專利名稱：：測定主應(yīng)力方向的光載波-相位移法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是一種測定光彈性主應(yīng)力方向的方法。光彈性主應(yīng)力方向的精確測定，是長期以來人們普遍關(guān)注的一個難題。美國Vishay公司研制的401系列，在逐點(diǎn)測定主應(yīng)力方向時有漂移現(xiàn)象。北京大學(xué)張遠(yuǎn)鵬等人提出的利用光電調(diào)制原理的測定方法，有較高的靈敏度，但只能用于逐點(diǎn)測試，不能用于全場測試，應(yīng)用上有局限性。偏光顯微鏡價格昂貴，使用不便，推廣受到限制。本發(fā)明的目的是提供一種既可適用于逐點(diǎn)測試，又可適用于全場測試的精確、方便地測定主應(yīng)力方向的方法。本發(fā)明提出的方法，是把被測模型置于圓偏振光場中，經(jīng)圖象光載波器調(diào)制，轉(zhuǎn)動光載波器，根據(jù)載波后條紋圖象位置或光強(qiáng)的變化，測得主應(yīng)力方向。其中所用的圖象光載波器是一個圓錐體形的光學(xué)器件，材料采用人工石英或環(huán)氧樹脂。從原理來說，圓錐體的母線與底面的夾角的大小不限，但在實(shí)際使用時，為便于精確測定載波條紋的位置變化和光強(qiáng)，該角取8°～12°之間較好，圓錐體的底面直徑大小與被測模型的大小有關(guān)，一般在40～100mm之間較為適用。在圓錐體的底部可以有一個與底面直徑一致的同樣材質(zhì)的薄形圓柱體，一般該圓柱體高度小于5mm。圖1為載波器側(cè)面圖，圖2為其正面圖。本發(fā)明方法可用于逐點(diǎn)法測定主應(yīng)力方向，也可用于全場法測定主應(yīng)力方向。本方法中光彈性條紋經(jīng)載波后形成可調(diào)制的條紋，這些條紋隨光載波器的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生相位變化，在逐點(diǎn)法中表現(xiàn)為同心圓條紋的擴(kuò)大或縮小，在全場法中表現(xiàn)為其灰度值的變化，由此測得主應(yīng)力方向，具體步驟如下1、在逐點(diǎn)法中，將被測模型M置于圓偏振光場中，如圖3所示，其中La為光源，這里采用激光點(diǎn)光源，P為偏振器，Q為1/4λ玻片，Sp為擴(kuò)束器，L1為聚光線，L2為成像透鏡，C為圖象光載波器，A為分析器，R為同心圓載波條紋，其中，實(shí)線(Ri)為初始狀態(tài)時的載波條紋，其鄰近的虛線(Ri)表示當(dāng)載波器C轉(zhuǎn)動一個角度后的載波條紋的新的位置，△r表示載波器C轉(zhuǎn)動前后，載波條紋半徑的變化量，它是模型上主應(yīng)力方向的函數(shù)，其關(guān)系式如下△r＝a+b·cosψ式中a和b是與模型M和載波器C的相位差有關(guān)的可測物力量，ψ是模型M上被測點(diǎn)的主應(yīng)力方向(即主應(yīng)力σ1或σ2與載波器C的主軸的夾角)，繞中心軸轉(zhuǎn)動載波器C或模型M，當(dāng)△r產(chǎn)生極值時，ψ就被唯一確定ψ＝cos-1((max△r-a)/b)。2、在全場法中，光場如圖4所示，光源采用平行白光，其他標(biāo)號說明同圖3。載波后的光強(qiáng)I和模型上點(diǎn)(x，y)的主應(yīng)力方向ψ滿足如下關(guān)系式I(x，y)＝sin2((α+β)/2)cos2ψ+sin2((α-β)/2)sin2ψ式中α，β分別為模型M和載波器C在相應(yīng)點(diǎn)的相位值，是平面上點(diǎn)(x，y)的函數(shù)，ψ表示該點(diǎn)的主方向，記載波器初始狀態(tài)時的I的測量值為I0，繞中心軸轉(zhuǎn)動載波器θ角度，記此時的I測量值為Iθ，逆時針轉(zhuǎn)動時，θ為正值，順時針轉(zhuǎn)動時θ為負(fù)值?，F(xiàn)把載波器C繞中心軸按逆時針方向轉(zhuǎn)動45°，載波器的主方向與模型上被測點(diǎn)的主方向夾角變?yōu)?ψ+45)，此時，測得光強(qiáng)I45，它滿足如下關(guān)系式I45＝sin2((α+β)/2)cos2(ψ+45)+sin2((α-β)/2)sin2(ψ+45)把載波器再逆時針轉(zhuǎn)動45(相對初始狀態(tài)，轉(zhuǎn)動了90)。此時，測得光強(qiáng)I，它滿足如下關(guān)系式I90＝sin2((α+β)/2)cos2(ψ+90)+sin2((α-β)/2)sin2(ψ+90)經(jīng)過代數(shù)運(yùn)算，得到tg2ψ＝(I0+I90-2I45)/(I0-I90)從而得ψ＝1/2·tg-1((I0+I90-2I45)/(I0-I90)]。這樣通過測量三次光強(qiáng)變化，就可得到每點(diǎn)的主應(yīng)力方向，而光強(qiáng)變化是很容易測量的，如用攝象機(jī)、光電管等。