PHOTOELASTIC COATINGS MEASUREMENT METHOD BASED ON MOLECULAR LUMINESCENCE

第39卷第1期力学进展Vol.39No.1 2009年1月25日ADVANCES IN MECHANICS Jan.25,2009基于分子发光原理的光弹性涂层测量方法*花世群†骆英江苏大学理学院,镇江212013摘要在简单介绍分子荧光产生过程的基础上,系统介绍了新的光弹性涂层方法——发光光弹性涂层法的基本原理、涂层结构、系统组成及实验方法.由于新方法采用了气雾剂技术,并通过在光弹性涂层中添加荧光染料,使新方法与传统的光弹性涂层方法相比,具有如下优点:(1)更简单、快捷,特别是对于有复杂几何形状的构件;(2)只会引起较小的基底加强效应;(3)能提供更高的空间分辨率;(4)省去了条纹计数和位相去包裹的过程,简化了后续的数据处理过程;(5)发光涂层的发射光是漫射光,使得对曲面进行测量时有较高的相对强度.最后指出了新方法今后的研究方向及其在诸如产品设计流程中与有限元分析相结合等方面的广阔应用前景.关键词光弹性,光弹性涂层,发光涂层,全场应变,数字图像1引言工程构件,特别是对于在航空、建筑、核能等领域使用的一些重要的承载构件,由于它们受复杂的载荷作用,对其内部的应力分布状态进行分析,常常是有限元数值计算所无法完成的[1∼3],所以对一些安全性、可靠件要求比较严格的构件(如:飞机的起落架、大梁及核压力容器等)的样机都要进行实际应力测量.虽然应力测量的方法很多,但就工程而言,只需测出构件的表面应变(应力)通常即可满足工程要求.而在众多的表面应变(应力)测量方法中,常用的不外乎两种,即电阻应变片法和光弹性贴片(涂层)法[4,5].电阻应变片法是基于金属丝的应变-电阻效应来测量被测构件表面应变(应力)的,虽然电阻应变片的基长和栅宽可以做得很小,但测量值仍是构件表面被测量的这一很小区域内的应变平均值,得不到确定点的确定值.光弹性贴片(涂层)法是在光弹性技术基础上发展起来的一种方法,是介于光弹性和电阻应变片两者之间的技术,它与电阻应变片不同的是与光弹性技术一样,是基于光敏材料应变-光学干涉效应来测量构件表面应变(应力)的,但它又不像光弹性技术,只能在实验室内作模型,而是可以直接用于工程的现场测量.另外,光弹性涂层技术与其他的在工业环境中应用的全场光测力学技术相比较,也具有显著优点,由于它无需对隔震和循环加载设备的过多投入,也能获得高的空间分辨率和定量数据,因而,在汽车、航空航天及建筑设备领域的结构构件的研究、设计、试验和评定过程中,都应用光弹性贴片法.而且,与通过变形测量来导出应变的位移测量技术相比,由于由应力引起贴片的双折射特性直接对应变(和应力)敏感,贴片法就避免了前一方法中由于要利用控制微分方程把位移转变为应变,因不利的误差传递而引起的应变分辨率问题.光贴片技术由传统的光弹性实验技术发展而来,由法国工程师梅斯纳吉尔(Mesnager)发明于1930年,后来法国马包斯(Mabboux)、德国的奥培尔(Oppel)、英国的司浩德(Scott)和吉少普(Jes-sop)等人在贴片的制作、粘接及如何测量等方面所做大量工作的基础上,一直到1953年法国的赞德曼(Zandman)才把这一方法正式用到生产实践中,并称之为光贴片法.20世纪五六十年代是光弹收稿日期:2007-05-10,修回日期:2008-12-29∗国家自然科学基金(50375069)资助项目†E-mail:huasq65@104力学进展2009年第39卷性的黄金时代,也是光贴片的极盛时期,虽然有限元的出现取代了光弹性的许多工作,但有限元法无法代替光贴片的特殊功能,所以光贴片法至今仍是实验应力分析中最有效、可靠的手段之一.近年来,随着新材料的出现和使用以及图像处理及数码技术的飞速发展,这项技术已今非昔比,它的操作、运算已大大简化,可以说一切采用电阻应变片的地方,基本上都可以使用光贴片;另外,随着高光学灵敏度材料的不断开发,所用设备及各个测量环节的不断改进和提高,其测量精度也大有可以赶上电阻应变片法的发展趋势,因此,对光贴片技术中引进新材料和新技术进行研究不但很有意义,而且具有很广泛的应用前景.