專利名稱:光調(diào)制自動光測彈性應(yīng)力的方法和裝置的制作方法
本發(fā)明涉及光測彈性力學(xué)方法及其測量裝置。
在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中，光測彈性力學(xué)方法被廣泛采用。受力透明模型呈光學(xué)各向異性，它在正交偏振光場中產(chǎn)生干涉，從而可得到兩組干涉條紋。一組條紋叫等傾線，它表征模型上測點(diǎn)的主應(yīng)力的方位;另一組條紋叫等差線，它表征模型上測點(diǎn)的主應(yīng)力差。由此可按彈性力學(xué)方程計(jì)算出測點(diǎn)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。這是較早的光彈性儀的基本工作原理。這種光彈性儀的優(yōu)點(diǎn)是全場測量，測量結(jié)果由干涉條紋顯示，形象直觀;缺點(diǎn)是手動操作多，條紋粗讀數(shù)不精確，手工計(jì)算量大。
美國VISHAY公司於七十年代推出了401型自動光彈儀。該光彈儀與傳統(tǒng)的老光彈儀的基本區(qū)別是第一，把全場測量改成逐點(diǎn)測量并把干涉條紋圖象輸出改為電信號驗(yàn)出。第二，把老光彈儀測量過程中的手工操作自動化，即用一個隨動系統(tǒng)使起偏器和檢偏器以等角速度同步轉(zhuǎn)動以測量一個主應(yīng)力(例如σ1)方向與參考方向的夾角;用另一個隨動系統(tǒng)根據(jù)上述測得的角驅(qū)動檢偏器前的 1/4 波片轉(zhuǎn)動，使其快軸與上述主應(yīng)力方向成45°角(即TARDY法排列)，這樣可以測出主應(yīng)力的差。第三，起偏器后與檢偏器前的兩個 1/4 波片是做成環(huán)狀的。這樣近軸光不經(jīng) 1/4 波片而用來測量主應(yīng)力的方位角，遠(yuǎn)軸光經(jīng)過 1/4 波片用來測量主應(yīng)力之差。美國401型自動光彈儀雖然使測量過程中的手動操作自動化了，但仍有許多不足之處。首先它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積龐大。第二由于偏光系統(tǒng)在測量過程中不停轉(zhuǎn)動，調(diào)整好的系統(tǒng)光路各元件的相對位置易遭破壞，嚴(yán)重影響測量精度。第三不能判別所測角究竟是哪個主應(yīng)力與參考方向的夾角。該光彈儀尚不能與計(jì)算機(jī)連接作數(shù)據(jù)自動處理。
另一項(xiàng)有關(guān)的已有技術(shù)是北京大學(xué)於1981年研制成功的光學(xué)雙折射測試儀。圖1就是光學(xué)雙折射測試儀的系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)由單色激光光源〔1〕、起偏器〔2〕、檢偏器〔3〕、電光調(diào)制器〔4〕、光電轉(zhuǎn)換器〔5〕、監(jiān)示裝置〔6〕、電源〔15〕組成，〔7〕是被測模型。
光學(xué)雙折射測試儀的巧妙之處就在於利用了電光調(diào)制器的電致雙折射特性。電光調(diào)制器是由一類壓電晶體構(gòu)成的光電器件。圖2是對著光的傳播方向看系統(tǒng)主平面的坐標(biāo)，O為系統(tǒng)光軸位置，水平軸Ox為檢偏方向，垂直軸Oy為起偏方向。把電光調(diào)制器安裝得使其主平面與系統(tǒng)主平面平行，其光軸與系統(tǒng)光軸重合。如果晶體軸向兩端無電壓則無雙折射產(chǎn)生;如有電壓則在晶體主平面內(nèi)將產(chǎn)生兩個電感應(yīng)軸Ox′和Oy′(見圖2)，因此一束沿Oy方向偏振入射的偏振光射到晶體表面時，將沿Ox′與Oy′方向分解。由于沿Ox′與Oy′兩方向偏振的兩束光在晶體內(nèi)的傳播速度不同，所以出射后將產(chǎn)生光程差δD，其相應(yīng)的位相差為φDφD＝π (VD)/(Vπ) (1)這里VD是加在電光調(diào)制器兩端的直流偏壓。Vπ是調(diào)制器的半波電壓，即使晶體產(chǎn)生半個波長的光程差在晶體兩端所需施加的直流電壓值。若直流偏壓VD上還迭加有一個交流調(diào)制電壓V0sin2πft，則偏振光通過調(diào)制器后所產(chǎn)生的位相差φE為
