一种监测聚合物固化过程的非接触式高灵敏度光学传感系统及其方法
阅读说明：本技术 一种监测聚合物固化过程的非接触式高灵敏度光学传感系统及其方法 (Non-contact high-sensitivity optical sensing system and method for monitoring polymer curing process ) 是由 董博 白玉磊 谢胜利 于 2020-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种监测聚合物固化过程的非接触式高灵敏度光学传感系统及其方法,其中,方法采用光学干涉的方式通过探测样品臂反射光光程的变化量,实现聚合物固化过程的监测,该方法为非接触式测量方法,无需在聚合物试样内埋入探测器,即可实现固化过程的监测。此外,本发明的光学传感系统采用光纤结构,具有容易安装和使用的特点,可用于现场的在线监测。最后,本发明利用相位检测的方法实现光程差的测量,其灵敏度为纳米量级,测量灵敏度极高。(The invention discloses a non-contact high-sensitivity optical sensing system and a method for monitoring a polymer curing process, wherein the method adopts an optical interference mode to monitor the polymer curing process by detecting the variation of the optical path of reflected light of a sample arm. In addition, the optical sensing system adopts an optical fiber structure, has the characteristics of easy installation and use, and can be used for on-site on-line monitoring. Finally, the invention realizes the measurement of the optical path difference by using a phase detection method, and the sensitivity is in nanometer level, and the measurement sensitivity is extremely high.)
技术领域
本发明涉及固化监测的技术领域，尤其涉及到一种监测聚合物固化过程的非接触式高灵敏度光学传感系统及其方法。
背景技术
聚合物又称高分子/高聚物，是一类广泛应用于工业生产和日常生活的常见材料，如3D打印中使用的耗材、柔性电子器件的基底材料、航空航天飞行器中采用的复合材料、牙齿修复中使用的牙科树脂等。
聚合物在制备成型期间需经历一个由低分子到高分子的转变过程，也即固化过程，该过程通常伴随着物理状态的改变。其间，连续变化的力学和流变学特性对聚合物材料和结构的性能有着至关重要的影响。因此，了解聚合物固化动力学对其生产和应用都具有极其重要的意义。
聚合物固化是一个比较复杂的过程，其固化度(或称转化率)的测定和计算到目前为止还没有统一的标准，现在往往是通过对聚合物某些物理量的测量(如放热量、粘弹性、离子迁移率、收缩应变、折射率变化量等)实现对其固化过程的监测。
目前流行的固化监测方法主要有以下几种：
1)差示扫描量热法：聚合物固化通常是放热过程，因此对于同一种聚合物材料，其固化过程的放热总量不变。所以通过差示扫描量热法检测被测试样放热量与时间的关系，可有效揭示聚合物材料的固化过程。
2)动态热机分析法：聚合物固化过程中，其粘弹性会随固化程度的变化而改变，因此其变化量可用于反映聚合物的固化程度。所以，通过动态热机分析法测量被测试样弹性模量与时间的关系也可揭示聚合物的固化过程。
3)介电分析法：聚合物固化过程中，其离子迁移率会随着固化程度的增加而逐渐减小，并最终停止。因此，采用介电分析法测量聚合物材料在正弦电压下的幅值和相位变化，可实现聚合物固化过程的有效监测。
4)其他监测方法：除了上述主流方法外，近年来还发展出一系列固化监测新方法，包括利用固化过程红外吸收光谱检测的红外光谱法，利用材料折射率变化量检测的光纤传感法，以及利用聚合物收缩应变测量的收缩应变法等。