正是在此背景下,世界各国从光弹性贴片(涂层)法在应用中所涉及到的基本方法、测试仪器、试验技术、贴片材料以及数据处理等诸多方面,开展了大量细致的研究.我国对光弹性贴片(涂层)技术的研究虽起步较晚,但作为一个重要的研究项目,研究得到了国家科技部、国防科工委、国家自然科学基金委等部委的大力支持.通过多年的系统研究,目前已经形成了光贴片法的成套测试技术,并在产品开发方面取得了可喜的成果,特别是严承蔼主持研究的以聚碳酸酯颗粒为原料在实验室里制作平面、曲面光敏贴片及用于测取单一方向应变场的平面、异面栅状光敏贴片项目,获得了国家发明专利,由其编写的系统总结研究成果的《光弹性贴片技术及工程应用》,已由国防科学基金资助于2003年以专著形式出版[5].国内近年来对光弹性贴片(涂层)法的研究基本处于跟踪研究状态,且研究主要局限于天津大学、大连理工大学、国防科大、北京机电研究所等少数几个科研院所,研究的内容主要涉及以下几个方面:(1)该方法在工程上的具体应用.如吴智敏等[6]对复合材料砼裂缝扩展过程的研究,宋淑慧、吴智敏和栾兰等[7∼9]对钢筋混凝土梁应力状态及裂纹扩展的监控都采用了光弹贴片法;姜桂荣等[10]利用光贴片法对双面卸矿用车车架结构的强度进行了测试分析,测试结果为车架的改型设计和材料选择提供了重要参考;宋云涛等人[11]则用光贴片法对超导托卡马克核聚变实验装置进行全面的力学性能测试,不仅验证了有限元分析结果的可信性,还进一步证实了结构设计的合理性和安全性;谢亮也用光弹性贴片法对楔横轧机机架的强度进行现场测试与分析,整个机架的应力分布测量结果,为其外形的改造设计提供了依据[12].(2)对应变(应力)分离方法的研究.张帆和Chengai Yan等人[13,14]先后将钻孔法应用于光贴片法中的主应变分离;另外,随着计算机的迅速发展,实验手段与数值分析的结合,己成为一种应力分析的发展趋势,将光弹性法与有限元法、边界元法及电阻应变片法等相结合发展起来的混合法,已成为目前应用较广泛的主应力分离方法,如顾晓辉等人[15]就采用了边界元法与光贴片实验相结合的混合法研究平面弹性问题.(3)测量过程的自动化及条纹图像的处理.随着计算机和数字图像处理技术的飞速发展,对光弹性图像中的条纹进行自动化处理一直是学者们研究的热点和重点,如何小元[16]根据自适应原理,提出用于确定条纹方向的自适应视觉基元匹配法,该方法用二维灰度场的方向导数确定灰度的极值位置,提高了干涉条纹中心的识别精度;任传波等[17]把BP神经网络的函数逼近特性,用于光弹性图像中的条纹插值,该方法对于条纹稀疏或低应力区也同样有效,提高了应力分析的自动化程度;另外,任传波等[18]还通过对暗场与亮场中采集到的条纹图进行运算,得到两条整数级条纹之间(2n−1)级的非整数级条纹,真正达到了条纹倍增的目的,但因倍增后条纹太密、模糊不清,过分的细分已没有大的实用价值;闫海青等[19]在光弹性图像处理中,通过建立多幅图像运算模块,既可进行等倾线的分离和等差线的倍增,同时又可实现各种相移运算,该方法因融合了众多的图像处理技术,使其具有了很强的实用性;杨福俊[20]采用概率论与统计学中的观点,把信号和噪声一并视为随机信号,提出了统计滤波的处理方法,实现了从含有噪声的数据中提取条纹图的相位,该方法对条纹图中的高斯型、均匀分布的随机型噪声滤除尤其有效;利用相移法可以确定整数级条纹之间的分数级条纹级数,因彩色CCD图像处理系统价格昂贵,国内彩色域相移法的研究近几年才开始流行,雷振坤等[21]在这方面做了一些具体研究,把人工神经网络与光学彩色信息图像处理技术相结合,根据计算机的特点,选取红绿蓝(RGB)颜色模型,通过BP神经网络建立图像中像素点的R、G、B值与条纹级数N之间的非线性关系,对彩色光弹性条纹进行插值,实现了等色线条纹第1期花世群等:基于分子发光原理的光弹性涂层测量方法105的高精度自动定级,提高了RGB光弹性法的实验精度;岳卉等[22]在光弹性等倾线与等差线分离的研究方面,提出先应用模糊理论对图像进行预处理,再对图像进行二值化和滤波处理,该方法不仅实现了等倾线的分离,而且同时具有细化等倾线的效果;另外,他们还利用小波函数多尺度分辨的时频特性,将小波技术和图像形态学算法应用于等倾线图像的分离[23],既简化实验过程,又避免进行光场变换时加入1/4波片而带来的误差影响;王彦青[24]也对光弹性条纹图像的小波处理进行了研究,给出利用一维与二维离散小波求解等差线的相位值和用一维连续复小波求解主应力方向的结论;杨夏等人[25]在其所建立的彩色光弹性干涉影像分析系统中,把目前已经比较成熟的灰度图像处理技术应用于光弹性彩色图像的处理,由于系统具有24位真彩色图像或灰度图像的分析和处理能力,使光弹实验的后处理工作的精度、自动化程度和可靠性都有了极大的提高.