玻璃纤维增强复合材料具有重量轻、比强度高、耐腐蚀、电绝缘性能好、传热慢、热绝缘性好等优点.其产品广泛应用在航空航天、电力、船舶制造等领域^[1].由于在制造过程中可能产生某些缺陷，另外在使用的过程当中，会因为撞击、疲劳以及腐蚀等因素使复合材料结构性样件产生缺陷，因此对玻璃纤维增强复合材料不同结构下的力学性能测试及无损检测显得越来越重要，以减少在实际应用中所出现问题而造成的巨大损失.

目前针对复合材料力学性能及无损检测方法主要有以下几种.射线检测技术是利用X射线、γ射线、中子射线等穿过物体时的吸收和散射的特性，检测其内部结构不连续性的技术^[2].声发射检测技术是通过对复合材料或结构在加载过程中产生的声发射信号进行检测和分析^[3]，对复合材料构件的整体质量水平进行评价的一种检测技术.超声波检测法, 超声波检测尤其是超声C扫描检测, 由于具有显示直观、检测速度快等优点, 已成为航空器复合材料构件普遍采用的检测技术^[4].电子散斑干涉技术利用被测样品加载变形前后两幅样品表面散斑干涉图像的差别，测量被测样件表面的离面位移场及应变场^[5].从2004年开始，英国拉夫堡大学J. M. Huntley小组开始波长扫描干涉技术的研究，通过波长扫描干涉技术，测量得出样品变形前后的位移场分布^[6-9].2007年，该小组利用真空负压加载，激光散斑干涉技术检测碳纤维复合材料表面的微小离面位移变形量，进而推断出材料内部层层之间的脱粘缺陷^[10-12].2013年，周延周小组提出激光波数扫描干涉方法, 测量出半透明树脂基复合材料内部三维离面位移场分布^[13-15].本文在激光波数扫描干涉方法的基础上，针对不同结构的玻璃纤维增强复合材料表面离面位移场分布进行测量.结果表明该系统及测量方法具有较好的稳定性及较高的测量精度.

针对各种结构下玻璃纤维增强复合材料表面离面位移场测量，采用基于迈克尔逊干涉光路的激光波数扫描干涉测量系统如图 1所示.其中TCM表示温度控制模块；LD表示DFB半导体激光器；LC表示激光控制器；PC表示个人电脑；CCD表示CCD相机；CBS表示正方体分光棱镜；L表示透镜；P表示偏振镜；OW表示光楔；Sample表示玻璃纤维复合材料样件.

图 1(Figure 1)

图 1 光学系统构成图 Figure 1 Optical system configuration

干涉光路如图 1中虚线所示，当激光器输出的激光束经过准直透镜后，由正方体分光棱镜CBS将其分为两束光.一束光垂直照射到厚度为6 mm、倾角为6′的参考光楔, 另一束光垂直照射到玻璃纤维增强复合材料样件表面上.经过参考光楔与玻璃纤维增强复合材料样件表面的反射光分别经过正方体分光棱镜CBS反射和透射后并束后，在CCD相机(1 024×1 024像素)的像平面上形成干涉图像.通过激光控制器调制安装在温控模块上的半导体激光器的工作温度，使其温度从45℃调制到20℃.在激光波数调制过程中，CCD相机连续拍摄500幅干涉图像.

该系统中将加载装置安装在高精度光学平移台上，加载装置由两根相距60 mm、高度50 mm和直径10 mm的固定支柱和一个圆头千分丝杆，构成三点加载受力装置，如图 2所示.其中圆头千分丝杆的精度是1 μm，可对被测样件进行1 μm的步进加载.实验中将对被测样件进行3次加载，加载量分别为5 μm，10 μm，15 μm.

图 2(Figure 2)

图 2 加载装置结构图 Figure 2 Loading device

在调制波数扫描过程中，通过CCD相机连续采集到的干涉光强I与波数扫描序列的关系为I (x, y, k).对光强序列在k 域采样加窗傅里叶变换后可表示为

其中x, y为空间坐标；M为深度方向反射信号的个数；I_p, I_q表示深度方向上第p、q的反射光的光强；$\widetilde W$是窗口函数的频域表达式；f_pq (x, y)和φ_pq (x, y)分别是p、q信号对应的干涉信号峰值处的频率和相位；Λ_pq表示p、q信号之间的光程差；φ_pq0表示它们的初始相位差；k₀为中心波数.

对干涉图像上所有像素点对应的光强序列都进行傅里叶变换后，提取干涉峰值处对应的相位值, 通过计算得到加载前后的卷绕相位差Δφ_pq^wrp (x, y)，对其解卷绕后的相位差为Δφ_pq^unwrp (x, y).加载前后z方向上的离面位移场分布为

其中n_pq为p、q信号之间的折射率.

本文所用的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料板由东莞市鑫星玻璃纤维制品有限公司生产.如图 3所示的4种不同结构下玻璃纤维增强复合测试样件是后期加工制作而成的.其中标号1的测试样件中心有一个直径为1 mm的孔洞缺陷；标号2的测试样件中心有一道深度约0.2 mm, 宽约0.4 mm的竖刮痕；标号3的测试样件在被测面后方一侧粘有厚度为2 mm的塑料板；标号4的测试样件在被测面后方粘有一条厚度为2 mm, 宽为5 mm的塑料条作为梁.在图 3中可以看到虚线内灰色区域为测量区域，其尺寸大小为8 mm×8mm.

