光源消失检验航空玻璃方法研究
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航空有机玻璃是能满足飞机风挡、座舱盖等航空透明件成型使用要求的有机玻璃板材［1］。为了将品质优良的有机玻璃应用到航空领域众多学者进行了有机玻璃成型、制备等方面的研究［2－5］。为了保证航空有机玻璃的高性能及安全性能，其各项性能也得以研究，如KINGSHORTHDJ［6］，马丽婷［7］，陈新文［8］等综合评价了有机玻璃的老化性能及研究进展。为了保证有机玻璃件的使用性能，本工作介绍了有机玻璃件的质量检验要点［9］。作为航空透明件，有机玻璃的光学性能也是关系到使用安全的一项重要指标，也有众多学者进行改进光学性能的研究，光学畸变是航空透明件的一项重要的光学指标，指的是通过航空有机玻璃观测物体时造成所观察物体影像失真的光学缺陷。带有光学缺陷的航空透明件会使得飞行员观测物体失真，导致误操作，进而酿成飞行事故。在制造过程中，如何准确地观察到航空有机玻璃光学畸变的消失角就显得尤为重要。在实际工作中，航空有机玻璃光学畸变的消失角采用点光源消失法检测（参见ZJBG401—85《YB－2航空有机玻璃》）。但在实际工作中按该方法检测光学畸变消失角时存在一定问题：当板材上光学畸变位置离中轴线（板材中轴线应与测试置物架旋转轴相重合）较远时，在靠近幕布和远离幕布两位置所测的消失角差别较大，从而影响到产品合格与否的判定。为此，本工作收集整理了实际检测过程中的相关数据，进行分析研究，揭示问题产生的原因并提出解决方法。
1光学畸变产生的原因和点光源消失法检测
原理有机玻璃是以甲基丙烯酸甲酯为单体，经加入引发剂、增塑剂等添加剂进行自由基聚合而成。在聚合过程中，其聚合的均匀性受聚合温度、聚合速率等因素的影响较大。如果聚合温度或聚合速率不够平稳，聚合后的板材内部成分会不均匀，从而存在较大内应力。聚合不均匀的有机玻璃板材在成型加热后（有机玻璃从玻璃态转入高弹态），内部较大的内应力向板材表面释放，在板面上形成条状或网状的凸起、凹陷等缺陷。通过这些缺陷观察物体会形成较重的光学畸变，不能满足飞机风挡、座舱盖等航空透明件成型使用的要求。用点光源消失法检测光学畸变时，均匀的光线通过这些光学畸变后，折射光线汇聚或发散，在白幕布上显示为亮道、暗线（见图1，2）或类如橘子皮表面纹路的网状纹。网状纹的产生是由于有机玻璃的聚合严重不均匀，经成型加热后在板面所形成的凸起和凹陷的纵横交错。另外，当有机玻璃聚合模板的工作面不够平整时，会在有机玻璃板材的表面形成连续的凸凹直线的印痕。这种情况与有机玻璃的聚合均匀性无关。在不加热的条件下即可观察到。用点光源消失法检测这种缺陷时，在白幕布上显示为整板面的单一方向的明暗道点光源消失法所测的光学畸变消失角就是将板材从垂直于幕布（0°位置指光学畸变位置靠近幕布的位置，180°位置指光学畸变远离幕布的位置）向板材平行于幕布（90°位置）旋转过程中影像消失时的角度。
2实验材料及方法
实验材料为YB－3航空有机玻璃板，板材尺寸为1750mm×1550mm×10mm，实验数据为生产实测数据，具有普适意义。实验装置示意图见图4，测试过程如下：（1）调至初始状态，此时，点光源与有机玻璃板在同一水平面，有机玻璃板垂直于幕布；（2）逆时针旋转有机玻璃板，θ1为从0°位置向90°位置旋转板材时影像消失时的角度；（3）板材逆时针旋转至180°位置（远离幕布的水平位置）；（4）顺时针旋转有机玻璃板，θ2为从180°位置向90°位置旋转板材时影像消失时的角度；（5）平行移动光学畸变缺陷至置物架旋转轴另一侧（光学畸变新位置距旋转轴为L，见图5）。θ3为将光学畸变位置从0°位置平行移动至置物架旋转轴另一侧，从0°位置向90°位置旋转板材影像消失时的角度。
3实验结果及分析
