали зависимость интенсив-15 waves fl 0.6328 microns, power 1 mW) at various angles of incidence on the cracks and using the photodetector FD-7K and the V7-21A voltmeter

20 ности отраженного от трещин излуче - ни , котора  существенно превышала нулевое ччаченис в диапазонj 60-85 (см. фиг.2). По полученным зависимост м рассчитывали толщину и показатель20 of the radiation reflected from cracks, which significantly exceeded the zero value in the range j 60-85 (see Fig. 2). According to the dependences obtained, the thickness and index were calculated.

25 приломчени  материала трещин, котора  состазл ла дл  кривой 10 (величина предварительной деформации Ј, 1,4%) 1 ,35 и h0 0,06 мкм, кривой 11 (Ј$ 1,8%) - п«2 1,20 и25 prilomcheni cracking material, which compounded for curve 10 (pre-strain де, 1.4%) 1, 35 and h0 0.06 µm, curve 11 (Ј $ 1.8%) - n «2 1.20 and

30 h0 0,11 мкм, кривой 12 (.Јь 2,1%) - п % - 1,20 и h о 0,22 мкм (см. таблицу ). Известным же способом толщина трещины определ лась только при величине предварительной деформации исследуемого образца 2,1%.30 h0 0.11 μm, curve 12 (.Ј 2.1%) - n% - 1.20 and h about 0.22 μm (see table). By the known method, the crack thickness was determined only when the value of the preliminary deformation of the specimen under study was 2.1%.

Изобретение позвол ет расширить диапазон измерений параметров трещин - определ ть толщину и показатель преломлени  материала трещиныThe invention allows to expand the range of measurements of the parameters of cracks — to determine the thickness and refractive index of the crack material.

40 в начальный момент ее возникновени  и роста за счет регистрации интегральной интенсивности отраженного от трещин излучени  в диапазоне углов падени  на трещину облучающего из-40 at the initial moment of its occurrence and growth due to the registration of the integral intensity of the radiation reflected from the cracks in the range of angles of incidence on the crack of the irradiating radiation.

45 лучени  (60-85°) соответственно максимальной чувствительности.45 radiation (60-85 °), respectively, the maximum sensitivity.

3535

формула изобретени  Способ определени  толщины и показател  преломлени  материала трещин в полимерах, еес -  щии в облучении образца оптическим излучением и регистрации отраженного от трещин излучени , о v л ,{ ч а ю щ и и с  The invention of the method for determining the thickness and the refractive index of the material of cracks in polymers, its irradiation of the sample with optical radiation and the registration of the radiation reflected from the cracks, about vl, {h and s

тем что, с целью расширени  диапазона измерений, облучают образец линейно-пол ризованным излучением под различными углами падени  на трещины в диапазоне 60-85 и измер ют эавиФиг .Г 5 3. отн. едIn order to extend the measurement range, the sample is irradiated with linearly polarized radiation at different angles of incidence on the cracks in the range of 60-85 and the evolution figure 5 5 rel. ed

02.02

7 10 20 30 НО 50 d° (в5)(03) (77) (71) (65) (60) (в) фиг.Z7 10 20 30 НО 50 d ° (в5) (03) (77) (71) (65) (60) (в) fig.Z

VV

Claims (1)

Формула изобретенияClaim Способ определения толщины и по—The method for determining the thickness and 50 казателя преломления материала трещин в полимерах, состоящий в облучении образца оптическим излучением и регистрации отраженного от трещин излучения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, облучают образец линейно-поляризованным излучением под различными углами падения на трещины в диапазоне 60-85 * и измеряют зави— лучающего излучения, по которой оп~ симость интенсивности отраженного от50 refractive index of the material of cracks in polymers, consisting in irradiating the sample with optical radiation and detecting radiation reflected from cracks, characterized in that, in order to expand the measurement range, the sample is irradiated with linearly polarized radiation at different angles of incidence on the cracks in the range 60-85 * and measure the dependent radiation, by which the dependence of the intensity of the reflected from