光调制自动光测弹性应力的方法和装置制造方法及图纸

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．本发明专利技术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．（*该技术在2005年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术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 1/4 波片转动，使其快轴与上述主应力方向成45°角(即TARDY法排列)，这样可以测出主应力的差。第三，起偏器后与检偏器前的两个 1/4 波片是做成环状的。这样近轴光不经 1/4 波片而用来测量主应力的方位角，远轴光经过 1/4 波片用来测量主应力之差。美国401型自动光弹仪虽然使测量过程中的手动操作自动化了，但仍有许多不足之处。首先它的结构复杂体积庞大。第二由于偏光系统在测量过程中不停转动，调整好的系统光路各元件的相对位置易遭破坏，严重影响测量精度。第三不能判别所测角究竟是哪个主应力与参考方向的夹角。该光弹仪尚不能与计算机连接作数据自动处理。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δD，其相应的位相差为φDφD＝π (VD)/(Vπ) (1)这里VD是加在电光调制器两端的直流偏压。Vπ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VD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φE为φE＝φD+π (V0)/(Vπ) sin2πft光电转换器〔5〕接收到的光强I为I＝ (I0)/2 (1-cosφ) (2)这里 φ＝φS+φEφS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′＝φS+φD＝φS+π (VD)/(Vπ) (3)K＝π (V0)/(Vπ)则 φ＝φ′+Ksin2πft＝φ′+Ksinωt利用贝塞尔级数，(2)式可写成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δS＝- (λ)/2 ( (VD)/(Vπ) )(｜VD｜＜Vπ) (4)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｜δS｜＝ (λ)/2 (｜VD｜)/(Vπ) (｜VD｜＜Vπ) (5)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VD＝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VD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。本专利技术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。本专利技术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是本专利技术的系统框图。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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光测弹性应力的方法，将被测模型置於正交偏振光场中，在电光调制器无电致双折射补偿的情况下，转动模型一个角度使检偏后的光强最小（非补偿消光态），此角即表示主应力的方位，然后使模型反转４５°，在电光调制器的电致双折射补偿的情况下使检偏后的光强最小（补偿消光态），则电致双折射光程差就等於应力双折射光程差，由此求得主应力差；本方法的特征在于用旋光法代替测量过程中模型的转动，起偏器的入射光采用非单色光，检偏后的光分成波长为λ↓［１］与λ↓［２］的两束光以便测量被测点的条纹级数和主应力的确切方向。

【技术特征摘要】
1.一种光测弹性应力的方法，将被测模型置於正交偏振光场中，在电光调制器无电致双折射补偿的情况下，转动模型一个角度使检偏后的光强最小(非补偿消光态)，此角即表示主应力的方位。然后使模型反转45°，在电光调制器的电致双折射补偿的情况下使检偏后的光强最小(补偿消光态)，则电致双折射光程差就等於应力双折射光程差，由此求得主应力差；本方法的特征在于用旋光法代替测量过程中模型的转动，起偏器的入射光采用非单色光，检偏后的光分成波长为λ1与λ2的两束光以便测量被测点的条纹级数和主应力的确切方向。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的旋光法是利用电磁旋光效应使被测模型前的偏振光的偏振方向旋转一个角度，同时使模型后的偏振光的偏振方向向相反的方向旋转同样的角度。3.如权利要求1、2所述的测量方法，其特征在于被测点的条纹级数是用双波长测量法按下列步骤综合而得(1)以λ1光在补偿消光态测得电光调制器上所加直流偏压VD，计算ε1′＝ 1/2 (｜VD｜)/(Vπ) ，由ε1′列出测点的相对於λ1的条纹级数n1的所有可能值。(2)由n1的所有可能值通过公式n2＝ (k1-1)/(k1) n1算出测点的相对於λ2的条纹级数n2的所有可能值;n2的分数部分ε2的可能值也就得到。(3)由ε2的可能值列出相应的ε2′的可能值，而当ε2＜0.5当ε2＞0.5(4)以λ2光在补偿消光态测得电光调制器上所加的直流偏压VD，计算ε2′＝ 1/2 (｜VD｜)/(Vπ) 。以这里测...

【专利技术属性】
技术研发人员：张远鹏，王楚，张合义，朱美栋，施来荣，陆燕仲，武润玺，柴玉明，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]