图 3(Figure 3)

图 3 样品结构示意图 Figure 3 The schematic diagram sample structure

实验中标号为1的测试样表面与参考光楔的激光干涉图像如图 4(a)所示，在干涉图像中取y =4.5 mm处像素点所对应的光强序列如图 4(b)所示，其中纵坐标表示对应的波数值.对y=4.5 mm处对应的光强序列进行傅里叶变换后的幅频和相频特性如图 4(c)和图 4(d)所示，其中纵坐标表示傅里叶变换后的各表面干涉信号幅值对应的光程差大小. R₁S₁, R₂S₁分别表示参考光楔的前后表面与测试样件的前表面干涉信号.

图 4(Figure 4)

图 4 测试样件干涉信号 Figure 4 Interference signal of test samples

最后通过提取加载前后干涉图像上所有像素点峰值处的相位进行相位对照，并运用式(2)计算出被测样件表面离面位移场分布.以此类推7种测试样件都可以按以上步骤进行处理，得到其表面在不同加载量的离面位移场分布.

从图 5和图 6分别可以观察到玻璃纤维增强复合材料测试样件在不同加载量下，不同结构下，其表面的离面位移场分布情况.在离面位移场分布图中横纵坐标表示测量视场的大小，其图中的颜色值表示离面位移量的大小.根据其颜色值的变化趋势得出离面位移场的变化趋势，都是以加载点为中心离面位移量沿四周递减.由图 5～图 6可知在不同在结构状态下，玻璃纤维增强复合材料样件表面的离面位移场分布的共同特点有：(1)最大离面位移量的地方都是离加载点最近的区域.根据力学原理，力在加载点处向四周传递，在加载点附近的离面位移量应该是最大的，其他区域离面位移量沿着加载点方向向四周递减.(2)根据每张图片右边的颜色尺度条的值发现，不同结构状态下的样件表面离面位移场分布的值都要比其实际加载量小.因为在加载过程中的实际的加载量作用到被测样件过程会有能量的损失，使其产生的离面位移量小于实际的加载量.实验中的测量区域并未包含加载点，在加载点周围的离面位移量也小于加载点处的离面位移量，所以实验结果中真实测量得到的离面位移量值小于实际的加载量.(3)各种结构状态下样件表面的离面位移量基本随着加载量的线性增加呈线性变化，结果如表 1所示.

图 5(Figure 5)

图 5 有孔洞缺陷和有竖刮痕结结构材料样件表面离面位移场分布 Figure 5 Distributions of the out-of-plane displacement fields with hole defects and with vertical scratch (a)、(d)加载5 μm；(b)、(e)加载10 μm；(c)、(f)加载15 μm (a)、(d) loading 5 μm; (b)、(e) loading 10 μm; (c)、(f) loading 15 μm

图 6(Figure 6)

图 6 一侧粘有塑料板和粘有梁结构样件表面离面位移场分布 Figure 6 Distributions of the out-of-plane displacement fields with one-side plastic sheet and beam (a)、(d)加载5 μm；(b)、(e)加载10 μm；(c)、(f)加载15 μm (a)、(d) loading 5 μm; (b)、(e) loading 10 μmm; (c)、(f) loading 15 μm.

表 1(Table 1)

表 1 各结构样件离面位移量 Table 1 Distributions of the out-of-plane displacement fields of the samples 加载量/μm 离面位移量/μm 样件1 样件2 样件3 样件4 5 0.83 0.76 0.89 0.63 10 1.58 1.41 1.44 1.22 15 2.45 2.22 2.18 1.88

表 1 各结构样件离面位移量 Table 1 Distributions of the out-of-plane displacement fields of the samples

在图 5(a)～(c)中可以看到在图中心位置附近有一个由于空洞缺陷造成的坏点区域，在该区域周围的离面位移量值变化较乱，加载量越大离面位移量值越乱，分布规律不明显.在孔洞缺陷外的其他区域离面位移量值分布随加载量增加有线性变化规律.

在图 5(d)～(f)中，可以看到表面有刮痕样件在不同加载量下的离面位移场分布情况，与有孔洞缺陷样件表面离面位移场分布对比，并没有刮痕处造成明显的坏点区域.刮痕处的离面位移量的值变化量较大，但是并未对周围的离面位移场分布造成明显的影响.离面位移量整体变化随加载量的增加呈线性增加.

一侧粘有塑料板结构样件表面离面位移场分布如图 6(a)～(c)所示.可以看出在粘有塑料板一侧表面的离面位移量比没有粘有塑料板的离面位移量较大.由于因为粘有板的一侧样件厚度增加，在相同的加载量下，加载弯曲时表面产生的离面位移量值较小，无粘塑料板一侧的加载弯曲时表面产生的离面位移量较大，导致样件表面两侧的离面位移量分布不同，与测量结果相符合.

粘有梁结构样件表面离面位移场分布如图 6(d)～(f)所示.可以看出后表面上加有梁结构的测试样件其表面整体的最大离面位移量比其他3种结构样件表面的离面位移量小，因为加载点作用在宽为5mm的梁上，传递到前表面上的力由于传递距离的增加而减小，使被测样件表面产生的整体离面位移量变小.由于梁的位置处在中心，所以在中间区域的离面位移量大，在底部两个角处的离面位移量较小.

本文通过波数扫描干涉测量的方法，透视测量玻璃纤维增强复合材料不同结构下表面离面位移场分布.通过对比加载形变前后所有像素点光强序列的相频特性，还原出不同结构的被测样件表面离面位移场分布.实验结果表明，该方法可以测量不同结构样件表面的离面位移场分布，具有较高的测量精度和信噪比.因此该测量方法在复合材料的无损检测及力学特性测量上有较好的应用前景.