尤　勐，劉　鳴，崔宇明，于　音

(天津大學(xué)，天津　300072)

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基于硅光電池的橡膠表面微小形變定量測量

尤勐，劉鳴，崔宇明，于音

(天津大學(xué)，天津300072)

摘 要：本文基于邁克爾遜干涉光路，采用硅光電池作為傳感器，檢測橡膠板的內(nèi)部氣泡尺寸。該方法在橡膠板上粘貼反射鋁膜，采用抽真空或加熱的方法，使橡膠板內(nèi)部氣泡發(fā)生膨脹，從而使干涉條紋隨著表面形變發(fā)生移動?；诠韫怆姵貙τ诠鈴娮兓目焖夙憫?yīng)，示波器可采集干涉條紋的移動電壓脈沖信號，從而計算出橡膠板表面微小形變尺寸。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；光電傳感實驗；頂點課程

1研究背景

輪胎在出廠流通前，需要對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢測，以確保質(zhì)量安全。目前常用的檢測技術(shù)是采用X光檢測鋼絲結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)錯位和變形，采用激光散斑檢測橡膠內(nèi)部是否存在氣泡。在氣泡檢測的過程中，一般將輪胎置于真空室，采用抽真空的方式，使得輪胎表面出現(xiàn)微小形變，利用剪切干涉的方式采集圖片并解包裹，最終確定形變大小并判斷輪胎是否合格。在某些生產(chǎn)檢驗過程中，為了配合流水線的生產(chǎn)速度，進一步提高檢驗效率，在真空室中可放置預(yù)先埋入氣泡的橡膠板，在抽真空的過程中，將橡膠板出現(xiàn)的干涉圖與輪胎做快速對比，作為輪胎中氣泡大小的參考。

本實驗室基于上述工業(yè)中的生產(chǎn)應(yīng)用，加強學(xué)生理論與實踐的結(jié)合，面對四年級本科生開發(fā)了基于硅光電池的橡膠表面微小形變定量測量系統(tǒng)，對預(yù)先埋入氣泡的橡膠板進行氣泡測量。系統(tǒng)在橡膠板上粘貼反射鋁膜，采用抽真空或加熱的方法，使橡膠板內(nèi)部氣泡發(fā)生膨脹，從而使干涉條紋隨著表面形變發(fā)生移動。結(jié)合光電傳感技術(shù)、工程光學(xué)等課程內(nèi)容[1-3]，本實驗室未采用面陣CCD作為探測器，而是采用硅光電池作為傳感器，通過示波器探測干涉條紋的移動，來定量分析橡膠表面的形變，讓學(xué)生深刻體會綜合性、設(shè)計性實驗的操作過程。

2實驗原理

2.1實驗光路的設(shè)計

當氣壓或溫度發(fā)生變化時，橡膠板中的氣泡會發(fā)生膨脹，導(dǎo)致橡膠表面發(fā)生離面位移。在實驗室環(huán)境中，如果缺乏真空泵與密封艙設(shè)備，可通過電烙鐵加熱橡膠板背面，獲得離面位移。在橡膠板表面粘貼鋁制反射膜后，鋁膜即可作為干涉光路中的一路反射鏡，具體光路如圖1所示。

圖1　測量原理光路圖

實驗中采用氦氖激光器作為光源，光束出射后，經(jīng)過分光棱鏡，一束光反射至反射鏡M2上，而后透射分光棱鏡，入射至硅光電池；另一束光透射分光棱鏡，入射至鋁膜M1，而后反射至硅光電池，與M2反射的光束滿足干涉條件，在硅光電池表面形成干涉條紋。

用電烙鐵加熱橡膠板后，氣泡發(fā)生膨脹，而后粘貼在橡膠板上的鋁膜會隨之發(fā)生離面位移，在干涉光路中形成變化的光程差[4-6]，從而在硅光電池表面，形成變化的明暗干涉條紋。

2.2硅光電池探測器

根據(jù)資料查詢，硅光電池的光譜探測范圍在400 nm到1 200 nm之間。由于普通光學(xué)材料對近紅外光譜存在較強吸收，而且實驗中可見光的調(diào)節(jié)較為便捷，因此選取氦氖激光器作為光源，出射波長632.8 nm，該波長位于硅光電池的有效探測光譜范圍內(nèi)。