φE＝φD+π (V0)/(Vπ) sin2πft光電轉(zhuǎn)換器〔5〕接收到的光強(qiáng)I為I＝ (I0)/2 (1-cosφ) (2)這里 φ＝φS+φEφS是受力模型上待測點(diǎn)的雙折射光程差所相應(yīng)的位相差。令φ′＝φS+φD＝φS+π (VD)/(Vπ) (3)K＝π (V0)/(Vπ)則 φ＝φ′+Ksin2πft＝φ′+Ksinωt利用貝塞爾級數(shù)，(2)式可寫成I= (I0)/2 (1-cosφ)= (I0)/2 {1-cosφ′[J0(K)++2J2(K)cos2ωt+2J4(K)cos4ωt+…]+2sinφ′[J1(K)sinωt+J3(K)sin3ωt+…]}由上式可見當(dāng)φ′＝2lπ或(2l+l)π l＝0，±1，±2…則光強(qiáng)表達(dá)式中的所有奇次諧波不出現(xiàn)，如果忽略四次以上的諧波，則光強(qiáng)表達(dá)式中只留下二次諧波項(xiàng)。這時光電轉(zhuǎn)換器輸出的電信號在示波器上將顯示調(diào)制波的倍頻信號。上述情形可以由圖3來表示。圖3中曲線〔31〕是由式(2)決定的光強(qiáng)曲線。曲線〔32〕與〔33〕是相應(yīng)于φ′＝0時的調(diào)制電壓波形與光強(qiáng)曲線。曲線〔34〕與〔35〕是相應(yīng)于φ′＝π時的情形。φ′＝0時直流光強(qiáng)最小，光電轉(zhuǎn)換器輸出信號在示波器上顯示倍頻波形，這種情況叫做消光補(bǔ)償。φ′＝π時直流光強(qiáng)達(dá)到最大，光電轉(zhuǎn)換器輸出信號在示波器上也顯示倍頻波形，不過與φ′＝0時的倍頻波形相位差180°，且幅度較小，這種情況叫做非消光補(bǔ)償。當(dāng)然也可用索列爾補(bǔ)償器來標(biāo)定示波器上出現(xiàn)的倍頻信號究竟是不是表示消光補(bǔ)償。
由于曲線〔31〕的周期性等因素，經(jīng)分析可知，為了求得模型上被測點(diǎn)的光程差，我們只能利用φ′＝0的情形，即所謂消光補(bǔ)償?shù)那樾?。由φ′?得到被測點(diǎn)的光程差為δS＝- (λ)/2 ( (VD)/(Vπ) )(｜VD｜＜Vπ) (4)上式中的負(fù)號表示模型測點(diǎn)的光程差與調(diào)制器的光程差互相抵銷。
(4)式寫成絕對值形式為｜δS｜＝ (λ)/2 (｜VD｜)/(Vπ) (｜VD｜＜Vπ) (5)可見測量范圍小於半個波長。
利用光學(xué)雙折射測試儀作測量，第一步令VD＝0，轉(zhuǎn)動模型使測點(diǎn)主應(yīng)力σ1、σ2的方向與起偏方向和檢偏方向平行時，示波器上就會顯示出調(diào)制頻率的倍頻信號，這時的轉(zhuǎn)動角度就表示主應(yīng)力方向與偏振方向的方位角。第二步使模型從上述位置反轉(zhuǎn)45°，使σ1、σ2的方向與電光調(diào)制器的ox′、oy′軸重合，調(diào)節(jié)VD使示波器上再次出現(xiàn)消光補(bǔ)償時的倍頻信號為上。則模型上測點(diǎn)因應(yīng)力而產(chǎn)生的雙折射光程差由(5)式?jīng)Q定。
光學(xué)雙折射測試儀的缺點(diǎn)是不能確切判斷主應(yīng)力的方向;其測量范圍僅限于半個波長。此外測量過程中模型相對于偏振光場的轉(zhuǎn)動仍然靠手工操作。
