基于光學相干層析的熱變形場測量方法與實驗研究.pdf

1、高性能復合材料在航空航天和民用領域的大量應用，要求對其溫度載荷下的熱變形場進行實驗研究。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部等缺點。相位對照譜域光學相干層析是一種能夠對透明/半透明材料內部進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合材料的重要手段。但是要將其應用于材料熱變形場的研究，還需要解決以下問題:1）相位對照譜域光學相干層析是一種基于光程差變化量測量的干涉方法，當材料內部同時發(fā)生變形和折射率變化時，

2、傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)對變形量的正確解調;2）相位對照譜域光學相干層析的光學系統(tǒng)是照明與成像同軸的結構，只能實現(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相干層析方法應用于材料內部熱變形場的測量，論文首先對該方法的理論和系統(tǒng)進行了研究，然后針對上述問題提出了以下解決方法:
　　1)針對復合材料的多層復雜結構，以及光程差變化量、位移、折射率變化量三者之間的關系，改

3、進了原有的物理模型。在預知各層材料溫度-折射率變化量的前提下，能夠使用相位對照譜域光學相干層析實現(xiàn)熱變形場的準確測量。文中搭建了一套測量深度為4.3mm，深度分辨率為10.7μm的實驗系統(tǒng)，然后通過測量已知熱膨脹系數(shù)的硅膠材料樣件驗證該方法的可靠性。
　　2)為了進一步減小熱變形場測量誤差，降低實驗過程的復雜程度，提出了一種基于相位對照譜域光學相干層析的溫度-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時監(jiān)測被測樣件所在

4、基板表面的位移情況，實現(xiàn)樣件厚度、折射率、溫度-折射率變化量的同時測量。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)的測量靈敏度達到10-5/℃。
　　3)建立雙通道的相位對照譜域光學相干層析方法。在傳統(tǒng)相位對照譜域光學相干層析方法的基礎上引入雙方向同時成像的雙通道結構，使測量系統(tǒng)能在照明光光軸兩側同時對被測截面進行對稱的層析成像。進而結合光學系統(tǒng)的幾何關系，設計算法，實現(xiàn)離