(4)光贴片法用于各向异性材料中的应力应变分析研究[26,27].总体来说,国内近年来对光贴片技术有突破性的创新研究尚未见到相关报道,而国外对光贴片法的研究一直较热,尤其是美国和日本的研究一直处于世界前列,仅以美国为例,每年都有光贴片法方面的技术专利,并有逐年增长的趋势,而所发表的与光贴片法应用相关的论文则更多.研究内容除了上述的几个方面之外,还涉及涂层的喷涂制作、测量误差减小以及新材料和新技术的引入等诸多方面.在实际应用方面,Hastie等人[28]用光贴片法对飞机长期飞行后,在机身某些部位所产生的疲劳裂纹修补的有效性进行实验验证;Akhmetzyanov等[2]用聚氨酯橡胶制作应变范围达50%∼220%的光贴片,研究断裂力学中的大塑性应变;Patterson等[29]将光贴片法与相移技术相结合,研究了高频条件下的喷气发动机构件表面的应力分布,并验证了有限元方法的计算结果;Neto和Chang等人[30,31]也都用光贴片法分别对汽车构件和钢筋混凝土的应力进行了测试;另外,国外还将光贴片法广泛应用于生物力学领域,如Grecula[32]对由复合材料制作的整个股骨表面的应力分布测量、Hirokawa[33]对膝盖运动过程中前十字韧带周围不均匀应变分布测量和Cristofolini[34]对非骨水泥型髋关节移植股骨应变分布测量等都采用了光贴片法.在主应力分离研究方面,Pacey等[35]对传统的斜射法进行技术改进,专门用于斜射法的测量装置,简化了实验操作,又提高了测量精度;Hawong[36]把混合法用于正交各向异性材料的研究;另外,Barone[37]、Woolard[38]和Greene[39]等人还研究了光贴片法与热弹性法相结合的应力分离方法.在条纹图像的处理方面,国外所采用的技术手段与国内基本没有差别,但更多的是直接对光贴片法中所产生的条纹图进行处理[29,35,40].在涂层制作方面,Hirokawa等人[33]通过在涂层中加入铝粉的方法来提高光贴片法测量信号的强度;Vishay公司发明的利用喷枪在构件表面直接喷涂制作涂层的方法,使光贴片法应用更简单快捷[41].Lesniak等人[42,43]提出了利用灰度场偏光镜(greyfield polariscope)实现测量过程中数据的自动采集与处理;Ajovalasit[44∼46]、Woolard[47]和Bhowmik[48]等人还分别分析了波片、反射背景、光波多次反射等诸多因素对高精度测量所带来的误差影响.荧光染料在生物、医药、化工、印染、发光器件等许多领域一直都有很重要的应用[49∼51],利用其测量压力、温度等物理量则是传感器领域的研究热点[52∼57].本世纪初,Lesniak和Ifju等[58∼61]先后提出,通过在光弹性涂层中添加荧光染料的方法,在被测构件表面形成能用于应变测量的应变敏感涂层,从而将荧光染料技术应用于光弹性实验应力分析;其后的Akiyama等人[62]提出,直接应用应力发光材料实时观测构件表面的应力分布,而真正基于光致发光原理,能够用于测量三维构件表面全场面内应变信息的新方法,则是美国弗罗里达大学(University of Florida)的研究人员与伟世通公司(Visteon Corporation)合作开发出的发光光弹性涂层法(luminescent photoelastic coating, LPC)[63∼69].发光光弹性涂层法克服了传统光弹性贴片法(reflective photoelastic coating,RPC)的诸多缺点,使得应用更简单、快捷,且不会引起大的基底加强效应;由于省去了条纹计数和位相去包裹过程,简化了后续的数据处理过程,而且该方法具有可被应用于表面为曲面的复杂三维构件的巨大潜力,从而使其具有更突出的实际应用价值.