當氦氖激光在硅光電池表面形成干涉條紋時，干涉條紋的明暗變化，會使得硅光電池的輸出電壓隨之變化。如果干涉條紋為明，根據(jù)硅光電池的開路電壓計算公式：

圖2　硅光電池環(huán)形遮光罩示意圖

在實驗中發(fā)現(xiàn)，如果明暗條紋過于細密，會使多級條紋同時出現(xiàn)在硅光電池的表面，影響探測精度。為了避免該問題，一是要求干涉光路的兩臂近似等長，降低條紋的密度，使得明暗條紋的寬度盡量增大；二是在硅光電池的感光面上，添加寬約2 mm的環(huán)形遮光罩，使得硅光電池的感光范圍，不超過某級干涉條紋的寬度。同時調(diào)節(jié)系統(tǒng)光路，在硅光電池表面形成環(huán)形干涉條紋，條紋走向與狹縫近似重合，以提高示波器的探測精度。如圖2所示，硅光電池以綠色方塊表示，安裝環(huán)形遮光罩后，僅在綠色的環(huán)形狹縫處有光能進入硅光電池。紅白相間的干涉條紋依此通過狹縫，被硅光電池探測后，由示波器輸出不同的電壓值。

2.3離面位移的測量

由于系統(tǒng)是基于邁克爾遜干涉光路搭建而成，因此根據(jù)干涉計算公式，當干涉級次移動數(shù)目為m時，其離面位移Δ為Δ=mλ。由于明條紋通過狹縫時，會在示波器上顯示為電壓峰值，因此通過計算峰值/谷值電壓移動的數(shù)目，可得到干涉級次的移動數(shù)，從而計算出離面位移值[9-10]。示波器上可能出現(xiàn)的波形如圖3所示。

圖3　示波器輸出理想波形

3實驗數(shù)據(jù)與分析

3.1實驗測量數(shù)據(jù)

首先調(diào)節(jié)實驗系統(tǒng)至穩(wěn)定狀態(tài)，使得硅光電池表面的環(huán)狀干涉條紋無明顯抖動；而后將電烙鐵探頭至于橡膠板后，靠近但不接觸。其余實驗系統(tǒng)準備妥當后，接通電烙鐵電源，探頭開始加熱。此時橡膠板內(nèi)的氣泡開始膨脹，帶動表面粘貼的鋁膜發(fā)生離面位移，硅光電池表面的干涉條紋開始移動，示波器也開始顯示相應(yīng)的電壓曲線，如圖4所示。

圖4　示波器數(shù)據(jù)圖

為了顯示清晰，圖4b)、圖4c)中依次放大了橡膠膨脹初期、膨脹末期的電壓曲線圖?？梢钥闯?，由于激光器與示波器的噪聲問題，曲線與2.3節(jié)中的理論曲線并不一致，但是可以清晰的提取波峰或者波谷的數(shù)值，通過2.3節(jié)中的計算公式，即可得到離面位移值△為

Δ≈14.5×λ=14.5×632.8 nm=9.176 μm，其中14.5中的0.5，是綜合考慮膨脹起始、膨脹結(jié)束時的條紋周期估算而得。

3.2實驗誤差分析

本實驗系統(tǒng)基于邁克爾遜干涉原理進行設(shè)計，因此實驗環(huán)境的穩(wěn)定性直接影響測量精度。在實驗過程中，如果實驗平臺發(fā)生振動，或者某一干涉光路的溫度、氣流等發(fā)生變化，都會導(dǎo)致干涉條紋的移動。因此，在實驗過程中需要保證測量環(huán)境的相對穩(wěn)定[11-12]。

實驗系統(tǒng)采用硅光電池作為傳感器，由于硅光電池的信號輸出與光強正相關(guān)，因此添加環(huán)形狹縫后，不僅可以控制進入傳感器的干涉條紋級次，還可以限制雜散環(huán)境光，將環(huán)境光對最終測量的影響降至最小。

4實驗總結(jié)

本實驗是根據(jù)輪胎制造企業(yè)實際生產(chǎn)過程中，采用的檢測系統(tǒng)轉(zhuǎn)化而來，并將其引入具體的實驗教學(xué)中。學(xué)生在實驗中可以完整的運用工程光學(xué)中的干涉理論，結(jié)合光電傳感技術(shù)中硅光電池的傳感特性，將理論知識運用到工業(yè)生產(chǎn)的微縮系統(tǒng)中。該實驗采用硅光電池作為傳感器，并利用示波器探測輸出電壓信號，可綜合訓(xùn)練學(xué)生對光電傳感器課程的理解與運用。

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Quantitative Measurements of Small Deformation on Rubber Surface Based on Silicon Photocell

YOU Meng，LIU Ming，CUI Yu-ming，YU Yin

(Tianjin University,Tianjin 300072)

Abstract：Based on the Michelson interferometer,silicon photovoltaic cells are used as a sensor to detect bubble size inside the rubber plate.A reflective aluminum film is stick on the rubber surface.With method of vacuum or heating,the bubble would expand and the interference fringes would move along with the surface deformation.Based on the rapid response to changes in light intensity,oscilloscope could get the voltage pulse signal from silicon photovoltaic cells and calculate the size of the tiny changes on the rubber plate surface.

Key words：experimental teaching；optical sensing experiments；capstone course

中圖分類號：G 642

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.006

文章編號：1007-2934(2016)01-0023-03

收稿日期：2015-08-26