本發(fā)明涉及高聚物復(fù)合材料固化程度檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法，還涉及一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

高聚物復(fù)合材料作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)的新型材料，被越來越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的多項(xiàng)領(lǐng)域當(dāng)中。然而高聚物基體在固化過程中的聚合收縮，一方面會(huì)使構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，另一方面也會(huì)使其內(nèi)部和表面產(chǎn)生不同程度的缺陷，極大的限制了它在高新工業(yè)等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣。目前，常用的優(yōu)化手段主要是改變固化過程的溫度、調(diào)整固化過程的恒溫時(shí)間等方法，但是這些手段的實(shí)施都依賴于對(duì)高聚物復(fù)合材料固化程度的檢測，因此，相關(guān)的檢測方法是高聚物復(fù)合材料構(gòu)件制作過程中必不可少的環(huán)節(jié)之一。

高聚物復(fù)合材料固化程度的檢測方法大體可以分為兩類，一類是基于折射率變化的測量方法；另一類是基于收縮變形的測量方法。其中，折射率的測量方法通常需要在被測樣品當(dāng)中埋入光纖傳感器，根據(jù)測量到折射率變化速率判斷材料的固化程度。而基于收縮變形的方法通常采用對(duì)被測樣品位移或應(yīng)變的測量，根據(jù)測量到的變化速率判斷材料的固化程度。這兩類方法雖然得到材料整體的固化程度或者表面的固化程度，卻不能測量材料內(nèi)部沿深度方向分辨的固化場層析分布情況。

因此，如何測量高聚物復(fù)合材料內(nèi)部沿深度方向分辨的固化場分布情況是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法，測量高聚物復(fù)合材料內(nèi)部沿深度方向分辨的固化場分布情況。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法，包括：

第一激光束通過第一光路至分光棱鏡的第一輸入端，并從所述分光棱鏡的第一輸出端輸出至待測樣品；

所述第一激光束經(jīng)過所述待測樣品表面反射的第一反射光束以及所述第一激光束經(jīng)過所述待測樣品內(nèi)部反射的第二反射光束，進(jìn)入所述分光棱鏡，并從所述分光棱鏡的第二輸出端輸出至第二光路；

采集所述第一反射光束以及所述第二反射光束產(chǎn)生的干涉光譜；

根據(jù)所述干涉光譜計(jì)算所述待測樣品內(nèi)部的固化場分布。

優(yōu)選的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法中，還包括：

從所述分光棱鏡的第二輸入端輸入的第二激光束，所述第二激光束從所述分光棱鏡的第二輸出端輸出至所述第二光路。

優(yōu)選的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法中，所述根據(jù)所述干涉光譜計(jì)算所述待測樣品內(nèi)部的固化場分布包括：

將所述干涉光譜沿波數(shù)方向進(jìn)行傅里葉變換，解調(diào)出所述待測樣品內(nèi)部光程差的變化場

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}(x,y,z,t)=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)---\left(1\right)$

其中，Δφ為所述待測樣品在兩個(gè)不同固化狀態(tài)下的干涉光譜的相位差，ΔΛ為所述待測樣品在兩個(gè)不同固化狀態(tài)下的光程差變化量，(x,y,z)表示所述待測樣品內(nèi)部的空間三維坐標(biāo)，t表示固化時(shí)間，λ_C所述第一激光束的中心波長；

對(duì)所述光程差變化場沿所述空間三維坐標(biāo)的z方向進(jìn)行差分運(yùn)算，得到

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)}{\∂z}=n_1\·{\mathrm{\ϵ}}_z(x,y,z,t)+{\mathrm{\Δn}}_1(x,y,z,t)---\left(2\right)$

