云紋干涉測試技術(shù)ppt課件

1、云紋干涉測試技術(shù)一、云紋干涉法的定義及開展：一、云紋干涉法的定義及開展：八十年代初自八十年代初自1979 Post D 1979 Post D 最早提出興起的一種具最早提出興起的一種具有非接觸丈量、可進(jìn)展全場、實(shí)時進(jìn)展位移分析的高靈有非接觸丈量、可進(jìn)展全場、實(shí)時進(jìn)展位移分析的高靈敏度大量程的光學(xué)丈量方法。敏度大量程的光學(xué)丈量方法。開創(chuàng)人開創(chuàng)人Post D Post D 開場以傳統(tǒng)的幾何云紋為根底去解釋云開場以傳統(tǒng)的幾何云紋為根底去解釋云紋法，并沒能真正提示其物理本質(zhì)，并妨礙了其進(jìn)一步紋法，并沒能真正提示其物理本質(zhì)，并妨礙了其進(jìn)一步開展；開展；由于該方法是以被測試件外表高靈敏度云紋光柵作為變由于

2、該方法是以被測試件外表高靈敏度云紋光柵作為變形傳感器，因此，高質(zhì)量的云紋光柵的制造和復(fù)制成為形傳感器，因此，高質(zhì)量的云紋光柵的制造和復(fù)制成為影響該技術(shù)運(yùn)用的關(guān)鍵；影響該技術(shù)運(yùn)用的關(guān)鍵；近年來，嚴(yán)厲的實(shí)際根底的建立、制造已日益成熟，使近年來，嚴(yán)厲的實(shí)際根底的建立、制造已日益成熟，使得該技術(shù)已勝利被運(yùn)用于資料、力學(xué)等研討領(lǐng)域，特別得該技術(shù)已勝利被運(yùn)用于資料、力學(xué)等研討領(lǐng)域，特別是運(yùn)用于近代力學(xué)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確丈量中。是運(yùn)用于近代力學(xué)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確丈量中。 目前，通常運(yùn)用頻率為目前，通常運(yùn)用頻率為60060024002400線線/mm/mm的高密度的高密度光柵，其丈量位移靈敏度比傳統(tǒng)的丈量方法提高至幾十、光柵

3、，其丈量位移靈敏度比傳統(tǒng)的丈量方法提高至幾十、甚至上百倍。甚至上百倍。云紋干涉法在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和運(yùn)用方面迅速開展使得：云紋干涉法在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和運(yùn)用方面迅速開展使得： - -由對面內(nèi)位移的丈量推行到丈量離面位移由對面內(nèi)位移的丈量推行到丈量離面位移, ,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維位移場進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維位移場同時丈量同時丈量; ; 已實(shí)現(xiàn)直接丈量三維位移場的導(dǎo)數(shù)場和變形板的曲率場已實(shí)現(xiàn)直接丈量三維位移場的導(dǎo)數(shù)場和變形板的曲率場; ; 經(jīng)過汞燈加濾波等方法可使白光云紋干涉法得以實(shí)現(xiàn)經(jīng)過汞燈加濾波等方法可使白光云紋干涉法得以實(shí)現(xiàn), , 放松了云放松了云紋干涉法對光源的苛刻要求。紋干涉法對光源的苛刻要求。 其關(guān)鍵技術(shù)制柵程度的不

4、斷提高其關(guān)鍵技術(shù)制柵程度的不斷提高, ,如高溫暖零厚度高頻光柵相繼如高溫暖零厚度高頻光柵相繼出現(xiàn)出現(xiàn), ,使云紋干涉法的運(yùn)用范圍日益擴(kuò)展；使云紋干涉法的運(yùn)用范圍日益擴(kuò)展； 云紋干涉法對應(yīng)的丈量靈敏度的實(shí)際上限為云紋干涉法對應(yīng)的丈量靈敏度的實(shí)際上限為/ 2 / 2 的條紋位移的條紋位移, ,可見云紋干涉法是一種高精度丈量方法；可見云紋干涉法是一種高精度丈量方法； 最近已被運(yùn)用研討微電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)最近已被運(yùn)用研討微電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)MEMSMEMS內(nèi)外表位移內(nèi)外表位移的丈量中；的丈量中； In Inplane displacement: plane displacement: 面內(nèi)位移面內(nèi)位移 Out O

