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《广东工业大学》 2017年
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基于光学相干层析的热变形场测量方法与实验研究

董博  
【摘要】:高性能复合材料在航空航天和民用领域的大量应用,要求对其温度载荷下的热变形场进行实验研究。而目前的测量方法普遍存在测量灵敏度低、无法层析测量材料内部等缺点。相位对照谱域光学相干层析是一种能够对透明/半透明材料内部进行微纳米变形场动态测量的新方法,是目前研究高性能复合材料的重要手段。但是要将其应用于材料热变形场的研究,还需要解决以下问题:1)相位对照谱域光学相干层析是一种基于光程差变化量测量的干涉方法,当材料内部同时发生变形和折射率变化时,传统方法无法实现对变形量的正确解调;2)相位对照谱域光学相干层析的光学系统是照明与成像同轴的结构,只能实现离面方向(沿测量系统光轴方向)变形量的测量,无法测量面内方向(垂直于测量系统光轴方向)的变形量。为了将相位对照谱域光学相干层析方法应用于材料内部热变形场的测量,论文首先对该方法的理论和系统进行了研究,然后针对上述问题提出了以下解决方法:1)针对复合材料的多层复杂结构,以及光程差变化量、位移、折射率变化量三者之间的关系,改进了原有的物理模型。在预知各层材料温度-折射率变化量的前提下,能够使用相位对照谱域光学相干层析实现热变形场的准确测量。文中搭建了一套测量深度为4.3mm,深度分辨率为10.7μm的实验系统,然后通过测量已知热膨胀系数的硅胶材料样件验证该方法的可靠性。2)为了进一步减小热变形场测量误差,降低实验过程的复杂程度,提出了一种基于相位对照谱域光学相干层析的温度-折射率变化量测量方法。该方法通过在热变形场测量过程中实时监测被测样件所在基板表面的位移情况,实现样件厚度、折射率、温度-折射率变化量的同时测量。此外,该方法还能减小测量过程中因系统振动产生的噪声、空气温度导致的光程差变化等影响,对折射率温度系数的测量灵敏度达到 10-5/℃。3)建立双通道的相位对照谱域光学相干层析方法。在传统相位对照谱域光学相干层析方法的基础上引入双方向同时成像的双通道结构,使测量系统能在照明光光轴两侧同时对被测截面进行对称的层析成像。进而结合光学系统的几何关系,设计算法,实现离面和面内变形场的同时测量。在此基础上,系统还引入了深度复用的方法,实现了单相机、单次拍摄下的离面和面内变形场同时测量,保证了方法的测量速度。
【学位授予单位】:广东工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V250.2

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