其中，ε_z為離面應(yīng)變，n₁為所述待測樣品的折射率，Δn₁為所述待測樣品的折射率變化量，C為固化度；

根據(jù)所述固化度與所述離面應(yīng)變的線性關(guān)系以及所述固化度與所述折射率變化量的線性關(guān)系，將式(2)進(jìn)行變換，得到

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)}{\∂z}=(n_1\·{\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\·C(x,y,z,t)+n_1\·{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2---\left(3\right)$

其中，β₁，β₂分別為所述待測樣品種類的相關(guān)常量。

本發(fā)明還提供了一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)，包括：

激光器，用于產(chǎn)生第一激光束；

第一光路包括在所述激光器的輸出端依次放置的第一凸透鏡、第二凸透鏡、光闌、第三凸透鏡以及柱面鏡；

第二光路包括在所述分光棱鏡的第二輸出端依次放置的第四凸透鏡、反射式衍射光柵以及第五凸透鏡；

圖像采集裝置，用于采集所述第一反射光束以及所述第二反射光束產(chǎn)生的干涉光譜；

數(shù)據(jù)處理器，用于根據(jù)所述干涉光譜計(jì)算所述待測樣品內(nèi)部的固化場分布。

優(yōu)選的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)中，所述激光器還用于產(chǎn)生第二激光束。

優(yōu)選的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)中，還包括光纖耦合器，用于將所述第一激光束分配至所述第一光路的輸入端，和將所述第二激光束分配至所述分光棱鏡的第二輸入端。

優(yōu)選的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)中，所述光纖耦合器的分光比為90:10或99:1。

優(yōu)選的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)中，，所述激光器為超輻射發(fā)光二極管，其中心波長范圍750mm-840nm，帶寬范圍為20nm-100nm。

優(yōu)選的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)中，所述第一凸透鏡、所述第二凸透鏡以及所述第三凸透鏡的焦距范圍均為50mm-60mm，所述柱面鏡的焦距范圍為100mm-150mm，所述第四凸透鏡的焦距范圍為40mm-60mm，所述第五凸透鏡的焦距范圍為200mm-300mm。

優(yōu)選的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)中，所述圖像采集裝置為CCD相機(jī)。

本發(fā)明所提供的一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法，包括：第一激光束通過第一光路至分光棱鏡的第一輸入端，并從所述分光棱鏡的第一輸出端輸出至待測樣品；所述第一激光束經(jīng)過所述待測樣品表面反射的第一反射光束以及所述第一激光束經(jīng)過所述待測樣品內(nèi)部反射的第二反射光束，進(jìn)入所述分光棱鏡，并從所述分光棱鏡的第二輸出端輸出至第二光路；采集所述第一反射光束以及所述第二反射光束產(chǎn)生的干涉光譜；根據(jù)所述干涉光譜計(jì)算所述待測樣品內(nèi)部的固化場分布。

通過測量經(jīng)過高聚物復(fù)合材料表面與內(nèi)部反射后的第一反射光束與第二形成的干涉光譜，通過干涉光譜的計(jì)算得到高聚物復(fù)合材料內(nèi)部的固化程場的分布情況，實(shí)現(xiàn)了非接觸、高精度測量高聚物復(fù)合材料內(nèi)部沿深度方向分辨的固化場分布情況。

本發(fā)明還提供一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)，具有上述有益效果，在此不再贅述。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例所提供的環(huán)氧樹脂在固化過程中的相位差分布圖和固化場分布圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例所提供的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在固化過程中相位差分布圖和固化場分布圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的核心是提供一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法及系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)測量高聚物復(fù)合材料內(nèi)部沿深度方向分辨的固化場分布情況。

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參考圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法流程圖。

在一種具體的實(shí)施方式中，提供了一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法，包括：

步驟S1：第一激光束通過第一光路至分光棱鏡的第一輸入端，并從所述分光棱鏡的第一輸出端輸出至待測樣品。

其中，第一光路的作用是將第一激光束進(jìn)行聚焦，以便于從分光棱鏡的第一輸入端進(jìn)入，第一光路可以包括過個(gè)聚焦透鏡，以及限制光束照射范圍的光闌等，待測樣品放置于分光棱鏡的第一輸出端一側(cè)，使得第一激光束經(jīng)過分光棱鏡之后照亮待測樣品。