目前,在国内尚未见到任何有关发光光弹性涂层法的综述性报道,本文从发光光弹性涂层法的基本原理、涂层结构、系统组成及实验方法等方面对该方法进行了系统介绍,并指出新方法今后的研究方向及其广阔的实际应用前景.106力学进展2009年第39卷2荧光原理为了更好理解发光光弹性涂层法中的基本原理,以及其中涉及到的一些其他相关测量技术,首先简单介绍一下分子荧光的产生过程.某些物质被一定波长的光照射时,会在较短时间内发射出波长比入射光长的光,这种光就称为荧光[70].1852年,Stokes 阐明了荧光发射机制,认为荧光是由物质吸收光能而重新发出的波长不同的光,并根据一种能发荧光的物质——萤石(fluospar)而得名.荧光的产生过程主要分为二个阶段:(1)分子激发.荧光团或荧光染料中的分子吸收入射光中的光子能量,使其电子从能级最低的基态(S 0)跃迁到能级较高的激发态(激发态可分为激发单重态和激发三重态,分别用S 1,S 2和T 1表示).(2)分子衰变.处于激发态的电子不稳定,通常要以辐射跃迁方式或非辐射跃迁方式再回到基态.所谓非辐射跃迁是指分子以热的形式辐射其多余的能量,它包括振动弛豫(vibrational relax-ation,VR)、内转移(internal conversion,IC)和系间窜跃(intersystem conversion,ISC)等方式.振动弛豫是指在同一电子能级中,电子由高振动能级转至低振动能级,而将多余的能量以热的形式发出.内转移是指具有相同多重态的两个电子能级之间的无辐射跃迁过程.系间窜跃是指不同多重态的两个电子能级间的无辐射跃迁.图1为分子内所发生的激发过程以及辐射跃迁和非辐射跃迁衰变过程示意图.图1分子内的激发与衰变过程如图1所示,假设分子被激发到S 2以上的某个电子激发单重态的不同振动能级(用V =0,1,2表示)上,处于该激发态分子很快(约10−12∼10−14s)发生振动弛豫而衰变到该电子态的最低振动能级,然后又通过内转移及振动弛豫而衰变到S 1的最底振动能级.接着,有如下几种回至基态的衰变途径:(1)从处于第一激发单重态中的最低振动能级跃回至基态而发射荧光;(2)通过内转移从处于第一激发单重态中的最低振动能级回至基态;(3)先通过系间窜跃从第一激发单重态中的最低振动能级衰变到第一激发三重态,再通过振动弛豫而衰变到其最低振动能级,最后从此最低振动能级跃回基态而发射磷光,或通过系间窜跃回至基态.由于激发单重态间的内转移速率很快(速率常数约为1011∼1013s −1),而S 2以上的激发单重态的寿命通常很短(约10−11∼10−13s),除了极少数例外,通常在发生辐射跃迁之前便发生了非辐射跃迁而衰变到S 1态.所以,通常观察到的分子荧光现象是从第一激发单重态的最低振动能级开始的辐射跃迁.由于分子的荧光辐射过程要与内转移和系间窜跃过程进行竞争,所以发射荧光的光子数和吸收激发光的光子数之比值(用φ表示)在0∼1之间,称为荧光量子产率(或荧光效率),它第1期花世群等:基于分子发光原理的光弹性涂层测量方法107表示了物质发射荧光的效率和本领.另外,由于受激分子在振动弛豫和内转移等衰变过程中有能量损失,所以分子的荧光辐射波长要比激发光波的波长长,称为Stokes 位移.综上所述,分子荧光的产生包含吸收和发射两个过程,而要产生荧光必须具备两个条件:(1)分子必须具有与所照射的辐射频率相适应的结构,才能吸收激发光;(2)吸收了与其本身特征频率相同的能量之后,必须具有一定的荧光量子产率.3发光光弹性涂层法(LPC)3.1系统组成图2是LPC 方法用于应变测量的示意图.整个测量系统由光源(发光二极管)、起偏镜、分析镜、1/4波片、激发滤波器、发射滤波器、CCD 、计算机及相关处理软件等组成.图2中从发光二极管发射出的兰光(中心波长为465mm),依次通过激发干涉滤波器、起偏镜、1/4波片(该波片对应于光源所发出的兰光光波波长)后,形成兰色圆偏振光,再进入构件表面的发光光弹性涂层,而由涂层出来的光信号经分析镜、发射干涉滤波器后,用CCD 相机采集光强信号.