本實(shí)用新型涉及一種透明制品的密度連續(xù)分布測定裝置，具體涉及一種等厚透明高聚物(高分子聚合物)制品的密度連續(xù)分布測定裝置。

背景技術(shù)：

隨著國家節(jié)能減排理念的不斷深入人心，“輕量化設(shè)計(jì)”在機(jī)械裝備設(shè)計(jì)及制造中越來越受到人們的青睞。實(shí)現(xiàn)“輕量化”的其中一個(gè)突出表現(xiàn)為“以塑代鋼”，即在汽車及其他裝備中采用輕質(zhì)高性能的高聚物材料及其復(fù)合材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料。透明高聚物作為高聚物的一大分支，在光學(xué)、醫(yī)學(xué)及航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，而等厚透明高聚物制品作為典型的裝備零部件，其應(yīng)用范圍極為廣泛；隨著“中國制造2025”這一制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，對高端裝備的質(zhì)量要求不斷提高，因此如何進(jìn)一步提升該類產(chǎn)品性能是眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前等厚透明高聚物的主要成形加工方法為注射成形和擠出成形，在這兩種成形方法中，透明高聚物材料在注射機(jī)/擠出機(jī)螺桿的剪切力場和電加熱雙重效應(yīng)作用下逐漸融化，然后熔融物料在一定的壓力條件下由螺桿推動(dòng)進(jìn)入/流經(jīng)等厚注射模具/擠出模頭，最后冷卻定型為所需的等厚制品。眾所周知，高聚物融體為典型的黏彈性流體，成形加工過程中受到高溫下復(fù)雜耦合熱力和機(jī)械力的反復(fù)作用，其黏彈響應(yīng)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生復(fù)雜的變化，從而導(dǎo)致冷卻后制品各處密度的波動(dòng)，進(jìn)而引起力學(xué)強(qiáng)度的變化，最終影響產(chǎn)品的服役年限。因此，就實(shí)際應(yīng)用角度而言，很有必要對等厚透明高聚物制品的密度連續(xù)分布進(jìn)行系統(tǒng)的測定，以便在制品服役期內(nèi)為其保養(yǎng)維護(hù)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)可反過來為其注射成形/擠出成形工藝的優(yōu)化提供寶貴的實(shí)踐數(shù)據(jù)。

測量高聚物材料密度ρ的傳統(tǒng)方法為采用天平測量其質(zhì)量m，用液體法測量其體積v，然后根據(jù)ρ＝m/v計(jì)算得出密度。上述基于密度基本原理公式的方法為直接測量法，其優(yōu)點(diǎn)為適用性廣、操作簡單，但所得結(jié)果為高聚物材料的平均密度值，而無法獲得高聚物材料的密度連續(xù)分布規(guī)律；此外，上述傳統(tǒng)直接測量法不適于光學(xué)、航空航天等特殊領(lǐng)域的透明高聚物產(chǎn)品密度的檢測，因?yàn)闇y試過程中在液體中的浸泡會(huì)改變產(chǎn)品的吸水量，進(jìn)而影響其使用性能。因而，針對某些特殊產(chǎn)品需要尋求更為適合的密度及其分布間接測量方法。專利(申請公布號(hào)：CN 102692362 A；專利名稱：高分子聚合物材料密度分布的超聲波成像檢測方法)針對航空航天領(lǐng)域高聚物材料密度分布均勻特性檢測難的問題，提出了一種基于超聲波技術(shù)的高聚物材料密度分布的無損檢測方法。然而，該專利存在如下明顯缺陷：(1)基于超聲波技術(shù)的密度測量方法，其精確度較低；(2)該密度測量裝置中的探頭(超聲波發(fā)射/接收探頭)需要與被測物體(高聚物產(chǎn)品)進(jìn)行實(shí)體接觸，從而不適于光學(xué)領(lǐng)域等具有特殊防接觸要求的產(chǎn)品密度測量；(3)更為關(guān)鍵的是，超聲波探頭與被測物體之間需要涂抹特定的耦合劑，因而會(huì)造成被測物體的物理甚至是化學(xué)污染。綜上所述，為實(shí)現(xiàn)等厚透明高聚物制品密度連續(xù)分布的非接觸式測量，目前該領(lǐng)域依然存在許多問題亟待解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種等厚透明高聚物制品的密度連續(xù)分布測定裝置，以便測量具備特殊要求的高聚物產(chǎn)品密度分布，為服役期內(nèi)的制品維護(hù)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)反過來為注射成形/擠出成形工藝的優(yōu)化提供寶貴的實(shí)踐數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)解決方案：