本發(fā)明的任務(wù)是要克服光學(xué)雙折射測試儀的缺點(diǎn)，使之發(fā)展成為一種自動光彈儀。具體目標(biāo)是1.測量過程中模型相對于正交偏振光場的轉(zhuǎn)動能自動進(jìn)行。
2.光程差測量范圍擴(kuò)大到多個波長，即被測條紋級數(shù)n可以大於一。
3.能測出測點(diǎn)主應(yīng)力σ1與σ2的確切方向。主應(yīng)力方向設(shè)用α來表示，規(guī)定α是最大主應(yīng)力σ1與檢偏方向(x軸方向)的夾角。
4.所測量α、n以電信號形式輸出以便于計(jì)算機(jī)作數(shù)據(jù)處理。
本發(fā)明與光學(xué)雙折射測試儀在光路上的主要區(qū)別在於光源采用非單色光源;被測模型前后各有一個旋光器;檢偏器后光路分成兩個支路。圖4是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。圖4中，〔1〕是非單色光源，可采用非單色激光器或其它可見光源?！?〕是起偏器?！?〕是檢偏器?！?〕是電光調(diào)制器?！?-1〕與〔5-2〕是光電轉(zhuǎn)換器?！?〕是監(jiān)示裝置?！?1〕是一個選擇開關(guān)?！?〕是被測模型?！?〕和〔9〕是旋光器，它可以是電磁式的或機(jī)電式的旋光器，其作用是使光的偏振方向轉(zhuǎn)動。要求旋光器〔8〕與〔9〕的旋光角度大小相等而方向相反，其效果等價於模型在系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動。〔10〕是半反射鏡?！?1〕是全反射鏡?！?2〕〔13〕是干涉濾波片，〔12〕允許波長為λ1的光通過，〔13〕允許波長為λ2的光通過?！?4〕是旋光角度的控制和檢測裝置?！?5〕是電光調(diào)制器的電源裝置?！?0〕是微處理機(jī)，它通過〔14〕控制和檢測旋光角度;通過〔15〕控制和檢測加于電光調(diào)制器上的直流偏壓;通過〔6〕識別系統(tǒng)所處的狀態(tài)。
下面給出用雙波長測量光程差的方法。選擇適當(dāng)?shù)膬蓚€波長λ1與λ2，為敘述方便不妨假設(shè)λ1＜λ2。由應(yīng)力-光學(xué)定律可知n1＝k1(n1-n2) (6)或 n2＝ (k1-1)/(k1) n1(7)這里n1是測點(diǎn)光程差用λ1測得的干涉條紋級數(shù)。n2是測點(diǎn)光程差用λ2測出的干涉條紋級數(shù)。k1是與所用波長和模型材料有關(guān)的常數(shù)。
由分析可知，用雙波長測量法可測干涉條紋級數(shù)的最大值是n1m a x=λ2λ2- λ1]]>n2m a x=λ1λ2- λ1]]>將條紋級數(shù)寫成整數(shù)部分與分?jǐn)?shù)部分和的形式n1＝N1+ε10≤ε1＜1n2＝N2+ε20≤ε2＜1在n1≤n1max，n2≤n2max的條件下有且僅有下列兩種情形1.N1-N2＝0這時 ε1＞ε2n1＝k1(ε1-ε2)2.N1-N2＝1這時 ε1＜ε2n1＝k1(1+ε1-ε2)
常數(shù)k1認(rèn)為是已知的。所以由上式可見，測點(diǎn)條紋級數(shù)的測量歸結(jié)為分?jǐn)?shù)條紋級數(shù)ε1、ε2的測量。以前已指出用單波長不能測量大于0.5的條紋級數(shù)。但只要按下面指出的步驟對用λ1與λ2分別作單波長測量所得結(jié)果ε1′(ε1′＜0.5)與ε2′(ε2′＜0.5)進(jìn)行綜合。就可以確定分?jǐn)?shù)條紋級數(shù)ε1與ε2，也就可確定n1與n2?？膳e例說明如下設(shè)k1＝5。又設(shè)按具體情況定出測量范圍(即條紋級數(shù))n1，n2＜3。用λ1測得ε1′＝ 1/2 (｜VD｜)/(Vπ) ＝0.3，于是就可列出表1。
