基于比率荧光技术的发光光弹性涂层应变测量系统及方法
阅读说明：本技术 基于比率荧光技术的发光光弹性涂层应变测量系统及方法 (System and method for measuring strain of luminous photoelastic coating based on ratio fluorescence technology ) 是由 花晓彬 花世群 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于比率荧光技术的发光光弹性涂层应变测量系统及方法,包括激发光波发生系统、第一二色分光镜、待测构件、检偏镜、第二二色分光镜、第一发射光采集系统、第二发射光采集系统和数据处理器；所述待测构件表面设有发光光弹性涂层,所述发光光弹性涂层中设有能够被同一波长激发的两种荧光材料；所述激发光波发生系统产生激发光波射向发光光弹性涂层,两种荧光材料受激产生发射光波,发射光波经第二二色分光镜分离形成反射光束O-Ⅰ和透射光束O-Ⅱ,第一发射光采集系统和第二发射光采集系统分别采集反射光束O-Ⅰ和透射光束O-Ⅱ的参数,同时传输至数据处理器。有益效果：本发明能够消除外部环境因素对测量结果的影响,提高测量精度。(The invention discloses a system and a method for measuring the strain of a luminous photoelastic coating based on a ratio fluorescence technology, which comprises an excitation light wave generating system, a first dichroic spectroscope, a component to be measured, an analyzer, a second dichroic spectroscope, a first emitted light collecting system, a second emitted light collecting system and a data processor, wherein the excitation light wave generating system is connected with the first dichroic spectroscope; the surface of the component to be tested is provided with a luminous photoelastic coating, and two fluorescent materials which can be excited by the same wavelength are arranged in the luminous photoelastic coating; the excitation light wave generating system generates excitation light waves to irradiate the luminescent photoelastic coating, the two fluorescent materials are excited to generate emission light waves, and the emission light waves are separated by the second dichroic beam splitter to form a reflected light beam O Ⅰ And a transmitted beam O Ⅱ The first emission light collection system and the second emission light collection system respectively collect the reflected light beam O Ⅰ And a transmitted beam O Ⅱ And simultaneously transmitting the parameters to the data processor. Has the advantages that: the invention can eliminate the influence of external environmental factors on the measurement result and improve the measurement precision.)
技术领域
本发明涉及一种涂层应变测量系统及方法，特别涉及一种将比率荧光技术应用于发光光弹性涂层对构件表面全场应变分布进行测量的系统及方法，属于实验应变分析技术领域。
背景技术
传统光弹性涂层贴片法是先在待测构件表面粘贴一层如环氧树脂等制成的应变敏感的透明薄片，再通过光弹仪观察测定等差线(表示主应变差)和等倾线(表示主应变方向)，获取构件表面全场应变分布的实验应变分析方法。由于其不但具有直观、形象、实时、全场等特点；同时，又可以测弹性、塑性、弹-塑性以及疲劳断裂等多种情况下的应变场，所以被众多领域所采用。
