工程實(shí)驗(yàn)力學(xué)第12章-云紋干涉法課件

1、工程實(shí)驗(yàn)力學(xué)第12章云紋干涉法12.1概述12.2云紋干涉法的基本原理12.3云紋干涉法的實(shí)驗(yàn)技術(shù)12.4云紋干涉法在斷裂測(cè)試方面的應(yīng)用12.5云紋干涉法發(fā)展前景12.1概述由D.Post于1979年提出的云紋干涉法(Moir Interferometry)是在經(jīng)典云紋法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種光測(cè)力學(xué)新方法。由于它是一種基于光干涉的方法，因此有很高的靈敏度，可達(dá)到波長(zhǎng)量級(jí)的測(cè)試靈敏度，因此很適合應(yīng)用于新材料和細(xì)觀力學(xué)的研究。它繼承了經(jīng)典云紋法的簡(jiǎn)易性、全場(chǎng)性、實(shí)時(shí)性、條紋定域在表面及不受試件材料限制等優(yōu)點(diǎn)，加之測(cè)量靈敏度高(可達(dá)0.25m)，條紋反差好，因而越來(lái)越受到實(shí)驗(yàn)力學(xué)工作者的重視。同時(shí)，

2、云紋干涉法綜合了經(jīng)典云紋法和全息干涉的概念和技術(shù)。盡管它的條紋形成機(jī)理和經(jīng)典云紋的形成機(jī)理不同，但它們?cè)谝欢ǖ臄?shù)學(xué)公式解釋下可以統(tǒng)一起來(lái)。所以說(shuō)云紋干涉法和經(jīng)典云紋法均是同一個(gè)家族中的成員。云紋干涉法主要用于面內(nèi)位移的測(cè)量，它可以給出透明及不透明物體的全場(chǎng)的位移信息，也可以用于應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量。12.2云紋干涉法的基本原理12.2.1雙光束干涉12.2.2光柵及其衍射方程12.2.3云紋干涉條紋的形成原理12.2.1雙光束干涉圖12-1雙光束干涉12.2.1雙光束干涉圖12-2兩列相干光波干涉時(shí)條紋間隔與方向及波長(zhǎng)的關(guān)系12.2.2光柵及其衍射方程圖12-3光柵12.2.2光柵及其衍射方程圖12-

3、4光柵衍射級(jí)次與入射方向的關(guān)系12.2.3云紋干涉條紋的形成原理12.2.3云紋干涉條紋的形成原理圖12-5云紋干涉法測(cè)面內(nèi)位移原理圖圖12-6對(duì)徑受壓圓盤云紋干涉條紋圖a)u場(chǎng)條紋圖b)v場(chǎng)條紋圖12.2.3云紋干涉條紋的形成原理12.3云紋干涉法的實(shí)驗(yàn)技術(shù)12.3.1光學(xué)系統(tǒng)12.3.2試件柵的制作12.3.3初始條紋的消除載波法12.3.4測(cè)取應(yīng)變分量的機(jī)械錯(cuò)位及光學(xué)錯(cuò)位方法12.3.1光學(xué)系統(tǒng)1.試件柵頻率與虛光柵頻率相等2.試件柵頻率等于虛光柵頻率的1/23.其他的虛光柵系統(tǒng)1.試件柵頻率與虛光柵頻率相等圖12-7試件柵和虛光柵柵距相等時(shí)云紋干涉法的基本光路a)非對(duì)稱入射b)對(duì)稱入射

4、1激光器2全反鏡3半反鏡4空間濾波器5透鏡6試件7照相機(jī)2.試件柵頻率等于虛光柵頻率的1/2圖12-8可同時(shí)得到u、v方向位移的云紋干涉光路3.其他的虛光柵系統(tǒng)圖12-9所示是其他的可產(chǎn)生雙光束干涉的系統(tǒng)，它們的共同特點(diǎn)是一束光入射，利用光柵或棱鏡等分光元件形成虛光柵。12.3.2試件柵的制作1.光柵復(fù)制法2.直接制柵法3.試件柵頻率的測(cè)定頻率的測(cè)定1.光柵復(fù)制法圖12-9其他的虛光柵系統(tǒng)1.光柵復(fù)制法圖12-10光柵復(fù)制法2.直接制柵法直接制柵方法是把感光介質(zhì)涂在試件表面，在試件表面上制全息光柵。它的制柵光路可以是圖12-7圖12-9中所示的任一個(gè)。試件表面所涂的感光介質(zhì)可以是全息乳劑和光刻

5、膠，感光之后經(jīng)過(guò)顯影定影處理，就完成了試件柵的制備，這種方法周期短、成本低。還有其他方法直接制柵，如把全息軟片貼在試件表面上，經(jīng)加載前后兩次曝光，把無(wú)畸變的柵和隨物體變形而畸變的柵記錄在軟片上，然后把軟片從試件上剝離，經(jīng)顯影定影，干涉云紋即在其上清晰可見(jiàn)，如圖12-10所示。3.試件柵頻率的測(cè)定頻率的測(cè)定1)在高倍顯微鏡下觀測(cè)。2)用一般物理實(shí)驗(yàn)室所具備的分光儀來(lái)測(cè)量某一光譜的衍射角，然后利用光柵方程計(jì)算光柵常數(shù)。12.3.3初始條紋的消除載波法圖12-11高通光學(xué)濾波光路12.3.4測(cè)取應(yīng)變分量的機(jī)械錯(cuò)位及光學(xué)錯(cuò)位方法圖12-12機(jī)械錯(cuò)位法的位移導(dǎo)數(shù)12.3.4測(cè)取應(yīng)變分量的機(jī)械錯(cuò)位及光學(xué)錯(cuò)

6、位方法圖12-13光學(xué)錯(cuò)位法得到的與/y和/x有關(guān)的條紋圖a)三點(diǎn)彎曲梁b)u場(chǎng)的云紋干涉條紋c)v場(chǎng)的云紋干涉條紋d)與/y有關(guān)的光學(xué)錯(cuò)位條紋e)與/x有關(guān)的光學(xué)錯(cuò)位條紋12.4云紋干涉法在斷裂測(cè)試方面的應(yīng)用12.4.1SIF測(cè)試技術(shù)12.4.2裂紋張開(kāi)位移(COD)的測(cè)定12.4.1SIF測(cè)試技術(shù)圖12-14通過(guò)裂紋尖端位移場(chǎng)求應(yīng)力強(qiáng)度因子a)中心穿透裂紋單向拉伸板v場(chǎng)條紋圖b)裂紋尖端坐標(biāo)系12.4.2裂紋張開(kāi)位移(COD)的測(cè)定圖12-15裂紋尖端張開(kāi)位移的測(cè)試12.5云紋干涉法發(fā)展前景云紋干涉法是一個(gè)全場(chǎng)位移的光學(xué)方法，可用于透明及不透明物體面內(nèi)位移測(cè)量。它也可以測(cè)取物體的應(yīng)變場(chǎng)。它的靈敏度一般為0.4171.04m，即每級(jí)條紋代表0.4171.0m的位移量。靈敏度的最高限已有人做到0.25m，實(shí)際上我們還可以分辨判定1/5級(jí)條紋，那么對(duì)于條紋圖的分析，我們可以用內(nèi)插法來(lái)很容易地確定0.08m的位移量。由于云紋干涉法的全場(chǎng)性、實(shí)時(shí)性、非接觸性等特點(diǎn)，