5、utplane displacement:plane displacement:離面位移離面位移 Moire interferometry: Moire interferometry:云紋干涉丈量法云紋干涉丈量法 MEMS MEMSmicroelectromechanicalsystem:microelectromechanicalsystem:微電機(jī)系統(tǒng)微電機(jī)系統(tǒng)云紋干涉法的定義及開展云紋干涉法的定義及開展 當(dāng)一束單色準(zhǔn)直光入射試件柵外表時,光線將從不同角度以集中能量的方式產(chǎn)生多級衍射波。 由D.Post 首先提出的雙光束對稱云紋干涉法光路的概念： 當(dāng)兩束相關(guān)準(zhǔn)直光A、B以入射角： 對稱入射

6、試件柵時，那么將獲得沿試件外表法線方向傳播光波A的正一級衍射光波A和B的負(fù)一級衍射光波B，且試件未受力時，A和B均為平面光波。二、根本原理二、根本原理arcsin()f Diffraction:衍射 假設(shè)試件受載產(chǎn)生變形,其變形信息就會載入各級衍射波中,試件外表位移的變化一一對應(yīng)著衍射波的位相變化，那么可根據(jù)衍射波干涉條紋外形及變化丈量出試件外表的變形分布及其變化。 當(dāng)對稱入射的兩準(zhǔn)直相關(guān)光A 和B 的入射角為: = arcsin (f ) f ：試件柵的頻率 ：波長 由光柵的衍射方程: sin = mf sin m :衍射波級次m=1,2,.n 可知,它們一級衍射光的衍射角為:1 = 0 ,

7、即其1 級衍射光波A、B均沿試件柵法線方向行進(jìn)。 假設(shè)試件柵非常平整,試件亦未受力,那么兩個正、負(fù)一級衍射波A、B可視為平面波,并分別表示為： A= Ae ia B= Ae ib式中:A 振幅,對于平面波位相a 和b 皆為常數(shù)當(dāng)試件受載發(fā)生變形時,平面波變?yōu)楹屯獗碜冃蜗嚓P(guān)的翹曲波前A和B,可分別表示為:A= Aei a+a( x , y) B= Aei b+b( x , y) 式中a ( x , y) 和b ( x , y) 是由于試件外表位移變化而引起的位相變化。當(dāng)試件外表具有三維位移時,位相變化a ( x ,y) 和b ( x , y) 與x 、z 方向位移u 和w 有關(guān),且由變形幾何分析

8、可知:a ( x , y) =2/ w ( x , y) (1 + cos) + u ( x , y) sinb ( x , y) =2/ w ( x , y) (1 + cos) - u ( x , y) sin 兩束衍射波前經(jīng)過成像系統(tǒng)后在像平面上構(gòu)成干涉條紋的光強(qiáng)分布兩束衍射波前經(jīng)過成像系統(tǒng)后在像平面上構(gòu)成干涉條紋的光強(qiáng)分布可表示為可表示為: : I= ( A+ B) ( A+ B) I= ( A+ B) ( A+ B)* * = 2 (a - b) + a ( x , = 2 (a - b) + a ( x , y) - b ( x , y) y) - b ( x , y) =4 A

9、2cos2 1/2 m +( x , =4 A 2cos2 1/2 m +( x , y) y) m = a m = a b b ( x , y) = a ( x , y) - b ( x , y) ( x , y) = a ( x , y) - b ( x , y) m - m -兩束平面波兩束平面波AA和和BB的初始位相差的初始位相差, ,為一常數(shù)為一常數(shù), , 并可等效于試件平移產(chǎn)生的均勻位相并可等效于試件平移產(chǎn)生的均勻位相; ; ( x , y) ( x , y) 試件變形后兩束翹曲衍射波前的相對位相變化。試件變形后兩束翹曲衍射波前的相對位相變化。 最后求出：最后求出： =4/ u (