尽管已有方法能够实现固化过程的监测，但在实际应用中总存在各种各样的问题，如差示扫描量热法和动态热机分析法无法实现在线测量，不适用于工业生产和制造；介电分析法为接触式测量方法，其操作过程复杂且无法应用于一些实际应用场景。因此，为了更好地监测聚合物固化过程，需要发展一种同时具备在线测量和非接触式测量能力的新型监测方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无需在聚合物试样内埋入探测器、安装容易、使用方便、可用于现场的在线监测、测量灵敏度极高的监测聚合物固化过程的非接触式高灵敏度光学传感系统。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
一种监测聚合物固化过程的非接触式高灵敏度光学传感系统，包括50：50光纤分束器、宽带光源、样品臂、参考臂、光谱仪以及计算机；
其中，所述宽带光源通过50：50光纤分束器分别与样品臂和参考臂连接，而光谱仪连接于50：50光纤分束器和计算机之间；
所述样品臂包括准直透镜L1和凸透镜L2，该准直透镜L1和凸透镜L2沿着光的照射方向平行排列，且二者之间彼此分开；聚合物试样S放置于凸透镜L2远离准直透镜L1的一侧；
所述参考臂包括准直透镜L3、凸透镜L4以及反射镜M，该准直透镜L3、凸透镜L4以及反射镜M沿着光的照射方向依次平行排列，且三者之间彼此分开；
所述光谱仪包括准直透镜L5、凸透镜L6、衍射光栅G以及线阵相机；
所述准直透镜L5与凸透镜L6垂直，衍射光栅G设置于准直透镜L5和凸透镜L6之间，将从准直透镜L5射出的干涉光进行分光，并使得分光后的干涉光到达凸透镜L6进行聚焦成像；
所述线阵相机设置于凸透镜L6远离衍射光栅G的一侧，采集干涉光谱；
所述计算机与线阵相机连接，对线阵相机采集到的干涉光谱进行分析，从而实现监测聚合物试样S的固化过程。
为实现上述目的，本发明另外提供一种用于监测聚合物固化过程的非接触式高灵敏度光学传感系统的方法，包括以下步骤：
S1、将聚合物试样S放置于凸透镜L2远离准直透镜L1的一侧；
S2、宽带光源的光被耦合到50：50光纤分束器；
S3、从50：50光纤分束器中射出50％的光进入样品臂，用于对聚合物试样S进行照明，另外50％的光进入参考臂用作参考；
S4、聚合物试样S前后表面的反射光以及参考光进入50：50光纤分束器后相互干涉形成干涉，并进入光谱仪中，线阵相机采集；
S5、计算机对线阵相机采集到的干涉光谱进行分析，监测聚合物试样S的固化过程。
进一步地，所述步骤S4的具体过程如下：
S4-1、利用线阵相机采集到干涉光谱后，得：
上式中，I表示光强，k表示波数，M表示聚合物试样S表面个数，j表示每一个表面，IR和Ij分别表示参考面和聚合物试样S第j表面的反射光强，φj (t)＝φj0+2kΛj(t)表示干涉信号的相位，φj0表示初始相位，Λj(t)表示参考面反射光与第j表面反射光之间的光程差，DC和AC分别为直流分量和自相干分量；
S4-2、根据干涉光谱的频谱特性得到聚合物试样S前后表面A和B点所在位置；
S4-3、当聚合物试样S在固化过程中产生形变/折射率变化时，第j表面的光程差变化量ΔΛj(t)从干涉信号的相位差得到，即
上式中，λc为光源的中心波长，t0为聚合物试样S固化的初始时刻，unwrap{}和diff[]分别表示相位解卷绕和差分相位；
根据折射定律，聚合物试样S前后表面A和B点对应的光程差分别表示为：
上式中，ΔΛ0表示因震动、介质折射率变化导致的光程差变化量，ε表示应变，n0表示初始折射率，d表示前后表面的距离；
S4-4、依据(3)式可得：
上式中，等式右侧为折射率变化量和应变量的叠加，由于折射率变化量和应变量分别为两个用于监测聚合物试样S固化程度的指标，因此叠加之后，α(t)＝Δn(t)+n0·ε(t)，可作为一个新的固化监测指标，以反应聚合物试样S的固化程度；
另根据固化速率和固化度之间的关系，聚合物试样S固化过程的固化速率表示为：
上式中，δt表示采集相邻两帧干涉光谱的时间间隔；
S4-5、结合测量到的光程差变化量以及(4)式和(5)式所述的物理关系，最终得到聚合物试样S固化度曲线和固化速率曲线。
与现有技术相比，本方案原理及优点如下：