步驟S2：所述第一激光束經(jīng)過所述待測樣品表面反射的第一反射光束以及所述第一激光束經(jīng)過所述待測樣品內(nèi)部反射的第二反射光束，進(jìn)入所述分光棱鏡，并從所述分光棱鏡的第二輸出端輸出至第二光路。

其中，第一激光束照射待測樣品之后會(huì)在其表面以及內(nèi)部例如第一深度形成兩束反射光線，第一反射光束與第二反射光束之間形成光程差，兩條反射光束進(jìn)行干涉，形成干涉光譜，目的是為測量第一深度的固化場分布做鋪墊。

需要說明的是，第一激光束在待測樣品內(nèi)部形成的反射光線有多條，分別表示了第一激光束在待測樣品內(nèi)部不同深度的反射光線。

步驟S3：采集所述第一反射光束以及所述第二反射光束產(chǎn)生的干涉光譜；

其中，將采集到的干涉光譜通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分析與計(jì)算。

步驟S4：根據(jù)所述干涉光譜計(jì)算所述待測樣品內(nèi)部的固化場分布。

本發(fā)明提供的高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法，通過測量經(jīng)過高聚物復(fù)合材料表面與內(nèi)部反射后的第一反射光束與第二形成的干涉光譜，通過干涉光譜的計(jì)算得到高聚物復(fù)合材料內(nèi)部的固化程場的分布情況，實(shí)現(xiàn)了非接觸、高精度測量高聚物復(fù)合材料內(nèi)部沿深度方向分辨的固化場分布情況。

在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法的基礎(chǔ)上，還包括：

從所述分光棱鏡的第二輸入端輸入的第二激光束，所述第二激光束從所述分光棱鏡的第二輸出端輸出至所述第二光路。

其中，第二激光束作為參考光束，一方面起到照明作用，另一方面，由于第一激光束在經(jīng)過待測樣品反射后得到的第一反射光線以及第二反射光線的光強(qiáng)減弱，不容易被采集，導(dǎo)致干涉光譜不清晰，為了避免上述情況的發(fā)生，通過第二激光束補(bǔ)充光能，使最終得到的干涉光譜更加清晰準(zhǔn)確。

進(jìn)一步的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測方法中，所述根據(jù)所述干涉光譜計(jì)算所述待測樣品內(nèi)部的固化場分布包括：

將所述干涉光譜沿波數(shù)方向進(jìn)行傅里葉變換，解調(diào)出所述待測樣品內(nèi)部光程差的變化場

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}(x,y,z,t)=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)---\left(1\right)$

其中，Δφ為所述待測樣品在兩個(gè)不同固化狀態(tài)下的干涉光譜的相位差，ΔΛ為所述待測樣品在兩個(gè)不同固化狀態(tài)下的光程差變化量，(x,y,z)表示所述待測樣品內(nèi)部的空間三維坐標(biāo)，t表示固化時(shí)間，λ_C所述第一激光束的中心波長；

對(duì)所述光程差變化場沿所述空間三維坐標(biāo)的z方向進(jìn)行差分運(yùn)算，得到

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)}{\∂z}=n_1\·{\mathrm{\ϵ}}_z(x,y,z,t)+{\mathrm{\Δn}}_1(x,y,z,t)---\left(2\right)$

其中，ε_z為離面應(yīng)變，n₁為所述待測樣品的折射率，Δn₁為所述待測樣品的折射率變化量，C為固化度；

根據(jù)所述固化度與所述離面應(yīng)變的線性關(guān)系以及所述固化度與所述折射率變化量的線性關(guān)系，將式(2)進(jìn)行變換，得到

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}(x,y,z,t)}{\∂z}=(n_1\·{\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2)\·C(x,y,z,t)+n_1\·{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2---\left(3\right)$

其中，β₁，β₂分別為所述待測樣品種類的相關(guān)常量。

式(2)得到的光程差變化場的差分結(jié)果可以用來監(jiān)視高聚物復(fù)合材料的待測樣品的固化場的分布情況。

請(qǐng)參閱圖3和圖4，圖3為本發(fā)明實(shí)施例所提供的環(huán)氧樹脂在固化過程中的相位差分布圖和固化場分布圖，圖4為本發(fā)明實(shí)施例所提供的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在固化過程中相位差分布圖和固化場分布圖；其中，圖3表明環(huán)氧樹脂在固化初期具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，圖4表明受復(fù)合材料內(nèi)部玻璃纖維的影響，其固化初期就表現(xiàn)出有規(guī)律的固化收縮。

下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)進(jìn)行介紹，下文描述的一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)與方法可相互對(duì)應(yīng)參照。

請(qǐng)參考圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)示意圖。

高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)，包括：

激光器01，用于產(chǎn)生第一激光束；

第一光路包括在所述激光器01的輸出端依次放置的第一凸透鏡03、第二凸透鏡04、光闌05、第三凸透鏡06以及柱面鏡07；

第二光路包括在所述分光棱鏡的第二輸出端依次放置的第四凸透鏡10、反射式衍射光柵11以及第五凸透鏡12；

圖像采集裝置13，用于采集所述第一反射光束以及所述第二反射光束產(chǎn)生的干涉光譜；

數(shù)據(jù)處理器14，用于根據(jù)所述干涉光譜計(jì)算所述待測樣品內(nèi)部的固化場分布。

進(jìn)一步的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)中，所述激光器01還用于產(chǎn)生第二激光束。

在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還包括光纖耦合器02，用于將所述第一激光束分配至所述第一光路的輸入端，和將所述第二激光束分配至所述分光棱鏡08的第二輸入端。

進(jìn)一步的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)中，所述光纖耦合器02的分光比為90:10或99:1。

其中，分光比范圍包括但不限于上述范圍，根據(jù)需要對(duì)分光進(jìn)行設(shè)置，均在保護(hù)范圍之內(nèi)。

在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，所述激光器01為超輻射發(fā)光二極管，其中心波長范圍750mm-840nm，帶寬范圍為20nm-100nm。

其中，激光器01包括但不限于超輻射發(fā)光二極管，還可以為其它類型的激光裝置，例如，紅外激光器01等，中心波長與帶寬范圍也根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。均在保護(hù)范圍之內(nèi)。

進(jìn)一步的，在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)中，所述第一凸透鏡03、所述第二凸透鏡04以及所述第三凸透鏡06的焦距范圍均為50mm-60mm，所述柱面鏡07的焦距范圍為100mm-150mm，所述第四凸透鏡10的焦距范圍為40mm-60mm，所述第五凸透鏡12的焦距范圍為200mm-300mm。

在上述高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，所述圖像采集裝置13為CCD相機(jī)。

其中，CCD相機(jī)為電耦合相機(jī)，具有體積小、重量輕、不受磁場影響、具有抗震動(dòng)和撞擊等特性，需要指出的是所述圖像采集裝置包括但不限于CCD相機(jī)，還可以為其它圖像獲取裝置，例如攝像機(jī)、CMOS相機(jī)等，均在保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明還提供一種高聚物復(fù)合材料的固化程度檢測系統(tǒng)，具有上述有益效果，在此不再贅述。

說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。對(duì)于實(shí)施例公開的裝置而言，由于其與實(shí)施例公開的方法相對(duì)應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。

專業(yè)人員還可以進(jìn)一步意識(shí)到，結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或者二者的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束條件。專業(yè)技術(shù)人員可以對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用來使用不同方法來實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。