10、 x , y) sin =4/ u ( x , y) sin當(dāng)當(dāng)( x , y) = 2 N x- m ( x , y) = 2 N x- m 時時, ,干涉光強(qiáng)最大即是亮條紋干涉光強(qiáng)最大即是亮條紋, ,代入上式中代入上式中得得 u ( x , y) sin =/4(2 N u ( x , y) sin =/4(2 N x - m) x - m) 假設(shè)入射光滿足假設(shè)入射光滿足sin=f ,sin=f ,那么那么: : u ( x , y) =1/4f(2 N x - m) u ( x , y) =1/4f(2 N x - m)式中式中f f 試件柵頻率試件柵頻率; ;因因m m 可等效于剛體平

11、移所產(chǎn)生的均勻位相可等效于剛體平移所產(chǎn)生的均勻位相, ,或理想地設(shè)或理想地設(shè)m = 0 ,m = 0 ,那么那么: : u ( x , y) =N x/2 f u ( x , y) =N x/2 fu ( x , y) u ( x , y) 恣意點(diǎn)恣意點(diǎn)x x 方向位移方向位移; ;N x N x 該點(diǎn)條紋級數(shù)該點(diǎn)條紋級數(shù), ,即干涉條紋是位移沿即干涉條紋是位移沿x x 方向分量方向分量u ( x , y) u ( x , y) 的等值的等值線。線。為了為了Y Y和和Z Z方向的等值線位移場可用四光束云紋干涉方向的等值線位移場可用四光束云紋干涉法法1122xxxNNuxfxfx1122yyyN

12、Nyfyfy1124yxxyNNuyxfyx制柵技術(shù)制柵技術(shù)云紋光柵的制造是云紋干涉法的重要內(nèi)容，它是影響和云紋光柵的制造是云紋干涉法的重要內(nèi)容，它是影響和制約云紋干涉法的推制約云紋干涉法的推 廣運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)。廣運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)。制備方法：制備方法： 機(jī)刻昂貴、本錢高，且光柵頻率受限，已根本不用。機(jī)刻昂貴、本錢高，且光柵頻率受限，已根本不用。 光刻采用激光全息干涉系統(tǒng)和光致抗蝕劑光刻光刻采用激光全息干涉系統(tǒng)和光致抗蝕劑光刻膠。膠。旋轉(zhuǎn)電光源全息光柵制造系統(tǒng)：旋轉(zhuǎn)電光源全息光柵制造系統(tǒng)：根據(jù)全息干涉原理，全息光柵的頻率與雙光束的夾角根據(jù)全息干涉原理，全息光柵的頻率與雙光束的夾角2 和光源的波長和

13、光源的波長 有關(guān)，有關(guān)，2sinf旋轉(zhuǎn)點(diǎn)光源全息光柵制造系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)光源全息光柵制造系統(tǒng)云紋法丈量復(fù)合資料的云紋法丈量復(fù)合資料的U場和場和V場場Fe-TZPFe-TZP構(gòu)造陶瓷典型的加載過程中的構(gòu)造陶瓷典型的加載過程中的u u場分布云圖場分布云圖銅基多晶體外形記憶合金偽彈性研討銅基多晶體外形記憶合金偽彈性研討在垂直界面斷裂力學(xué)問題中的實(shí)驗(yàn)研討在垂直界面斷裂力學(xué)問題中的實(shí)驗(yàn)研討在垂直界面斷裂力學(xué)問題中的實(shí)驗(yàn)研討在垂直界面斷裂力學(xué)問題中的實(shí)驗(yàn)研討云紋測試法在測試高溫資料中的運(yùn)用云紋測試法在測試高溫資料中的運(yùn)用U場、場、100C0、2kNV場、場、100C0、2kNU場、場、350C0、1.4kNV場、場、350C0、1.4kN根據(jù)記錄下的加載載荷，并