光调制自动光测弹性应力的方法和装置

摘要

光调制自动光测弹性应力的方法和装置，属于光测弹性应力技术领域。采用非单色光源以便于作双波长测量，达到可测任意条纹级数值的目的。采用电光调制器以利用其电致双折射特性实现补偿消光。在被测模型前后加有一对旋光器以便得到被测模型相对于正交偏振光场的转动效应。测量过程在微处理机控制下自动进行，测量结果以电信号送微处理机作数据自动处理。本发明提高了光测弹性应力的自动化程度，缩短了测量周期，提高了测量精度。

说明书

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本发明涉及光测弹性力学方法及其测量装置。

在实验应力分析中，光测弹性力学方法被广泛采用。受力透明模型呈光学各向异性，它在正交偏振光场中产生干涉，从而可得到两组干涉条纹。一组条纹叫等倾线，它表征模型上测点的主应力的方位;另一组条纹叫等差线，它表征模型上测点的主应力差。由此可按弹性力学方程计算出测点的正应力和剪应力。这是较早的光弹性仪的基本工作原理。这种光弹性仪的优点是全场测量，测量结果由干涉条纹显示，形象直观;缺点是手动操作多，条纹粗读数不精确，手工计算量大。

美国VISHAY公司於七十年代推出了401型自动光弹仪。该光弹仪与传统的老光弹仪的基本区别是：第一，把全场测量改成逐点测量并把干涉条纹图象输出改为电信号验出。第二，把老光弹仪测量过程中的手工操作自动化，即用一个随动系统使起偏器和检偏器以等角速度同步转动以测量一个主应力（例如σ₁）方向与参考方向的夹角;用另一个随动系统根据上述测得的角驱动检偏器前的>

另一项有关的已有技术是北京大学於1981年研制成功的光学双折射测试仪。图1就是光学双折射测试仪的系统框图。该系统由单色激光光源〔1〕、起偏器〔2〕、检偏器〔3〕、电光调制器〔4〕、光电转换器〔5〕、监示装置〔6〕、电源〔15〕组成，〔7〕是被测模型。

光学双折射测试仪的巧妙之处就在於利用了电光调制器的电致双折射特性。电光调制器是由一类压电晶体构成的光电器件。图2是对着光的传播方向看系统主平面的坐标，O为系统光轴位置，水平轴Ox为检偏方向，垂直轴Oy为起偏方向。把电光调制器安装得使其主平面与系统主平面平行，其光轴与系统光轴重合。如果晶体轴向两端无电压则无双折射产生;如有电压则在晶体主平面内将产生两个电感应轴Ox′和Oy′（见图2），因此一束沿Oy方向偏振入射的偏振光射到晶体表面时，将沿Ox′与Oy′方向分解。由于沿Ox′与Oy′两方向偏振的两束光在晶体内的传播速度不同，所以出射后将产生光程差δ_D，其相应的位相差为φ_D

φ_D＝π>D)/(V_π)>

这里V_D是加在电光调制器两端的直流偏压。V_π是调制器的半波电压，即使晶体产生半个波长的光程差在晶体两端所需施加的直流电压值。若直流偏压V_D上还迭加有一个交流调制电压V₀sin2πft，则偏振光通过调制器后所产生的位相差φ_E为

φ_E＝φ_D+π>0)/(V_π)>

光电转换器〔5〕接收到的光强I为

I＝ (I₀)/2>

这里 φ＝φ_S+φ_E

φ_S是受力模型上待测点的双折射光程差所相应的位相差。令

φ′＝φ_S+φ_D＝φ_S+π>D)/(V_π)>

K＝π>0)/(V_π)

则    φ＝φ′+Ksin2πft＝φ′+Ksinωt

利用贝塞尔级数，（2）式可写成

I= (I₀)/2>0)/2>0(K)+

+2J₂(K)cos2ωt+2J₄(K)cos4ωt+…]

+2sinφ′[J₁(K)sinωt+J₃(K)sin3ωt+…]}

由上式可见当

φ′＝2lπ或（2l+l）π    l＝0，±1，±2…

则光强表达式中的所有奇次谐波不出现，如果忽略四次以上的谐波，则光强表达式中只留下二次谐波项。这时光电转换器输出的电信号在示波器上将显示调制波的倍频信号。上述情形可以由图3来表示。图3中曲线〔31〕是由式（2）决定的光强曲线。曲线〔32〕与〔33〕是相应于φ′＝0时的调制电压波形与光强曲线。曲线〔34〕与〔35〕是相应于φ′＝π时的情形。φ′＝0时直流光强最小，光电转换器输出信号在示波器上显示倍频波形，这种情况叫做消光补偿。φ′＝π时直流光强达到最大，光电转换器输出信号在示波器上也显示倍频波形，不过与φ′＝0时的倍频波形相位差180°，且幅度较小，这种情况叫做非消光补偿。当然也可用索列尔补偿器来标定示波器上出现的倍频信号究竟是不是表示消光补偿。

