云纹法实验-1

《云纹法实验-1》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、云纹干涉法实验云纹干涉法是应用高密度衍射光栅和激光干涉技术进行位移和变形测量的一种现代光测力学实验方法.这种方法具有高灵敏度、全场分析、实时观测、高反差条纹和非接触测量等优点。近年来，已经在材料科学、微电子封装、断裂力学、细观力学、残余应力测量等方面获得了成功的应用。是一种具有发展和应用前景的新的实验力学方法。§1光栅和云纹法光栅是由很多平行、等宽、等间距的狭缝组成的，如图1a所示，为平行光栅。与栅线垂直的方向称为光栅的主方向。两组互相垂直的平行光栅可组成正交光栅，如图1b所示。自然界中的光栅和云纹现

2、象是很常见的。例如梳子和帘子可视为平行光栅，纱窗和丝绸可视为正交光栅。两幅丝绸或纱窗重叠在一齐，对着天空迎着光亮可以看到明暗相间的不规则条纹，这就是云纹条纹，如图2所示。这种云纹条纹反映了两组光栅的相对变形或相对位移的分布情况。中国古代的丝绸传入欧洲，也将云纹现象带进了欧洲。法国人将这种现象称之为Moire’,翻译成中文便是云纹，也有将其音译为莫瑞或莫尔的。图1a平行光栅图1b正交光栅(a)窗纱重叠云纹(b)梳子叠合云纹b图2云纹现象pSpθ如果产生云纹现象的两组光栅中的一组光栅是规整的，可看作是未变

3、形的和静止的标准栅或参考栅，则所获得的云纹条纹分布便代表了另一组光栅的变形。借助这种云纹现象测量物体变形的方法称作云纹法。pp1S图3a平行云纹的形成图3b转角云纹的形成当两组栅距不等、栅线方向相同的光栅重叠时(如图3a所示)所出现的云纹条纹称为平行云纹。这种条纹通常平行于栅线方向，它代表其中的一组光栅的栅距p1相对于另一组参考栅的栅距p发生了变化，即具有垂直于栅线方向的应变和变形。S为两级条纹在水平方向的距离。相邻两级条纹所在位置的水平位移之差为一个栅距p。当两组栅距相同、但栅线有一夹角，即一组光栅

4、相对于另一组参考栅有一转角θ时，所产生的云纹条纹为转角云纹。转角云纹条纹基本上垂直于栅线方向，如图3b所示。在一般情况下，物体的变形既有伸长或缩短，也有转动，即既有线变形也有角变形，同一位置的光栅既有栅距的变化也有栅线的转动,因而一般不便于将平行云纹条纹和转角云纹条纹严格区分开来,而且也无此必要。其实,仔细分析图3a和图3b,平行云纹条纹和转角云纹条纹本质上都是等位移线。每一级条纹所在位置上的各点,沿垂直于栅线方向,即光栅主方向的位移分量都是相等的。以图3b为例,两级条纹所在位置的垂直方向的位移之差都

5、等于栅线节距p。因此,如在待测的试件上粘贴正交光栅作为变形栅,当试件受力变形后,用一组平行栅作为标准的参考栅。分别沿垂直和水平方向与变形栅叠合,便可获得代表试件表面上水平和垂直方向的位移U和V的云纹条纹图。根据两组条纹图的条纹级次和,便可以由下式求得全场位移分布,（1）§2衍射光栅上述云纹法所用光栅其频率通常为每毫米几线至几十线,测量灵敏度很低。为了克服这一困难而发展的云纹干涉法采用的光栅,通常为频率为1200线/mm的衍射光栅,并采用激光衍射和干涉技术实现位移场的高灵敏度测量。一、双缝衍射一束激光垂

6、直投射具有两个很接近的狭缝，如图4a所示，在远方屏幕上会出现明暗相间的干涉条纹，即杨氏条纹。当相邻两狭缝沿某方向发出的光波的光程差为一个波长时，光波得到加强，在屏幕上将出现一级衍射亮条纹。当相差m个波长时，则为N级衍射条纹。根据图4a所示得几何关系，可得到产生m级衍射条纹的条件为（2）当光束以角入射双缝时，由图4b不难得到m级衍射光波的生成条件应为(3)二、光栅衍射方程光栅衍射的机理与狭缝衍射相似，其衍射方程也与双缝的衍射方程相同。但云纹干涉法所用的光栅皆为反射式光栅，其各级衍射光波与入射波皆在光栅的

7、同一侧，如图5所示，其光栅衍射方程的表达式也和（3）式一样，（3）上式也可用光栅频率f(线/mm)来表示,因(4)光栅方程是用来确定光波入射角φ与不同级次光谱衍射角之间的关系的。当衍射光方向与入射光方向处于光栅平面法线方向同一侧时，式中的取正号、反之取负号。入射光法向0级-1级XP=1/f2级1级图5光栅衍射三、全息光栅两束准直的激光束A和B以一定的角度2在空间相交时（图6a），在其相交的重叠区域将产生一个稳定的具有一定空间频率f,栅距为p的空间虚栅，虚栅的频率f与激光波长λ和两束激光的夹角2有关，并

8、由下式决定（3）图6a全息光栅底板曝光图6b位相型光栅全息底板AB2α将涂有感光乳胶的全息干板置于图6a所示的空间虚栅光场中，经曝光后，干板上将记录下频率为f的平行等距干涉条纹。经过显影以后的底板,将形成图6b所示的波浪形表面，这个波浪形表面便构成了频率为f的位相型全息光栅，将这块光栅作为模板，便可用它在试件上复制相同频率的位相型试件栅。云纹干涉法采用的光栅频率f通常为1200线/mm，也有采用600和2400线/mm的.通过使全息干板转动90O进行两次