本方案采用光学干涉的方式通过探测样品臂反射光光程的变化量，实现聚合物固化过程的监测，该方法为非接触式测量方法，无需在聚合物试样内埋入探测器，即可实现固化过程的监测。此外，本方案的光学传感系统采用光纤结构，具有容易安装和使用的特点，可用于现场的在线监测。最后，本方案利用相位检测的方法实现光程差的测量，其灵敏度为纳米量级，测量灵敏度极高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种监测聚合物固化过程的非接触式高灵敏度光学传感系统的结构示意图；
图2为干涉光谱的频谱特性示意图；
图3为聚合物试样S前后表面的光程差变化量示意图；
图4为聚合物试样S固化度曲线和固化速率曲线变化示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明实施例所述的一种监测聚合物固化过程的非接触式高灵敏度光学传感系统(其深度分辨率为7.5μm，深度量程为3mm，监测速率为8kfps)，包括50：50光纤分束器1、宽带光源2、样品臂3、参考臂4、光谱仪5以及计算机6；
其中，宽带光源2通过50：50光纤分束器1分别与样品臂3和参考臂4连接，而光谱仪5连接于50：50光纤分束器1和计算机6之间；
样品臂3包括准直透镜L1和凸透镜L2，该准直透镜L1和凸透镜L2沿着光的照射方向平行排列，且二者之间彼此分开；聚合物试样S放置于凸透镜L2远离准直透镜L1的一侧；
参考臂4包括准直透镜L3、凸透镜L4以及反射镜M，该准直透镜L3、凸透镜L4以及反射镜M沿着光的照射方向依次平行排列，且三者之间彼此分开；
光谱仪5包括准直透镜L5、凸透镜L6、衍射光栅G以及线阵相机；
准直透镜L5与凸透镜L6垂直，衍射光栅G设置于准直透镜L5和凸透镜L6之间，将从准直透镜L5射出的干涉光进行分光，并使得分光后的干涉光到达凸透镜L6进行聚焦成像；
线阵相机设置于凸透镜L6远离衍射光栅G的一侧，采集干涉光谱；
计算机6与线阵相机连接，对线阵相机采集到的干涉光谱进行分析，从而实现监测聚合物试样S的固化过程。
光学传感系统具体的工作原理如下：
S1、将聚合物试样S放置于凸透镜L2远离准直透镜L1的一侧；
S2、宽带光源2的光被耦合到50：50光纤分束器1；
S3、从50：50光纤分束器1中射出50％的光进入样品臂3，用于对聚合物试样S进行照明(该过程中，准直透镜L1起准直作用，凸透镜L2起聚焦作用)，另外50％的光进入参考臂4用作参考(该过程中，准直透镜L3起准直作用，凸透镜L4起聚焦作用，反射镜M起反射作用)；
S4、聚合物试样S前后表面的反射光以及参考光进入50：50光纤分束器1后相互干涉形成干涉，并进入光谱仪5中，线阵相机采集；
S5、计算机6对线阵相机采集到的干涉光谱进行分析，监测聚合物试样S的固化过程。
监测聚合物试样S具体的固化过程如下：
S4-1、利用线阵相机采集到干涉光谱后，得：
上式中，I表示光强，k表示波数，M表示聚合物试样S表面个数，j表示每一个表面，IR和Ij分别表示参考面和聚合物试样S第j表面的反射光强，φj (t)＝φj0+2kΛj(t)表示干涉信号的相位，φj0表示初始相位，Λj(t)表示参考面反射光与第j表面反射光之间的光程差，DC和AC分别为直流分量和自相干分量；
S4-2、根据干涉光谱的频谱特性(如图2所示)得到聚合物试样S前后表面A和B点所在位置；
S4-3、当聚合物试样S在固化过程中产生形变/折射率变化时，第j表面的光程差变化量ΔΛj(t)从干涉信号的相位差得到(如图3所示)，即
上式中，λc为光源的中心波长，t0为聚合物试样S固化的初始时刻，unwrap{}和diff[]分别表示相位解卷绕和差分相位；
根据折射定律，聚合物试样S前后表面A和B点对应的光程差分别表示为：
上式中，ΔΛ0表示因震动、介质折射率变化导致的光程差变化量，ε表示应变，n0表示初始折射率，d表示前后表面的距离；
S4-4、依据(3)式可得：
上式中，等式右侧为折射率变化量和应变量的叠加，由于折射率变化量和应变量分别为两个用于监测聚合物试样S固化程度的指标，因此叠加之后，α(t)＝Δn(t)+n0·ε(t)，可作为一个新的固化监测指标，以反应聚合物试样S的固化程度；
另根据固化速率和固化度之间的关系，聚合物试样S固化过程的固化速率表示为：
上式中，δt表示采集相邻两帧干涉光谱的时间间隔；
S4-5、结合测量到的光程差变化量以及(4)式和(5)式所述的物理关系，最终得到聚合物试样S固化度曲线和固化速率曲线，其归一化后的结果如图4所示。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。