由于曲线〔31〕的周期性等因素，经分析可知，为了求得模型上被测点的光程差，我们只能利用φ′＝0的情形，即所谓消光补偿的情形。由φ′＝0得到被测点的光程差为

δ_S＝- (λ)/2 （>D)/(V_π)>D｜＜V_π）>

上式中的负号表示模型测点的光程差与调制器的光程差互相抵销。

（4）式写成绝对值形式为

｜δ_S｜＝>D｜)/(V_π)>D｜＜V_π）>

可见测量范围小於半个波长。

利用光学双折射测试仪作测量，第一步令V_D＝0，转动模型使测点主应力σ₁、σ₂的方向与起偏方向和检偏方向平行时，示波器上就会显示出调制频率的倍频信号，这时的转动角度就表示主应力方向与偏振方向的方位角。第二步使模型从上述位置反转45°，使σ₁、σ₂的方向与电光调制器的ox′、oy′轴重合，调节V_D使示波器上再次出现消光补偿时的倍频信号为上。则模型上测点因应力而产生的双折射光程差由（5）式决定。

光学双折射测试仪的缺点是不能确切判断主应力的方向;其测量范围仅限于半个波长。此外测量过程中模型相对于偏振光场的转动仍然靠手工操作。

本发明的任务是要克服光学双折射测试仪的缺点，使之发展成为一种自动光弹仪。具体目标是：

1.测量过程中模型相对于正交偏振光场的转动能自动进行。

2.光程差测量范围扩大到多个波长，即被测条纹级数n可以大於一。

3.能测出测点主应力σ₁与σ₂的确切方向。主应力方向设用α来表示，规定α是最大主应力σ₁与检偏方向（x轴方向）的夹角。

4.所测量α、n以电信号形式输出以便于计算机作数据处理。

本发明与光学双折射测试仪在光路上的主要区别在於光源采用非单色光源;被测模型前后各有一个旋光器;检偏器后光路分成两个支路。图4是本发明的系统框图。图4中，〔1〕是非单色光源，可采用非单色激光器或其它可见光源。〔2〕是起偏器。〔3〕是检偏器。〔4〕是电光调制器。〔5-1〕与〔5-2〕是光电转换器。〔6〕是监示装置。〔21〕是一个选择开关。〔7〕是被测模型。〔8〕和〔9〕是旋光器，它可以是电磁式的或机电式的旋光器，其作用是使光的偏振方向转动。要求旋光器〔8〕与〔9〕的旋光角度大小相等而方向相反，其效果等价於模型在系统中的转动。〔10〕是半反射镜。〔11〕是全反射镜。〔12〕〔13〕是干涉滤波片，〔12〕允许波长为λ₁的光通过，〔13〕允许波长为λ₂的光通过。〔14〕是旋光角度的控制和检测装置。〔15〕是电光调制器的电源装置。〔20〕是微处理机，它通过〔14〕控制和检测旋光角度;通过〔15〕控制和检测加于电光调制器上的直流偏压;通过〔6〕识别系统所处的状态。

下面给出用双波长测量光程差的方法。选择适当的两个波长λ₁与λ₂，为叙述方便不妨假设λ₁＜λ₂。由应力-光学定律可知

n₁＝k₁（n₁-n₂）>

或>2＝>1-1)/(k₁)>1（7）

这里n₁是测点光程差用λ₁测得的干涉条纹级数。n₂是测点光程差用λ₂测出的干涉条纹级数。k₁是与所用波长和模型材料有关的常数。

由分析可知，用双波长测量法可测干涉条纹级数的最大值是

将条纹级数写成整数部分与分数部分和的形式：

n₁＝N₁+ε₁0≤ε₁＜1

n₂＝N₂+ε₂0≤ε₂＜1

在n₁≤n_1max，n₂≤n_2max的条件下有且仅有下列两种情形：

1.N₁-N₂＝0

这时 ε₁＞ε₂n₁＝k₁（ε₁-ε₂）

2.N₁-N₂＝1

这时 ε₁＜ε₂n₁＝k₁（1+ε₁-ε₂）

常数k₁认为是已知的。所以由上式可见，测点条纹级数的测量归结为分数条纹级数ε₁、ε₂的测量。以前已指出用单波长不能测量大于0.5的条纹级数。但只要按下面指出的步骤对用λ₁与λ₂分别作单波长测量所得结果ε₁′（ε₁′＜0.5）与ε₂′（ε₂′＜0.5）进行综合。就可以确定分数条纹级数ε₁与ε₂，也就可确定n₁与n₂。可举例说明如下：