本實(shí)用新型提供的一種等厚透明高聚物制品的密度連續(xù)分布測定裝置包含激光發(fā)生器、激光束形框、偏振元件、樣品位置調(diào)整系統(tǒng)、光學(xué)透鏡、波前傳感器和計(jì)算機(jī)；所述激光束形框與激光發(fā)生器的激光束出口連接，起調(diào)節(jié)激光束形狀的作用；所述樣品位置調(diào)整系統(tǒng)通過樣品夾具將待測等厚透明高聚物制品夾緊；所述計(jì)算機(jī)同時(shí)與樣品位置調(diào)整系統(tǒng)及波前傳感器通過通訊線纜連接；所述一種等厚透明高聚物制品的密度連續(xù)分布測定裝置就緒時(shí)，激光發(fā)生器、激光束形框、偏振元件、待測等厚透明高聚物制品、光學(xué)透鏡和波前傳感器依次排列且各中心點(diǎn)在激光束中心線上。

所述一種等厚透明高聚物制品的密度連續(xù)分布測定裝置工作時(shí)，開啟激光發(fā)生器產(chǎn)生激光源，激光源經(jīng)過激光束形框后形成方形或圓形(可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整)的激光束，激光束經(jīng)過偏振元件后變?yōu)槠矫嫫窆?，平面偏振光透過待測等厚透明高聚物制品后再通過光學(xué)透鏡，最后到達(dá)波前傳感器；由于待測等厚透明高聚物制品平面上各處的折光系數(shù)存在差異，導(dǎo)致經(jīng)過其的偏振光波前發(fā)生變化，而該變化被波前傳感器捕捉并記錄下來，具體步驟如下：

(1)假設(shè)待測等厚透明高聚物制品上任一考察點(diǎn)(設(shè)為A點(diǎn))的光程為l_A、折光系數(shù)為n_A、密度為ρ_A，并設(shè)參考點(diǎn)(設(shè)為O點(diǎn))的相應(yīng)值為l₀、n₀和ρ₀，則該考察點(diǎn)相對于參考點(diǎn)的光程差為Δl_A＝l_A-l₀，相對折光系數(shù)為Δn_A＝n_A-n₀，相對密度為Δρ_A＝ρ_A-ρ₀；

(2)因待測等厚透明高聚物制品的厚度d為恒量且已知，根據(jù)物理光學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，求得該待測等厚透明高聚物制品A點(diǎn)處的相對折光系數(shù)為Δn_A＝Δl_A/d；

(3)根據(jù)該待測等厚透明高聚物制品所用材料的密度常數(shù)ρ和折光系數(shù)常數(shù)n，可進(jìn)一步根據(jù)簡化微分麥克斯韋公式(式(1))求得該待測等厚透明高聚物制品A點(diǎn)處的相對密度Δρ_A；

(4)不斷重復(fù)上述(1)～(3)步驟，可獲得待測等厚透明高聚物制品其他所有點(diǎn)的相對密度，從而獲得整個(gè)制品的密度連續(xù)分布圖；

(5)進(jìn)一步地，如采用特定方法確定待測等厚透明高聚物制品參考點(diǎn)(O點(diǎn))的密度絕對值，便可獲得待測等厚透明高聚物制品整個(gè)平面的密度絕對值連續(xù)分布圖。

本實(shí)用新型具備實(shí)質(zhì)新穎性，主要特色在于：采用非破壞性測量方法，且可獲得樣品平面內(nèi)所有點(diǎn)的密度連續(xù)分布；測量精度高，且不會(huì)對被測樣品帶來污染。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型中一種等厚透明高聚物制品的密度連續(xù)分布測定裝置的構(gòu)成示意圖；

圖2為針對本實(shí)用新型實(shí)施例一的圖1樣品位置調(diào)整系統(tǒng)的A向視圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例一中獲得的樣品密度連續(xù)分布圖；

圖4為針對本實(shí)用新型實(shí)施例二的圖1樣品位置調(diào)整系統(tǒng)的A向視圖。

圖中：10、激光發(fā)生器；20、激光束形框；30、激光束中心線；40、偏振元件；50、待測等厚透明高聚物制品；51、樣品位置調(diào)整系統(tǒng)；52、樣品夾具；53、激光光斑；60、光學(xué)透鏡；70、波前傳感器；80、計(jì)算機(jī)；90、通訊線纜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但本實(shí)用新型要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍。

