[发明专利]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

说明书

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。

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；