激光散斑法测钢制简支梁微小位移.doc

激光散斑法测钢制简支梁微小位移激光散斑干涉方法是近20年来发展起来的一种新的实验应力分析方法。该方法所依据的理论就是相干光相遇时会发生干涉而形成条纹，我们最熟悉的例子是杨氏干涉条纹，而杨氏干涉条纹是由两个点光源发出的波所形成的。例如用相干性很好的激光照射物体漫反射表面，这些表面漫反射光好像无数小的相干点光源所发出的光，它们之间也是相干光，彼此也要发生干涉，但在很多点光源的情况下，干涉不再具有规律性，而是在物体表面前边的空间形成了无数随机分布的亮点和暗点，这就是散斑。因为是激光做光源，所以叫激光散斑。采用成像透镜，将物体表面随机分布的散斑连同物体的象一起用全息底片记录下来，就可得到散斑图。如采用双曝光法散斑照相进行力学量测，就是将物体变形前的散斑图与变形后的散斑图记录在同一张全息底片上，再将这张带有物体变形信息的底片，放在一定的光路系统中，即可将散斑图中贮存的信息提取出来，即是散斑测量。实验目的本实验利用激光散斑法和杨氏干涉的原理来达到测量钢制简支梁在不同集中载荷作用下的微小位移，将实验测量结果与理论计算值进行比较分析。实验原理用激光照射被测物体漫反射表面，形成空间散斑场。使用成像透镜(可用付里叶镜头或制板镜头，也可用普通放大镜)将激光照射物体表面形成的散斑，记录在全息底片上，得到散斑图。即在被测物体变形前和变形后进行两次曝光，将两个散斑场记录在同一张底片上，得到带有物体表面变形信息的双曝光散斑图。将记录了物体位移信息的双曝光散斑图经显影，定影之后，放在一定的光路系统中，便可把散斑图内贮存的变形信息提取出来，即是散斑图分析。本实验对散斑图分析采用逐点分析法 (如图2所示光路)。当用同一底片对物体变形前后的两种状态做二次曝光，在底片上就得到了物体表面在变形前后的二个散斑图像的迭加。考虑物体表面的一个微小的区域，这个小区域里各点的位移大小和方向可以看成是相同的，也就是可以认为在物体变形过程中，这个小区域只发生整体移动，这样的小区域称为准平移区。当物体表面这个准平移区在变形前后的位移为d时，在二次曝光底片散斑图像上对应的那个小区域内，两组散斑就相应地都有一个位移Md，就物体表面这个准平移区内的某一个暗斑在变形前后的两个位置而言，由于照相的感光化学作用，在二次曝光底片它们的对应位移处，就应当是在黑的背景上两个透光的小孔，此底片再受到激光照射时，两个透光小孔就和物理光学里典型的双孔衍射实验中“双孔”的作用相似，即在二次曝光的散斑底片上任一准平移区内，都随机分布了具有相同方向和相同距离的许多对“双孔”，只是在不同的准平移区内，随机分布的“双孔”具有不同的方向和距离。这些“双孔”显然带有被测物体表面各处位移的信息。当用一细激光束垂直照射二次曝光散斑底片上某处时，与杨氏双孔衍射一样，在底片后边的屏幕上看到的是在一个衍射晕内的等间距平行线，称杨氏条纹图，如图4在示。杨氏条纹的方向与被照处的位移方向垂直，条纹的间距与物体表面上对应处的位移有如下关系：物体表面位移（mm）； 杨氏条纹干涉(mm)； =S衍射晕直径，(mm)；n衍射晕内散斑条纹数；激光波长散斑图到屏幕间距离像的放大倍数；这种逐点分析的方法，可以把被测物体表而上所测量的任意一点的位移大小和方向测出来。本实验对钢制简支梁进行位移测量，试件为一小钢条，试验时将钢条两端简支模拟钢制简支梁，对梁中心线上某点未受载荷时先曝一次光，然后在梁中点处（距固定端55mm处）加 3kg向下的集中载荷，梁受载荷作用产生向下挠曲变形，这时对梁上述某点再曝光一次，即得到梁某点散斑图，将此散斑图放在逐点分析的光路系统中，便可测出梁该点的位移值。