3．1实验结果实验数据见表1。由表1可以看出：（1）通常情况下，θ1＜θ2。在本次实验数据中，θ1＜θ2的数据约占总数据的三分之二；θ1＞θ2的数据约占总数据的三分之一；仅有一组数据的θ1和θ2相同。（2）除个别θ3＝θ1外，θ3＞θ1。（3）当θ1＞θ2时，θ3＞θ1＞θ2；当θ2＞θ1较少时，θ3≈θ2；当θ2＞θ1较多时，θ3＜θ2。（4）当缺陷位置处于板材中轴线附近时（即L很小，L≤12cm），θ1＝θ3，但θ1与θ2不一定相等。
3．2数据分析实验分析数据见图6。从图6也可以看出，当L值比较小时，θ1－θ2，θ2－θ3和θ3－θ1的值也比较小，这说明当缺陷位置处于板材中心轴附近时，测试的消失角度误差较小。点光源消失法所测光学畸变消失角的大小，反映的是点光源光线通过有机玻璃板面缺陷后的折射光线在幕布上汇聚和分散的强弱程度。折射光线在幕布上汇聚和分散的强弱程度与缺陷距离板材中轴线的距离、板面上形成的凸起或凹陷的程度以及它们的截面形状有关。有机玻璃板加热后所形成的表面凸起或凹陷的截面形状规则对称（见图1，2）。从180°位置向90°位置旋转板材与从0°位置向90°位置旋转板材的区别在于缺陷位置距幕布的距离不同：前者大于后者很多。前者折射光线在幕布上的汇聚和发散的程度大于后者因此需要增大旋转角度，使影像在幕布上消失，从而使得θ2＞θ1。在这种情况下，从0°位置处水平移动板材再旋转板材所得到的θ3与θ2相差不大，表1中θ2与θ3差值在0～1°时，属于这种情况，此时，θ3和θ1的差值主要由于缺陷距离幕布远近造成的，比较稳定，大多在4～6°。有机玻璃板加热后所形成的表面凸起或凹陷截面形状不规则对称。当板材从0°位置向90°位置旋转时，缺陷迎光面为曲率小的一侧，在板材从180°位置向90°位置旋转时将变成曲率大的一侧为迎光面。迎光面的曲率由小变大将造成光线汇聚或发散增强，缺陷距离远离幕布也会造成光线汇聚或发散增强，使得两因素叠加，造成θ2较θ1大很多。而从0°位置处水平移动板材再旋转板材所得到的θ3，仅与幕布的距离增大，迎光面的曲率与原来保持一致，因此θ3＜θ2。当板材从0°位置向90°位置旋转时，缺陷的迎光面为曲率大的一侧，改为将板材从180°位置向90°位置旋转时曲率小的一侧将变成迎光面，这将使得折射光线在幕布上汇聚或发散的强度变弱，减弱的强度大于幕布距离增大产生的光线汇聚或发散增强时，效果为强度，即θ2＜θ1。这种情况下，从0°位置处水平移动板材再旋转板材所得到的θ3，迎光面的曲率与原来位置一致，仅是幕布的距离增大而产生光线汇聚或发散增强，所以θ3＞θ1＞θ2。缺陷位置处于板材中轴线附近（即L值很小）。由表1可知：当L＝9cm时，这是因为折射光线在幕布上汇聚或分散受距离影响的因素消除，同时有机玻璃板加热后形成的表面凸起或凹陷截面形状规则对称，旋转或平移板材后各位置新的迎光面的曲率与原来相等造成的，是比较理想的情况；当L＝12cm时，θ1依然等于θ3，但有机玻璃板加热后形成的表面凸起或凹陷截面形状不规则对称，使得θ2与θ1和θ3存在差异。因此，当缺陷位于旋转轴较远的位置（L比较大），检测到的θ1与θ2差异也较大，影响到判定产品质量时，可以平移板材而使得光学畸变位于旋转轴附近，再从0°位置和180°位置旋转板材，以消除因缺陷距离幕布的远近而产生的检测误差。检测过程中积累的数据也可以看出，现有标准《YB－2航空有机玻璃》中对于光学畸变检查方法的规定存在一定的不足。
4结论
（1）对实际检测过程中累积的数据进行统计分析，揭示了用点光源消失法检测航空有机玻璃光学畸变存在一定的问题。（2）在不违背现行标准的基础上，提出简单易行的解决方案：在现有检测置物架上加装可水平滑动的装置，检测时将所测板材水平移动，使光学畸变移至置物架旋转轴附近，再分别从0°位置和180°位置旋转板材后，分别读取各位置消失角数据后，取最大值。