设图中表面有发光光弹性涂层构件处于平面应力状态,由于构件受力,其表面的应力状态传递给了构件表面上的光弹性涂层,使涂层变成光学各向异性介质,当发光光弹性涂层用兰色的圆偏振光激发时,涂层中的发光染料将保持激发光的偏振状态,转而发射波长变长的光波(红移).因涂层的双折射效应,从涂层出来的光波变成了椭圆偏振光,且光程差(或位相差)发生了变化.由于发光染料的激发光波与发射光波波长不等,因此,用CCD 相机前的干涉滤波器可以阻止激发光波在涂层表面产生的反射光波进入要采集的发射光信号.图2测量装置示意图3.2涂层结构与制作过程目前,在发光光弹性涂层方法中,采用两种不同的涂层结构,即双涂层(图3)和单涂层(图4).不管是选用何种涂层结构,在涂层的制作过程中,均须首先在需要测试的构件表面进行彻底的去污和清洁处理(有必要的话进行打磨),为了防止构件表面的光反射,常在构件表面制作涂层前,先涂上一层黑色的底漆,黑色底漆的厚度大约在20∼30µm,硬化的时间大约20min.图3双涂层结构剖面示意图图4单涂层结构剖面示意图3.2.1双涂层结构图3中的双涂层结构由发光底层和光弹性外层组成.发光底层喷涂在黑色底漆上,厚度大约在60µm,其成分为聚合物黏合剂和可溶性的发光染料,发光染料二奈嵌苯二酰亚胺(perylene diimide)的作用在于:它能够保持穿过光弹性外层的激发光的偏振状态,并吸收可见光波中的兰色光波,随后又表现为一个分布性的漫射光源,发射波长更长的红色光波(二奈嵌苯二酰亚胺的两个发射峰波长分别在548nm 和580nm 左右,且第一发射峰比第二发射峰大30%左右).由于激发光波与发射光波的波长不等,通过两个中心波长不同的干涉滤波器可将二者完全分离开来.发光底层必须在紫外光及标准的室温和湿度条件下硬化.如果没有完全硬化,由底层传向光弹性外层的应变大小会变小,从而会导致测量108力学进展2009年第39卷误差,特别是在高应变梯度区.由环氧材料构成的光弹性外层在发光底层的上面,其厚度大约在200∼250µm,可通过光弹性外层的厚度变化来改变1/4条纹值.外层的光弹性材料是甲烷单体(methane monomer),光弹性外层在制作时,采用薄的多层方法.一方面是便于控制其厚度,另一方面是使由此而引起的残余应变最小化.另外,由光弹性外层引起的试件加强效应可忽略.为了防止在竖直表面制作涂层时涂层成分的流动,可在光弹性外层中添加触变剂,上述过程完成后,环氧外层必须在紫外光下硬化数小时.为了修正外层厚度不均匀性,将吸收染料分散橙(dispersed orange 25)和另一种发光染料锇(osmium)加入发光底层.染料锇的发射峰波长大约为690nm,两种发光染料的发射比可作为校准因子用于修正外涂层厚度,底层中添加的吸收染料则是为了消除发光底层厚度对染料发射光强的影响.3.2.2单涂层结构图4中的单涂层结构与双涂层结构不同之处在于,单涂层结构中的光弹性涂层内既含有发光染料又含有吸收染料,去掉了双涂层结构中的发光底层.在单涂层方法中,基于钌的吸收染料用于阻止过度的兰光激发,使之不能到达试件表面.吸收染料本身不发射,只起衰减作用,以限制激发光进入涂层的穿透深度.通过调节吸收染料的浓度,可改变激发光的穿透深度.只要涂层的厚度大于激发光的穿透深度,即可认为测量信号与涂层厚度无关.3.3LPC 测量原理3.3.1双涂层结构测量原理在图5所示圆偏振光场的光路中,从光源(发光二极管)发出的单色兰光(波长用λex 表示),经过起偏振镜后,变成一束振动方向与起偏振镜的偏振轴一致的平面偏振光u .当该平面偏振光到达1/4波片后,沿波片的快(F)、慢(S)轴分解成两个正交的振动分量u F 和u S .u F 和u S 在通过1/4波片后,要产生π／2的位相差,分别用u F 和uS 表示为u F =√22a cos ωt,u S =√22a sin ωt (1)其中a 为入射光波振幅,ω为入射光波角频率.显然,从1/4波片射出后的两束平面偏振光u F 和uS 合成为圆偏振光.图5光路示意图设处于此圆偏振光场中的受力构件处于平面应力状态,由于构件受力,其表面的应力状态传递给了构件表面上的发光光弹性涂层,使涂层变成了光学各向异性介质.由于发光光弹性涂层受兰色圆偏振光激发,涂层中的发光染料将保持激发光的偏振状态,转而发射波长(发射光波波长用。