实验设备和仪器氦氖激光器，计时器，标距仪，分光镜，40倍扩束镜，全息干板，观察屏，米尺，直尺，磁铁载物台，自制小铁钩，1kg砝码3块，铁丝，手电筒，暗室设施。实验试件小钢条：材料为牌号Q235A级的低碳钢，E=212GPa，G=82.3GPa，=0.288。实验操作与步骤1、 试件准备测定试样原始横截面积。本次实验采用圆形试样，应在标距的两端及中间三处取三个截面，每一个截面在相互垂直的方向上各测一次直径，每个截面取其算术平均值，得到试样的横截面的直径。将试样在标距仪上打标记，每10mm一个标记。材料标距L(mm)直径(mm)平均直径（mm）截面1截面2截面312平均12平均12平均低碳钢11010.110.110.110.29.8109.8109.9102、 理论值计算根据试样的形状、尺寸和预计材料的力学性质计算在载荷作用点的位移。3、 安装试样将试样安放在载物台上固定，调整载物台高度，使高度与激光器的高度相当。4、 按照光路图摆放仪器摆放顺序为：氦氖激光器扩束镜钢制简支梁凸透镜全息干板。钢制简支梁上被测点（试样中点）、凸透镜光心、全息干板形心三点尽可能在一条直线上，记为直线AB，激光器管轴线与AB间的夹角应在30至45之间。凸透镜到梁上被测点的距离应与到全息干板的距离相等。调节各仪器间距离，使被测点在全息干板上的像最清晰，实际操作中可先用废旧的全息干板来辅助调节，待正式暴光时再换上新的全息干板。5、 暴光将仪器、试样摆放调节完毕后，关闭实验室内所有光源使实验室成为暗室（激光器除外）。用厚板将激光器的光线挡住，然后换上新的全息干板。打开记时器并同时移开厚板，将全息干板暴光30秒。暴光完毕后，用厚板将激光器的光线挡住，同时对测点加载3kg的载荷，待试样加载稳定后移开厚板再对全息干板暴光35秒。6、 冲洗全息干板显影停显定影（2分钟以上）。7、 分析按照图2所示光路，调节氦氖激光器照射散斑底片，对所得的散斑底片进行照射，在观察屏得到各测点的杨氏条纹图，用直尺分别测出它们的衍射晕直径S，并记下它们的衍射晕内散斑条纹数n；8、 将所得数据代入（物体表面位移（mm）； 杨氏条纹干涉(mm)； =S衍射晕直径，(mm)；n衍射晕内散斑条纹数；激光波长,0.6328m散斑图到屏幕间距离,7.054m像的放大倍数,40倍； 9、 理论值计算D= L=0.11m E=212GPaD= =11.75m=11.75m10、数值整理与比较将实验所得数据按照实验原理公式进行分析计算，得出结果与理论值进行比较，得出最终结论。实验记录低碳钢试件实验结果测点距固定端距离(mm)55.0衍射晕直径S(mm)93.0散斑条纹数(n)10散斑条纹间距(mm)9.3像的放大倍数(M)40激光散斑测得位移(m)12.00理论计算位移值(m)11.75误差分析相对误差：M=2.13%简支梁是理想模型，实际安装试样时，两端无法达到完全铰支状态。在对试样加载时，支座会发生微小变形，对实验结果造成影响。结论激光散斑法具有一般光学计量的精度及非接触式测量的特点，光路和测量装置简单，只需要较小功率的激光器;能精确测量表面上任意一点位移大小和方向。因此该方法有广阔的应用前景。本实验通过激光散斑法测定模拟简支梁的试样在集中载荷作用下的微小位移，测量精度可观，可操作性强。我们小组在3次失败后才最终完成本实验任务。实验中，我们克服了试样安装、仪器选择、实验操作等问题，在实验过程中还发现并修正了设计中的许多漏洞，比如原始方案中我们选择