如果將光載波器逆時針方向轉(zhuǎn)動30°和90°，也能獲得模型的主應(yīng)力方向表達(dá)式ψ＝1/2·tg-1((3I0+I90-4I30)/(3]]>(I0-I90)))。如果把載波器C按順時針方向轉(zhuǎn)動45°和90°，測得I-45和I-90，這時，模型的主應(yīng)力方向?yàn)棣祝?/2·tg-1((I0+I-90-2I-45)/(I-90-I0)).上述確定主應(yīng)力方向的方法是全場的。如果不轉(zhuǎn)動載波器C，轉(zhuǎn)動模型M也是可行的，但轉(zhuǎn)動載波器比較方便，特別是模型不是凍結(jié)的，而是實(shí)時加載的情況下尤為方便。逐點(diǎn)法是全場法的特殊情況，因此，全場法的測定方法同樣適用于逐點(diǎn)測定主應(yīng)力方向。本發(fā)明將圖象光載波和相位移動技術(shù)相結(jié)合，可方便、快速、精確地測定光彈性主應(yīng)力方向，而且設(shè)備簡單，成本低廉，配合計算機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動檢測。本方法可用于二維、三維光彈性分析或貼片法等。本發(fā)明方法的使用例用全場法測量對徑受壓圓盤上某點(diǎn)的主應(yīng)力方向，測得I0＝116，I45＝119，I90＝114，解得ψ＝28.15，該點(diǎn)用偏光顯微鏡測得ψ＝28。用全場法測量某一光彈凍結(jié)片的截面，在截面上一共等間距取了6點(diǎn)進(jìn)行測量，其結(jié)果與偏光顯微鏡所測結(jié)果比較見下表測點(diǎn)號碼123456本發(fā)明方法測試結(jié)果22.51717.7714.513.30偏光顯微鏡測試結(jié)果20191815110</table></tables>圖1為圖象光載波器的側(cè)面圖。圖2為圖象光載波器的正面圖。圖3為逐點(diǎn)法測量主應(yīng)力方向的光路圖。圖4為全場法測量主應(yīng)力方向的光路圖。權(quán)利要求1.一種測定光彈性主應(yīng)力方向的方法，把被測模型置于圓偏振光場中，經(jīng)光載波器調(diào)制，根據(jù)載波條紋的變化或光強(qiáng)的變化，測得主應(yīng)力方向，其特征在于所說的光載波器是一個人造石英(或環(huán)氧樹脂)圓錐體形光學(xué)器件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定主應(yīng)力方向的方法，其特征在于圓錐體光載波器的母線與底面的夾角在8°～12°之間，底面直徑在40～100mm之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測定主應(yīng)力方向的方法，其特征在于在逐點(diǎn)法中載波條紋圓半徑的變化△r與模型上主應(yīng)力方向ψ滿足如下關(guān)系式△r＝a+b·cosψ式中a，b為與模型和載波器相位差有關(guān)的可測物理量，ψ為模型上被測點(diǎn)的主應(yīng)力σ1或σ2與載波器主軸的夾角，繞中心軸轉(zhuǎn)動載波器或模型當(dāng)△r達(dá)到極值時，即得主應(yīng)力方向ψ＝cos-1((max△r-a)/b)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測定主應(yīng)力方向的方法，其特征在于在全場法中，光強(qiáng)I(x，y)與模型上點(diǎn)(x，y)的主方向ψ滿足如下關(guān)系式I(x，y)＝sin2[(α+β)/2]cos2ψ+sin2[(α-β)/2]sin2ψ，式中α，β分別為模型和載波器相對應(yīng)點(diǎn)上的相位值，記初始狀態(tài)時測得的I值為I0。載波器繞中心軸轉(zhuǎn)動θ角度時測得的I值為Iθ，則得ψ值如下ψ＝1/2·tg-1[(I0+I90-2I45)/(I0-I90)]，或者ψ＝1/2·tg-1[(3I0+I90-4I30)/(3]]>(I0-I90))]，或者ψ＝1/2·tg-1[(I0+I-30-2I-45)/(I-90-I0)]。全文摘要本發(fā)明是一種根據(jù)圖象光載波和相位移原理測定主應(yīng)力方向的方法。把被測模型置于圓偏振光場中，采用圓錐形圖象光載波器，轉(zhuǎn)動載波器，根據(jù)載波后條紋圖象位置或光強(qiáng)的變化，測得主應(yīng)力方向。本方法具有快速、方便、精確度高的特點(diǎn)，而且設(shè)備簡單，成本低廉。配合計算機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動化檢測。本方法可適用于二維、三維光彈性及帖片法等。文檔編號G02B27/28GK1045177SQ9010091公開日1990年9月5日申請日期1990年2月17日優(yōu)先權(quán)日1990年2月17日發(fā)明者王汝鵬,杜斌申請人:上海城市建設(shè)學(xué)院