为了克服传统光弹性涂层贴片法在实际应用中所存在的费时、基底加强效应、复杂的数据处理过程等诸多局限性，美国佛罗里达大学(University of Florida)JamesPaul Hubner博士所领导的研究小组，提出了一种新的用于实验应变分析的发光光弹性涂层方法以及他们的专利技术US20040066503(A1)(Method and apparatus for measuringstrain using a luminescent photoelastic coating：应用发光光弹性涂层测量应变的方法与装置)和US20060192177(A1)(Essentially thickness independent single layerphotoelastic coating：厚度无关的单层发光光弹性涂层应变测量方法)。他们通过对发光光弹性涂层中添加的荧光材料，在受到入射圆偏振光波激发时，受激发射的荧光信号图像的采集与处理，测量构件表面的全场应变分布。在上述专利技术中，构件表面的应变分布分析是采用的单波长荧光分析方法，即通过科学级CCD采集发光光弹性涂层中的荧光材料在单一波长处的荧光信号强度图像，获取涂层的光学应变响应，再由实验测量到的涂层光强偏振系数求得涂层面内最大剪应变。而涂层的光强偏振系数是与基底表面反射、激发光波强度及入射角、测量仪器和环境等多因素有关的实验参数，其实验的测量结果直接受激发光波光强时间上的不稳定性、空间上的不均匀性影响，并导致了的应变分析结果的精度的降低。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于比率荧光技术的发光光弹性涂层应变测量系统及方法；本发明通过发光光弹性涂层中添加两种不同的荧光材料，利用外界环境对两种荧光材料的影响相同，采用两种材料的强度比率来削弱甚至消除外部环境因素的变化对测量结果的影响，提高测量精度。
技术方案：一种基于比率荧光技术的发光光弹性涂层应变测量系统，包括激发光波发生系统、第一二色分光镜、待测构件、检偏镜、第二二色分光镜、第一发射光采集系统、第二发射光采集系统和数据处理器；所述待测构件表面设有发光光弹性涂层，所述发光光弹性涂层中设有能够被同一波长激发的第一荧光材料和第二荧光材料；
所述激发光波发生系统产生激发光波，激发光波穿过第一二色分光镜垂直射向的待测构件的发光光弹性涂层，第一荧光材料和第二荧光材料受激产生发射光波，发射光波经第一二色分光镜反射穿过检偏镜射向第二二色分光镜，发射光波经第二二色分光镜分离形成反射光束OI和透射光束OII，第一发射光采集系统采集反射光束OI的参数，第二发射光采集系统采集透射光束OII的参数，第一发射光采集系统和第二发射光采集系统采集的参数同时传输至数据处理器。
本发明通过在发光光弹性涂层中添加两种不同的荧光材料，利用外界环境对两种荧光材料的影响相同，采用两种材料的强度比率来削弱甚至消除外部环境因素的变化对测量结果的影响，提高测量精度；
优选项，为了能够产生圆偏振光，所述激发光波发生系统包括光源、滤光片、起偏镜和四分之一波片，所述光源发出的光波依次经过滤光片、起偏镜和四分之一波片产生圆偏振光。
优选项，所述发光光弹性涂层采用发光材料的发光底层和光弹性外层组成的双涂层结构。
优选项，所述发光光弹性涂层采用兼具发光和光弹性双重功能的单涂层结构。
一种基于比率荧光技术的发光光弹性涂层应变测量方法，包括以下步骤：
步骤一、待测构件的表面处理：对待测构件的表面进行处理，然后制备发光光弹性涂层；
步骤二、对待测构件加载：待发光光弹性涂层固化后，对待测构件加载，使其处于平面应力状态；
步骤三、激发发光光弹性涂层：激发光波发生系统产生激发光波，激发光波穿过第一二色分光镜垂直射向的待测构件的发光光弹性涂层，第一荧光材料和第二荧光材料受激产生发射光波；
步骤四、分离发射光波：发射光波经第一二色分光镜反射穿过检偏镜射向第二二色分光镜，发射光波经第二二色分光镜分离形成反射光束OI和透射光束OII；
步骤五、同时采集反射光束OI和透射光束OII的参数：第一发射光采集系统采集反射光束OI的参数，第二发射光采集系统采集透射光束OII的参数，第一发射光采集系统和第二发射光采集系统采集的参数同时传输至数据处理器；
步骤六、计算最大剪应变：完成对需参数采集后，数据处理器对发光光弹性涂层上同一目标区域由第一发射光采集系统采集反射光束OI的参数与第二发射光采集系统采集透射光束OII的参数进行后续的比率计算，获取选定目标区域处的涂层面内最大剪应变。
优选项，所述步骤三中激发光波发生系统产生中心波长为λex的激发光波；第一荧光材料受激产生的发射光波的峰值发射波长为λ1，第二荧光材料受激产生的发射光波的峰值发射波长为λ2。
优选项，所述步骤五中：第一发射光采集系统采集反射光束OI的光强度I1和第二发射光采集系统采集透射光束OII的光强度I2分别为
I1＝Iavg-1+IR1F1(γ,h1)sin2(α-θ) (1A)
I2＝Iavg-2+IR2F2(γ,h2)sin2(α-θ) (1B)
其中：Iavg-1和Iavg-2为检偏镜转动180°的过程中，分别由第一发射光采集系统和第二发射光采集系统测量到的信号强度平均值；IR1和IR2除了与激发光波强度和涂层有关外，还分别与第一荧光材料和第二荧光材料的量子产率有关的参数，而二者的比值C＝IR2/IR1是由第二荧光材料对第一荧光材料的相对量子产率决定的常量；F1(γ,h1)是对应于第一荧光材料与发光光弹性涂层的面内最大剪应变γ和第一荧光材料对应的光弹性厚度h1有关的函数，且h1＝λexλ1/[2πk(λex+λ1)]；F2(γ,h2)是对应于第二荧光材料与发光光弹性涂层的面内最大剪应变γ和第二荧光材料对应的光弹性厚度h2有关的函数，且h2＝λexλ2/[2πk(λex+λ2)]；k为涂层的光学灵敏度；α为检偏镜的通光方向与起偏镜的通光方向之间的夹角；θ为发光光弹性涂层中的第一主应变方向与起偏镜的通光方向之间的夹角；