设k₁＝5。又设按具体情况定出测量范围（即条纹级数）

n₁，n₂＜3。用λ₁测得ε₁′＝>D｜)/(V_π)>

再用λ₂作一次测量，若测得ε₂′＝>D｜)/(V_π)>2′＝0.36最相近，据此可知ε₂＝0.36，ε₁＝0.7，n₂＝1.36，n₁＝1.7。

如果用λ₂测得ε₂′＝0.16，则与表1中的两项对应，那么究竟取n₁＝2.3，n₂＝1.84还是取n₁＝2.7，n₂＝2.16呢？遇到这种情况，有两种方法来判断：（1）如果标定好ε＜0.5时>D为负（相应地ε＞0.5时V_D为正），则看看用λ₂测得ε₂′＝0.16时V_D的极性，若为负，则就可肯定

ε₂＝ε₂′＝0.16＜0.5，于是由表1可知应取n₂＝2.16

n₁＝2.7。（2）可根据应力连续性原则由邻近点的测量结果来判定。这些任务都可以用计算机软件完成。

现在转到讨论如何测定主应力方向的问题。从对着光的传播方向看，设系统主平面的坐标方向以图2表示：水平轴ox为检偏方向，垂直轴oy为起偏方向，电光调制器的电感应轴为ox′与oy′。ox′与oy′哪个是快轴，哪个是慢轴，可以由偏置电压V_D的极性来标定。设V_D为

负时ox′是慢轴。关于主应力σ₁与σ₂的快慢轴，我们不妨约定以σ₁方向为慢轴。

一般来说σ₁的方位有图5所示四种情况。按弹性力学规定，这四种情况下σ₁与ox轴的夹角α定义如表2。

表2

可根据三个条件来决定α角。设用波长为λ的光来测量。第一个条件是旋光器〔8〕的旋光方向是顺时针方向还是逆时针方向。更确切地说所述旋光方向是当V_D＝0旋光器〔8〕使来自起偏器的偏振光偏振方向旋转β角使得σ₁、σ₂与ox、oy平行时（以示波器显示倍频信号为标誌）旋光器〔8〕的旋光方向。第二个条件是测点的分数条纹级数ε＜0.5还是ε＞0.5。第三个条件是当测量条纹级数时为达到消光补偿而给电光调制器加的偏压V_D的极性。具体判别由表3所示。

表3

实施例1

图6是根据本发明所构成的一个实施例。图6中，〔1-1〕为100W或150W球形汞灯。〔1-2〕是聚光系统。〔1-4〕是准直系统。〔1-3〕和〔1-5〕是孔径为0.2mm至0.5mm的小孔光栏。〔2〕是起偏器。〔3〕是检偏器。〔4〕是电光调制器。〔5-1〕〔5-2〕是光电转换器。〔6-1〕是放大器。〔6-2〕是相干滤波器。〔6-3〕是相敏检波器。〔6-4〕是比较器，它用来识别每一测量步骤是否完成。〔7〕是被测模型。〔8〕〔9〕是法拉第旋光器，其结构特点下面再详细讨论。〔10〕是半反射镜。〔11〕是全反射镜。〔12〕是干涉滤波片，它允许波长为λ₁的光通过。〔13〕也是干涉滤波片，它允许波长为λ₂的光通过。〔14〕是可控直流稳压电源，其输出电流的大小和方向由微处理机〔20〕通过D/A变换器〔16〕来控制，达到控制旋光方向和旋光角度β的目的。〔17〕是A/D变换器，它把旋光方向和旋光角度的大小送入微处理机。〔15〕是电光调制器的电源，其输出电压中的直流成份V_D的大小和极性由微处理机通过D/A变换器〔18〕来控制。〔19〕是A/D变换器，它把V_D的大小和极性等信息送入微处理机。〔21〕是一个开关，用来选择测量时所用的波长。

本实施例中的旋光器采用一对法拉第旋光器，如图7所示。根据法拉第磁光效应，若电路如图7那样连接，则如果〔8〕使光的偏振方向顺时针旋转β角，则〔9〕使光的偏振方向逆时针旋转β角。旋转方向随电源极性的改变而改变，转角β的大小由流过线圈的电流大小决定。图8是法拉第旋光器的结构示意图。图8中，〔81〕是线圈架、〔82〕是线包、〔83〕是旋光介质，例如铈玻璃棒。〔84〕是循环水入口，〔85〕是循环水出口。实验表明，线圈在通以1.9安培电流15秒后，旋光介质温度就上升5℃。这就严重影响旋光效应。为了减小温升，保证系统的测角精度，我们采用了循环水冷却措施，使得旋光器连续工作八小时其温度变化小于±2℃。

本电光调制自动光弹仪测量过程由微处理机控制，测量结果直接送微处理机作数据处理并可由终端显示、打印和绘图等输出形式。

本系统指标：

检测灵敏度    精度

方位角    0.05°    ±2°

条纹    0.001λ    ±0.02条

测试实例与结果对比

图9是一对径受压园盘。对O-O截面上的σ_x、σ_y和τ_xy通过有限元计算求解和用本系统实测，结果绘制成图10、图11和图12，图中实线为理论解，虚线为实测结果。图10是σ_x曲线图，图11是σ_y曲线图，图12是τ_xy曲线图。对比可见，本系统测量结果与理论解吻合甚好。

补正    85100284

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