再用λ2作一次測量，若測得ε2′＝ 1/2 (｜VD｜)/(Vπ) ＝0.35，這與表1中的ε2′＝0.36最相近，據(jù)此可知ε2＝0.36，ε1＝0.7，n2＝1.36，n1＝1.7。
如果用λ2測得ε2′＝0.16，則與表1中的兩項(xiàng)對應(yīng)，那么究竟取n1＝2.3，n2＝1.84還是取n1＝2.7，n2＝2.16呢？遇到這種情況，有兩種方法來判斷(1)如果標(biāo)定好ε＜0.5時 VD為負(fù)(相應(yīng)地ε＞0.5時VD為正)，則看看用λ2測得ε2′＝0.16時VD的極性，若為負(fù)，則就可肯定ε2＝ε2′＝0.16＜0.5，于是由表1可知應(yīng)取n2＝2.16n1＝2.7。(2)可根據(jù)應(yīng)力連續(xù)性原則由鄰近點(diǎn)的測量結(jié)果來判定。這些任務(wù)都可以用計(jì)算機(jī)軟件完成。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到討論如何測定主應(yīng)力方向的問題。從對著光的傳播方向看，設(shè)系統(tǒng)主平面的坐標(biāo)方向以圖2表示水平軸ox為檢偏方向，垂直軸oy為起偏方向，電光調(diào)制器的電感應(yīng)軸為ox′與oy′。ox′與oy′哪個是快軸，哪個是慢軸，可以由偏置電壓VD的極性來標(biāo)定。設(shè)VD為
負(fù)時ox′是慢軸。關(guān)于主應(yīng)力σ1與σ2的快慢軸，我們不妨約定以σ1方向?yàn)槁S。
一般來說σ1的方位有圖5所示四種情況。按彈性力學(xué)規(guī)定，這四種情況下σ1與ox軸的夾角α定義如表2。
表2
可根據(jù)三個條件來決定α角。設(shè)用波長為λ的光來測量。第一個條件是旋光器〔8〕的旋光方向是順時針方向還是逆時針方向。更確切地說所述旋光方向是當(dāng)VD＝0旋光器〔8〕使來自起偏器的偏振光偏振方向旋轉(zhuǎn)β角使得σ1、σ2與ox、oy平行時(以示波器顯示倍頻信號為標(biāo)誌)旋光器〔8〕的旋光方向。第二個條件是測點(diǎn)的分?jǐn)?shù)條紋級數(shù)ε＜0.5還是ε＞0.5。第三個條件是當(dāng)測量條紋級數(shù)時為達(dá)到消光補(bǔ)償而給電光調(diào)制器加的偏壓VD的極性。具體判別由表3所示。
表3
實(shí)施例1圖6是根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)成的一個實(shí)施例。圖6中，〔1-1〕為100W或150W球形汞燈?！?-2〕是聚光系統(tǒng)?！?-4〕是準(zhǔn)直系統(tǒng)?！?-3〕和〔1-5〕是孔徑為0.2mm至0.5mm的小孔光欄。〔2〕是起偏器?！?〕是檢偏器?！?〕是電光調(diào)制器?！?-1〕〔5-2〕是光電轉(zhuǎn)換器?！?-1〕是放大器?！?-2〕是相干濾波器?！?-3〕是相敏檢波器?！?-4〕是比較器，它用來識別每一測量步驟是否完成?！?〕是被測模型?！?〕〔9〕是法拉第旋光器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)下面再詳細(xì)討論?！?0〕是半反射鏡。〔11〕是全反射鏡。〔12〕是干涉濾波片，它允許波長為λ1的光通過?！?3〕也是干涉濾波片，它允許波長為λ2的光通過?！?4〕是可控直流穩(wěn)壓電源，其輸出電流的大小和方向由微處理機(jī)〔20〕通過D/A變換器〔16〕來控制，達(dá)到控制旋光方向和旋光角度β的目的?！?7〕是A/D變換器，它把旋光方向和旋光角度的大小送入微處理機(jī)?！?5〕是電光調(diào)制器的電源，其輸出電壓中的直流成份VD的大小和極性由微處理機(jī)通過D/A變換器〔18〕來控制?！?9〕是A/D變換器，它把VD的大小和極性等信息送入微處理機(jī)。〔21〕是一個開關(guān)，用來選擇測量時所用的波長。