选定第一发射光采集系统和第二发射光采集系统所要采集的荧光信号强度图像数N，N取整数，转动检偏镜，使其与起偏镜两者的通光方向夹角α的取值分别为(n-1)π/N，其中：n＝1，2，……，N，并对每一α角位置处反射光束OI和透射光束OII的强度图像，分别利用第一发射光采集系统和第二发射光采集系统同时进行采集。
优选项，所述步骤六中所述完成对需图像采集后，数据处理器对发光光弹性涂层上同一目标区域由第一发射光采集系统采集反射光束OI的强度I1与第二发射光采集系统采集透射光束OII的I2，最后按照公式中的强度比率求得目标区域处的涂层面内最大剪应变γ的数值解：
有益效果：本发明通过在发光光弹性涂层中添加两种不同的荧光材料，利用外界环境对两种荧光材料的影响相同，采用两种材料的强度比率来削弱甚至消除外部环境因素的变化对测量结果的影响，提高测量精度；利用二色分光镜和干涉滤光片，将发光光弹性涂层中两种不同的荧光材料受激发射的荧光分开，便于利用两个电荷耦合器件CCD，同时采集用于比率荧光计算的两束不同发射波长的荧光信号强度图像；基于比率荧光技术的发光光弹性涂层方法，解决了目前发光光弹性涂层方法中，均需基于预先测量的荧光偏振系数才能进行应变分析的难题；不但减少了测量结果的误差引入环节，还降低了测量系统对激发光波光强时间上的稳定性、空间上的均匀性要求，能够大幅减少系统中的设备投入。
附图说明
图1为本发明的光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，在进行去污处理后的待测构件3的表面，涂上一层黑色底漆层32，再在黑色底漆层32的表面，喷涂或刷涂一层发光光弹性涂层31，即光弹性涂层中添加有具有共同激发波长λex两种荧光材料：第一荧光材料和第二荧光材料；光源11可以是激光器或LED光源，光源11发出的光波经带通干涉滤光片12(中心波长为λex)后，入射起偏镜13；通过起偏镜13后的线偏振光入射四分之一波片14(其快轴方向与起偏镜13的偏振化方向成45°夹角)；从四分之一波片14透射出的圆偏振光作为激发光波，通过第一二色分光镜2，在发光光弹性涂层31表面垂直入射；发光光弹性涂层31中的两种荧光材料受激发射的荧光(第一荧光材料的峰值发射波长为λ1，第二荧光材料的峰值发射波长为λ2)作为发射光波，经第一二色分光镜2反射后，垂直入射检偏镜4；通过检偏镜4的发射光波被第二二色分光镜5分为反射光束OI(发射光波中的第一荧光材料荧光)和透射光束OII(发射光波中的第二荧光材料荧光)两束测量光；OI经第一带通干涉滤光片61(中心波长为λ1)后，再通过调焦镜头由科学级CCD相机62所采集：OII经第二带通干涉滤光片71(中心波长为λ2)后，再通过调焦镜头由科学级CCD相机72所采集；CCD相机62和CCD相机72对两种荧光材料荧光OI和OII的同步采集与后续图像处理，在数据处理器8上通过软件完成。
对CCD相机62和CCD相机72采集的强度图像进行图像相关处理，以保证进行比率计算时，分别来自反射光束OI和透射光束OII图像的两个荧光强度值对应于发光光弹性涂层31上的同一目标区域。
待测构件3在受外界荷载作用下，处于平面应力状态。当发光光弹性涂层31受波长为λex垂直入射的圆偏振光激发时，发光光弹性涂层31中第一荧光材料和第二荧光材料受激发射的荧光作为发射光波，被第二二色分光镜5分为OI和OII两束测量光，由科学级CCD相机62采集的OI光和CCD相机72采集的OII光强度可分别表示为：
I1＝Iavg-1+IR1F1(γ,h1)sin2(α-θ) (1A)
I2＝Iavg-2+IR2F2(γ,h2)sin2(α-θ) (1B)其中：Iavg-1和Iavg-2为检偏镜4转动180°的过程中，分别由CCD相机62和CCD相机72测量到的信号强度平均值；IR1和IR2是除了与激发光波强度和涂层有关外，还分别与第一荧光材料和第二荧光材料的量子产率有关的参数，而二者的比值C＝IR2/IR1是由第二荧光材料对第一荧光材料的相对量子产率决定的常量；F1(γ,h1)是对应于第一荧光材料与发光光弹性涂层31的面内最大剪应变γ和第一荧光材料对应的光弹性厚度h1有关的函数，且h1＝λexλ1/[2πk(λex+λ1)]；F2(γ,h2)是对应于第二荧光材料与发光光弹性涂层31的面内最大剪应变γ和第二荧光材料对应的光弹性厚度h2有关的函数，且h2＝λexλ2/[2πk(λex+λ2)]；k为涂层的光学灵敏度；α为检偏镜4的通光方向与起偏镜13的通光方向之间的夹角；θ为发光光弹性涂层31中的第一主应变方向与起偏镜13的通光方向之间的夹角。
测量发光光弹性涂层31的面内最大剪应变γ时，基于预先选定的CCD相机所要采集的荧光信号强度图像数N，转动检偏镜4，改变其与起偏镜13的通光方向之间的夹角α，使α的取值分别为(n-1)π/N(其中：n＝1，2，……，N)。通过数据处理器8控制事先进行对准操作的CCD相机62和CCD相机72，分别对OI和OII光同时采集每一α角所对应的信号图像，再由所有采集完的OI和OII光图像，分别确定发光光弹性涂层31表面同一目标区域在OI图像上的强度I1和OII图像上的强度I2，最后按照公式(2)中的强度比率求得γ的数值解。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
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