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(cè)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(cè)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(dòng)?；诠韫怆姵貙?duì)于光強(qiáng)變化的快速響應(yīng)，示波器可采集干涉條紋的移動(dòng)電壓脈沖信號(hào)，從而計(jì)算出橡膠板表面微小形變尺寸。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；光電傳感實(shí)驗(yàn)；頂點(diǎn)課程

1研究背景

輪胎在出廠流通前，需要對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，以確保質(zhì)量安全。目前常用的檢測(cè)技術(shù)是采用X光檢測(cè)鋼絲結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)錯(cuò)位和變形，采用激光散斑檢測(cè)橡膠內(nèi)部是否存在氣泡。在氣泡檢測(cè)的過(guò)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(yàn)過(guò)程中，為了配合流水線的生產(chǎn)速度，進(jìn)一步提高檢驗(yàn)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(guò)程中，將橡膠板出現(xiàn)的干涉圖與輪胎做快速對(duì)比，作為輪胎中氣泡大小的參考。

本實(shí)驗(yàn)室基于上述工業(yè)中的生產(chǎn)應(yīng)用，加強(qiáng)學(xué)生理論與實(shí)踐的結(jié)合，面對(duì)四年級(jí)本科生開(kāi)發(fā)了基于硅光電池的橡膠表面微小形變定量測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)預(yù)先埋入氣泡的橡膠板進(jìn)行氣泡測(cè)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(dòng)。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(shí)驗(yàn)室未采用面陣CCD作為探測(cè)器，而是采用硅光電池作為傳感器，通過(guò)示波器探測(cè)干涉條紋的移動(dòng)，來(lái)定量分析橡膠表面的形變，讓學(xué)生深刻體會(huì)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程。

2實(shí)驗(yàn)原理

2.1實(shí)驗(yàn)光路的設(shè)計(jì)

當(dāng)氣壓或溫度發(fā)生變化時(shí)，橡膠板中的氣泡會(huì)發(fā)生膨脹，導(dǎo)致橡膠表面發(fā)生離面位移。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，如果缺乏真空泵與密封艙設(shè)備，可通過(guò)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(cè)量原理光路圖

實(shí)驗(yàn)中采用氦氖激光器作為光源，光束出射后，經(jīng)過(guò)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(huì)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(cè)器

根據(jù)資料查詢，硅光電池的光譜探測(cè)范圍在400 nm到1 200 nm之間。由于普通光學(xué)材料對(duì)近紅外光譜存在較強(qiáng)吸收，而且實(shí)驗(yàn)中可見(jiàn)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(zhǎng)632.8 nm，該波長(zhǎng)位于硅光電池的有效探測(cè)光譜范圍內(nèi)。

當(dāng)氦氖激光在硅光電池表面形成干涉條紋時(shí)，干涉條紋的明暗變化，會(huì)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(kāi)路電壓計(jì)算公式：

圖2　硅光電池環(huán)形遮光罩示意圖

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果明暗條紋過(guò)于細(xì)密，會(huì)使多級(jí)條紋同時(shí)出現(xiàn)在硅光電池的表面，影響探測(cè)精度。為了避免該問(wèn)題，一是要求干涉光路的兩臂近似等長(zhǎng)，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(guò)某級(jí)干涉條紋的寬度。同時(shí)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(cè)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(jìn)入硅光電池。紅白相間的干涉條紋依此通過(guò)狹縫，被硅光電池探測(cè)后，由示波器輸出不同的電壓值。

2.3離面位移的測(cè)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(jì)算公式，當(dāng)干涉級(jí)次移動(dòng)數(shù)目為m時(shí)，其離面位移Δ為Δ=mλ。由于明條紋通過(guò)狹縫時(shí)，會(huì)在示波器上顯示為電壓峰值，因此通過(guò)計(jì)算峰值/谷值電壓移動(dòng)的數(shù)目，可得到干涉級(jí)次的移動(dòng)數(shù)，從而計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

首先調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)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(wú)明顯抖動(dòng)；而后將電烙鐵探頭至于橡膠板后，靠近但不接觸。其余實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)準(zhǔn)備妥當(dāng)后，接通電烙鐵電源，探頭開(kāi)始加熱。此時(shí)橡膠板內(nèi)的氣泡開(kāi)始膨脹，帶動(dòng)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(kāi)始移動(dòng)，示波器也開(kāi)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?？梢钥闯觯捎诩す馄髋c示波器的噪聲問(wèn)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(guò)2.3節(jié)中的計(jì)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(shí)的條紋周期估算而得。

3.2實(shí)驗(yàn)誤差分析

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于邁克爾遜干涉原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性直接影響測(cè)量精度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)生振動(dòng)，或者某一干涉光路的溫度、氣流等發(fā)生變化，都會(huì)導(dǎo)致干涉條紋的移動(dòng)。因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要保證測(cè)量環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定[11-12]。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用硅光電池作為傳感器，由于硅光電池的信號(hào)輸出與光強(qiáng)正相關(guān)，因此添加環(huán)形狹縫后，不僅可以控制進(jìn)入傳感器的干涉條紋級(jí)次，還可以限制雜散環(huán)境光，將環(huán)境光對(duì)最終測(cè)量的影響降至最小。

4實(shí)驗(yàn)總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)輪胎制造企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采用的檢測(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化而來(lái)，并將其引入具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可以完整的運(yùn)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(shí)運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)的微縮系統(tǒng)中。該實(shí)驗(yàn)采用硅光電池作為傳感器，并利用示波器探測(cè)輸出電壓信號(hào)，可綜合訓(xùn)練學(xué)生對(duì)光電傳感器課程的理解與運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴瑋,陶宗明,段天權(quán),等.激光探測(cè)音頻信息實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(8):40-42.

[2]梁清華,李亮之,劉春玲.硅光電池溫度補(bǔ)償方法的研究[J].儀表技術(shù)，2002(4):24-25.

[3]王景凱,趙鵬,潘存海.基于硅光電池的大米色選分類方法研究[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(4):66-68.

[4]周朕,盧佃清,史林興.硅光電池特性研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索[J].2011，30(11):36-39.

[5]徐毅,宋兆麗,徐政.聚光內(nèi)球面太陽(yáng)能電池[J].光子學(xué)報(bào)，2013，42(7):782-786.

[6]韋宣,樂(lè)靜,申阿維.用于微動(dòng)工作臺(tái)的光纖位移傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(1):115-117.

[7]潘麗娜,莊紫云,王戈.運(yùn)用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)以及音源定位的研究[J].光學(xué)儀器，2013，35(1):36-43.

[8]文韜,洪添勝,李震,等.太陽(yáng)能硅光電池最大功率點(diǎn)跟蹤算法的仿真及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(1):196-201.

[9]薛婧,李斌.基于硅光電池的電荷放大器性能測(cè)試信號(hào)發(fā)生器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009(7):60-62.

[10] 戴皓珽,倪晨,方愷，等.基于LabView研究硅光電池特性[J].物理實(shí)驗(yàn)，2014，34(10):19-21.

[11] 塔金星.《硅光電池特性》實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索和實(shí)踐[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(1):38-40.

[12] 丁扣寶,霍明旭.基于電流型邊界條件的硅光電池模的新方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2004(3):505-50.

[13] 塔金星.《硅光電池特性》實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索和實(shí)踐[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(1)：38-90.

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(hào)：G 642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.006

文章編號(hào)：1007-2934(2016)01-0023-03

收稿日期：2015-08-26