本實(shí)施例中的旋光器采用一對法拉第旋光器，如圖7所示。根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)，若電路如圖7那樣連接，則如果〔8〕使光的偏振方向順時針旋轉(zhuǎn)β角，則〔9〕使光的偏振方向逆時針旋轉(zhuǎn)β角。旋轉(zhuǎn)方向隨電源極性的改變而改變，轉(zhuǎn)角β的大小由流過線圈的電流大小決定。圖8是法拉第旋光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8中，〔81〕是線圈架、〔82〕是線包、〔83〕是旋光介質(zhì)，例如鈰玻璃棒?！?4〕是循環(huán)水入口，〔85〕是循環(huán)水出口。實(shí)驗(yàn)表明，線圈在通以1.9安培電流15秒后，旋光介質(zhì)溫度就上升5℃。這就嚴(yán)重影響旋光效應(yīng)。為了減小溫升，保證系統(tǒng)的測角精度，我們采用了循環(huán)水冷卻措施，使得旋光器連續(xù)工作八小時其溫度變化小于±2℃。
本電光調(diào)制自動光彈儀測量過程由微處理機(jī)控制，測量結(jié)果直接送微處理機(jī)作數(shù)據(jù)處理并可由終端顯示、打印和繪圖等輸出形式。
本系統(tǒng)指標(biāo)檢測靈敏度 精度方位角 0.05° ±2°條紋 0.001λ ±0.02條測試實(shí)例與結(jié)果對比圖9是一對徑受壓園盤。對O-O截面上的σx、σy和τxy通過有限元計(jì)算求解和用本系統(tǒng)實(shí)測，結(jié)果繪制成圖10、圖11和圖12，圖中實(shí)線為理論解，虛線為實(shí)測結(jié)果。圖10是σx曲線圖，圖11是σy曲線圖，圖12是τxy曲線圖。對比可見，本系統(tǒng)測量結(jié)果與理論解吻合甚好。
補(bǔ)正 85100284文件名稱 頁 行 補(bǔ)正前 補(bǔ)正后說明書 6 10 最大值是 最大值小于說明書 6 16 n1≤n1maxn1＜n1maxn2≤n2maxn2＜n2max
權(quán)利要求
1.一種光測彈性應(yīng)力的方法，將被測模型置於正交偏振光場中，在電光調(diào)制器無電致雙折射補(bǔ)償?shù)那闆r下，轉(zhuǎn)動模型一個角度使檢偏后的光強(qiáng)最小(非補(bǔ)償消光態(tài))，此角即表示主應(yīng)力的方位。然后使模型反轉(zhuǎn)45°，在電光調(diào)制器的電致雙折射補(bǔ)償?shù)那闆r下使檢偏后的光強(qiáng)最小(補(bǔ)償消光態(tài))，則電致雙折射光程差就等於應(yīng)力雙折射光程差，由此求得主應(yīng)力差；本方法的特征在于用旋光法代替測量過程中模型的轉(zhuǎn)動，起偏器的入射光采用非單色光，檢偏后的光分成波長為λ1與λ2的兩束光以便測量被測點(diǎn)的條紋級數(shù)和主應(yīng)力的確切方向。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于所述的旋光法是利用電磁旋光效應(yīng)使被測模型前的偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)一個角度，同時使模型后的偏振光的偏振方向向相反的方向旋轉(zhuǎn)同樣的角度。
3.如權(quán)利要求
1、2所述的測量方法，其特征在于被測點(diǎn)的條紋級數(shù)是用雙波長測量法按下列步驟綜合而得(1)以λ1光在補(bǔ)償消光態(tài)測得電光調(diào)制器上所加直流偏壓VD，計(jì)算ε1′＝ 1/2 (｜VD｜)/(Vπ) ，由ε1′列出測點(diǎn)的相對於λ1的條紋級數(shù)n1的所有可能值。(2)由n1的所有可能值通過公式n2＝ (k1-1)/(k1) n1算出測點(diǎn)的相對於λ2的條紋級數(shù)n2的所有可能值;n2的分?jǐn)?shù)部分ε2的可能值也就得到。(3)由ε2的可能值列出相應(yīng)的ε2′的可能值，而