參照圖1～圖4，本實(shí)用新型提供的一種等厚透明高聚物制品的密度連續(xù)分布測定裝置包含激光發(fā)生器10、激光束形框20、偏振元件40、樣品位置調(diào)整系統(tǒng)51、光學(xué)透鏡60、波前傳感器70和計(jì)算機(jī)80；所述激光束形框20與激光發(fā)生器10的激光束出口連接，起調(diào)節(jié)激光束形狀的作用；所述樣品位置調(diào)整系統(tǒng)51通過樣品夾具52將待測等厚透明高聚物制品50夾緊；所述計(jì)算機(jī)80同時(shí)與樣品位置調(diào)整系統(tǒng)51及波前傳感器70通過通訊線纜90連接；所述一種等厚透明高聚物制品的密度連續(xù)分布測定裝置就緒時(shí)，激光發(fā)生器10、激光束形框20、偏振元件40、待測等厚透明高聚物制品50、光學(xué)透鏡60和波前傳感器70依次排列且各中心點(diǎn)在激光束中心線30上。

所述一種等厚透明高聚物制品的密度連續(xù)分布測定裝置工作時(shí)，開啟激光發(fā)生器10產(chǎn)生激光源，激光源經(jīng)過激光束形框20后形成方形或圓形(可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整)的激光束，激光束經(jīng)過偏振元件40后變?yōu)槠矫嫫窆?，平面偏振光透過待測等厚透明高聚物制品50后再通過光學(xué)透鏡60，最后到達(dá)波前傳感器70；由于待測等厚透明高聚物制品50平面上各處的折光系數(shù)存在差異，導(dǎo)致經(jīng)過其的偏振光波前發(fā)生變化，而該變化被波前傳感器70捕捉并記錄下來，具體步驟如下：

(1)假設(shè)待測等厚透明高聚物制品50上任一考察點(diǎn)(設(shè)為A點(diǎn))的光程為l_A、折光系數(shù)為n_A、密度為ρ_A，并設(shè)參考點(diǎn)(設(shè)為O點(diǎn))的相應(yīng)值為l₀、n₀和ρ₀，則該考察點(diǎn)相對于參考點(diǎn)的光程差為Δl_A＝l_A-l₀，相對折光系數(shù)為Δn_A＝n_A-n₀，相對密度為Δρ_A＝ρ_A-ρ₀；

(2)因待測等厚透明高聚物制品50的厚度d為恒量且已知，根據(jù)物理光學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，求得該待測等厚透明高聚物制品50在A點(diǎn)處的相對折光系數(shù)為Δn_A＝Δl_A/d；

(3)根據(jù)該待測等厚透明高聚物制品50的密度常數(shù)ρ和折光系數(shù)常數(shù)n，可進(jìn)一步根據(jù)簡化微分麥克斯韋公式(式(1))求得該待測等厚透明高聚物制品50在A點(diǎn)處的相對密度Δρ_A；

(4)不斷重復(fù)上述(1)～(3)步驟，可獲得待測等厚透明高聚物制品50其他所有點(diǎn)的相對密度，從而獲得整個(gè)制品的密度連續(xù)分布圖；

(5)進(jìn)一步地，如采用特定方法確定待測等厚透明高聚物制品50參考點(diǎn)(O點(diǎn))的密度絕對值，便可獲得待測等厚透明高聚物制品50整個(gè)平面的密度絕對值連續(xù)分布圖。

實(shí)施例一

參照圖2，本實(shí)施例中，激光發(fā)生器10產(chǎn)生的激光源經(jīng)過激光束形框20后形成圓形激光束，且待測等厚透明高聚物制品50的外形為圓形，圓形激光束形成的圓形激光光斑53的直徑略小于待測等厚透明高聚物制品50的直徑，此時(shí)無需調(diào)節(jié)樣品位置調(diào)整系統(tǒng)51的位置即可完成測量。取待測等厚透明高聚物制品50的材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其直徑為40mm、厚度為0.45mm、折光系數(shù)為1.489、密度為1.172g/cm³。通過本實(shí)用新型所述一種等厚透明高聚物制品的密度連續(xù)分布測定裝置測量后，該待測等厚透明高聚物制品50的密度連續(xù)分布(密度變化值)如圖3所示。

實(shí)施例二

參照圖4，本實(shí)施例中，激光發(fā)生器10產(chǎn)生的激光源經(jīng)過激光束形框20后形成方形激光束，且待測等厚透明高聚物制品50的外形為方形，方形激光束形成的方形激光光斑53的邊長遠(yuǎn)小于待測等厚透明高聚物制品50的邊長，此時(shí)需要沿x和y兩個(gè)方向調(diào)節(jié)樣品位置調(diào)整系統(tǒng)51的位置方能完成測量。

以上所述實(shí)施例為本實(shí)用新型的最佳實(shí)施例，但并非用以限制本實(shí)用新型。在不背離本實(shí)用新型原理情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本實(shí)用新型作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所屬的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。