基于光學(xué)相干層析的熱變形場測量方法與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、高性能復(fù)合材料在航空航天和民用領(lǐng)域的大量應(yīng)用，要求對其溫度載荷下的熱變形場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。而目前的測量方法普遍存在測量靈敏度低、無法層析測量材料內(nèi)部等缺點(diǎn)。相位對照譜域光學(xué)相干層析是一種能夠?qū)ν该?半透明材料內(nèi)部進(jìn)行微納米變形場動態(tài)測量的新方法，是目前研究高性能復(fù)合材料的重要手段。但是要將其應(yīng)用于材料熱變形場的研究，還需要解決以下問題:1）相位對照譜域光學(xué)相干層析是一種基于光程差變化量測量的干涉方法，當(dāng)材料內(nèi)部同時(shí)發(fā)生變形和折射率變化時(shí)，

2、傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)對變形量的正確解調(diào);2）相位對照譜域光學(xué)相干層析的光學(xué)系統(tǒng)是照明與成像同軸的結(jié)構(gòu)，只能實(shí)現(xiàn)離面方向（沿測量系統(tǒng)光軸方向）變形量的測量，無法測量面內(nèi)方向（垂直于測量系統(tǒng)光軸方向）的變形量。為了將相位對照譜域光學(xué)相干層析方法應(yīng)用于材料內(nèi)部熱變形場的測量，論文首先對該方法的理論和系統(tǒng)進(jìn)行了研究，然后針對上述問題提出了以下解決方法:
　　1)針對復(fù)合材料的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以及光程差變化量、位移、折射率變化量三者之間的關(guān)系，改

3、進(jìn)了原有的物理模型。在預(yù)知各層材料溫度-折射率變化量的前提下，能夠使用相位對照譜域光學(xué)相干層析實(shí)現(xiàn)熱變形場的準(zhǔn)確測量。文中搭建了一套測量深度為4.3mm，深度分辨率為10.7μm的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，然后通過測量已知熱膨脹系數(shù)的硅膠材料樣件驗(yàn)證該方法的可靠性。
　　2)為了進(jìn)一步減小熱變形場測量誤差，降低實(shí)驗(yàn)過程的復(fù)雜程度，提出了一種基于相位對照譜域光學(xué)相干層析的溫度-折射率變化量測量方法。該方法通過在熱變形場測量過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測被測樣件所在

4、基板表面的位移情況，實(shí)現(xiàn)樣件厚度、折射率、溫度-折射率變化量的同時(shí)測量。此外，該方法還能減小測量過程中因系統(tǒng)振動產(chǎn)生的噪聲、空氣溫度導(dǎo)致的光程差變化等影響，對折射率溫度系數(shù)的測量靈敏度達(dá)到10-5/℃。
　　3)建立雙通道的相位對照譜域光學(xué)相干層析方法。在傳統(tǒng)相位對照譜域光學(xué)相干層析方法的基礎(chǔ)上引入雙方向同時(shí)成像的雙通道結(jié)構(gòu)，使測量系統(tǒng)能在照明光光軸兩側(cè)同時(shí)對被測截面進(jìn)行對稱的層析成像。進(jìn)而結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)的幾何關(guān)系，設(shè)計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)離