當(dāng)ε2＜0.5當(dāng)ε2＞0.5(4)以λ2光在補(bǔ)償消光態(tài)測得電光調(diào)制器上所加的直流偏壓VD，計(jì)算ε2′＝ 1/2 (｜VD｜)/(Vπ) 。以這里測得的ε2′為準(zhǔn)，在第(3)步中的ε2′的一切可能值中尋找相同者，於是便可確定n1與n2。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1、2所述的測量方法，其特征在于主應(yīng)力的確切方向是由以下三個條件定出(1)使系統(tǒng)達(dá)到非補(bǔ)償消光態(tài)模型前的旋光角度(大小和方向);(2)測點(diǎn)分?jǐn)?shù)條紋級數(shù)是否小於0.5;(3)補(bǔ)償消光態(tài)時VD的極性。
5.一種由光源〔1〕、起偏器〔2〕、檢偏器〔3〕、電光調(diào)制器〔4〕、光電轉(zhuǎn)換器〔5〕、監(jiān)示器〔6〕和電光調(diào)制器電源〔15〕組成的用於測量彈性應(yīng)力的裝置;其特征在于光源〔1〕為非單色光源，在被測模型前后有一對旋光器〔8〕和〔9〕，檢偏器〔3〕后光路分為兩路，一路由半反鏡〔10〕、干涉濾波片〔12〕、光電轉(zhuǎn)換器〔5-1〕組成，另一路由全反鏡〔11〕、干涉濾波片〔13〕、光電轉(zhuǎn)換器〔5-2〕組成，還有開關(guān)〔21〕，旋光器的可控直流電源〔14〕，電光調(diào)制器的可控電源〔15〕。
6.如權(quán)利要求
5所述的裝置，其特征在于旋光器〔8〕、〔9〕是一對法拉弟旋光器，在可控直流電源〔14〕驅(qū)動下，它們使光的偏振方向以相反的方向旋轉(zhuǎn)相等的角度;法拉弟旋光器具有循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求
5、6所述的裝置具特征在于光源〔1〕采用100W或150W球形汞燈。
8.如權(quán)利要求
5、6、7所述的裝置其特征在于有微處理機(jī)〔20〕(見圖4)，微處理機(jī)通過直流可控電源〔14〕控制并檢測旋光器的旋光角度，通過可控電源〔15〕控制并檢測電光調(diào)制器上的直流偏壓，通過監(jiān)示器〔6〕識別系統(tǒng)的狀態(tài)。
專利摘要
光調(diào)制自動光測彈性應(yīng)力的方法和裝置，屬于光測彈性應(yīng)力技術(shù)領(lǐng)域：
。采用非單色光源以便于作雙波長測量，達(dá)到可測任意條紋級數(shù)值的目的。采用電光調(diào)制器以利用其電致雙折射特性實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償消光。在被測模型前后加有一對旋光器以便得到被測模型相對于正交偏振光場的轉(zhuǎn)動效應(yīng)。測量過程在微處理機(jī)控制下自動進(jìn)行，測量結(jié)果以電信號送微處理機(jī)作數(shù)據(jù)自動處理。本發(fā)明提高了光測彈性應(yīng)力的自動化程度，縮短了測量周期，提高了測量精度。
文檔編號G01L1/24GK85100284SQ85100284
公開日1985年9月10日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者張遠(yuǎn)鵬, 王楚, 張合義, 朱美棟, 施來榮, 陸燕仲, 武潤璽, 柴玉明 申請人:北京大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan