云纹干涉测试技术

1、云纹干涉测试技术一、云纹干涉法的定义及发展一、云纹干涉法的定义及发展：八十年代初（自八十年代初（自1979 Post D 最早提出）兴起的一种具有最早提出）兴起的一种具有非接触测量非接触测量、可进行可进行全场、时实全场、时实进行进行位移分析位移分析的的高灵敏度大量程高灵敏度大量程的光学测量方的光学测量方法。法。创始人创始人Post D Post D 开始以传统的几何云纹为基础去解释云纹法，并没开始以传统的几何云纹为基础去解释云纹法，并没能真正揭示其物理本质，并阻碍了其进一步发展；能真正揭示其物理本质，并阻碍了其进一步发展；由于该方法是以被测试件表面高灵敏度云纹光栅作为变形传感器，由于该方法是以

2、被测试件表面高灵敏度云纹光栅作为变形传感器，因此，高质量的云纹光栅的制作和复制成为影响该技术应用的关因此，高质量的云纹光栅的制作和复制成为影响该技术应用的关键；键；近年来，严格的理论基础的建立、制作已日益成熟，使得该技术已近年来，严格的理论基础的建立、制作已日益成熟，使得该技术已成功被应用于材料、力学等研究领域，特别是应用于近代力学实成功被应用于材料、力学等研究领域，特别是应用于近代力学实验的精确测量中。验的精确测量中。 目前，通常使用频率为目前，通常使用频率为60060024002400线线/mm/mm的高密度光栅，其测的高密度光栅，其测量位移灵敏度比传统的测量方法提高至几十、甚至上百倍。量

3、位移灵敏度比传统的测量方法提高至几十、甚至上百倍。云纹干涉法在实验技术和应用方面迅速发展使得：云纹干涉法在实验技术和应用方面迅速发展使得： - -由由对面内位移对面内位移的测量推广到测量的测量推广到测量离面位移离面位移,进而实现进而实现三维位移场三维位移场同时测量同时测量; 已实现直接测量三维位移场的导数场和变形板的曲率场已实现直接测量三维位移场的导数场和变形板的曲率场; 通过汞灯加滤波等方法可使通过汞灯加滤波等方法可使白光云纹干涉法白光云纹干涉法得以实现得以实现, 放松了云放松了云纹干涉法纹干涉法 对光源的苛刻要求。对光源的苛刻要求。 其关键技术制栅水平的不断提高其关键技术制栅水平的不断提高

4、,如高温和零厚度高频光栅相继如高温和零厚度高频光栅相继出现出现,使云纹干涉法的应用范围日益扩大；使云纹干涉法的应用范围日益扩大； 云纹干涉法对应的测量灵敏度的云纹干涉法对应的测量灵敏度的理论上限为理论上限为/ 2 的条纹位移的条纹位移,可可见云纹干涉法是一种高精度测量方法见云纹干涉法是一种高精度测量方法； 最近已被应用研究微电机机械系统（最近已被应用研究微电机机械系统（MEMS）内表面位移）内表面位移的测量中；的测量中； Inplane displacement: 面内位移面内位移 Outplane displacement:离面位移离面位移 Moire interferometry:云纹干涉

5、测量法云纹干涉测量法 MEMSmicroelectromechanicalsystem:微电机系统微电机系统云纹干涉法的定义及发展云纹干涉法的定义及发展 当一束单色准直光入射试件栅表面时当一束单色准直光入射试件栅表面时,光线将从不同角度以集中光线将从不同角度以集中能量的形式产生多级衍射波能量的形式产生多级衍射波。 由由D.Post 首先提出的双光束对称云纹干涉法光路的概念：首先提出的双光束对称云纹干涉法光路的概念： 当两束相干准直光当两束相干准直光A A、B B以入射角：以入射角： 对称入射试件栅时，则将获得沿试件表面法线方向传播光波对称入射试件栅时，则将获得沿试件表面法线方向传播光波A A的

6、的正正一级一级衍射光波衍射光波AA和和B B的的负一级负一级衍射光波衍射光波BB，且试件，且试件未受力未受力时，时，AA和和BB均为均为平面光波平面光波。二、基本原理二、基本原理arcsin()f Diffraction:Diffraction:衍射衍射 如果试件受载产生变形如果试件受载产生变形,其变形信息就会载入各级衍射波中其变形信息就会载入各级衍射波中,试件表面试件表面位移的变化一一对应着衍射波的位相变化，则可根据位移的变化一一对应着衍射波的位相变化，则可根据衍射波干涉条纹形衍射波干涉条纹形状及变化测量出试件表面的变形分布及其变化状及变化测量出试件表面的变形分布及其变化。 当对称入射的两准

7、直相干光当对称入射的两准直相干光A 和和B 的入射角的入射角为为: = arcsin (f ) f ：试件栅的频率：试件栅的频率 ：波长：波长 由光栅的衍射方程由光栅的衍射方程: : sin = mf sin m m : :衍射波级次（衍射波级次（m=1,2,.nm=1,2,.n） 可知可知,它们一级衍射光的衍射角为它们一级衍射光的衍射角为:1 = 0 ,即其即其1 级衍射光波级衍射光波A、B均沿试件栅法线方向行进。均沿试件栅法线方向行进。 如果试件栅非常平整如果试件栅非常平整,试件亦未受力试件亦未受力,则两个正、负一级衍射波则两个正、负一级衍射波A、B可视为平面波可视为平面波,并分别表示为：

8、并分别表示为： A= Ae ia B= Ae ibb式中式中: :A 振幅振幅,对于平面波位相对于平面波位相a 和和b 皆为常数皆为常数当试件受载发生变形时当试件受载发生变形时,平面波平面波变为和表面变形相关的变为和表面变形相关的翘曲波前翘曲波前A和和B,可分别表示为可分别表示为:A= Aei a+a( x , y) B= Aei b+b( x , y) 式中式中a ( x , y) 和和b ( x , y) 是由于试件表面位移变化而引起的是由于试件表面位移变化而引起的位相变化。位相变化。当试件表面具有三维位移时当试件表面具有三维位移时,位相变化位相变化a ( x ,y) 和和b ( x ,

9、y) 与与x 、z 方向位移方向位移u 和和w 有关有关,且由变形几何分析可知且由变形几何分析可知: :a ( x , y) =2/ / w ( x , y) (1 + cos) + u ( x , y) sinb ( x , y) =2/ / w ( x , y) (1 + cos) - u ( x , y) sin 两束衍射波前经过成像系统后在像平面上形成干涉条纹的两束衍射波前经过成像系统后在像平面上形成干涉条纹的光强分布光强分布可表示为可表示为: I= ( A+ B) ( A+ B)* = 2 (a - b) + a ( x , y) - b ( x , y) =4 A 2cos2 1/

10、2 m +( x , y) m = a b ( x , y) = a ( x , y) - b ( x , y) m -两束平面波两束平面波A和和B的的初始位相差初始位相差,为一为一常数常数, 并可等效于试件平移产生的均匀位相并可等效于试件平移产生的均匀位相; ( x , y) 试件试件变形后变形后两束翘曲衍射波前的两束翘曲衍射波前的相对位相变化相对位相变化。 最后求出：最后求出： =4/ / u ( x , y) sin当当( x , y) = 2 N x- m 时时,干涉光强最大即是亮条纹干涉光强最大即是亮条纹, ,代入上式中代入上式中得得 u ( x , y) sin =/4(2 N x

11、 - m) 若入射光满足若入射光满足sin=f ,则则: u ( x , y) =1/4f(2 N x - m)式中式中f 试件栅频率试件栅频率;因因m 可等效于刚体平移所产生的均匀位相可等效于刚体平移所产生的均匀位相,或理想地设或理想地设m = 0 ,则则: u ( x , y) =N x/2 fu ( x , y) 任意点任意点x 方向位移方向位移;N x 该点条纹级数该点条纹级数,即即干涉条纹干涉条纹是是位移沿位移沿x 方向分量方向分量u ( x , y) 的等值线。的等值线。为了为了Y Y和和Z Z方向的等值线（位移场）可用四光束云纹干涉方向的等值线（位移场）可用四光束云纹干涉法法11

12、22xxxNNuxfxfx1122yyyNNyfyfy1124yxxyNNuyxfyx制栅技术制栅技术云纹光栅的制作是云纹干涉法的重要内容，它是影响和制约云纹干云纹光栅的制作是云纹干涉法的重要内容，它是影响和制约云纹干涉法的推广应用的关键技术。涉法的推广应用的关键技术。制备方法：制备方法： 机刻昂贵、成本高，且光栅频率受限，已基本不用。机刻昂贵、成本高，且光栅频率受限，已基本不用。 光刻光刻采用激光全息干涉系统和光致抗蚀剂（光刻胶）。采用激光全息干涉系统和光致抗蚀剂（光刻胶）。旋转电光源全息光栅制作系统：旋转电光源全息光栅制作系统：根据全息干涉原理，全息光栅的频率与双光束的夹角根据全息干涉原理

13、，全息光栅的频率与双光束的夹角2 2 和光源的波和光源的波长长 有关，有关，2sinf旋转点光源全息光栅制作系统旋转点光源全息光栅制作系统云纹法测量复合材料的云纹法测量复合材料的U场和场和V场场Fe-TZPFe-TZP结构陶瓷典型的加载过程中的结构陶瓷典型的加载过程中的u u场分布云图场分布云图铜基多晶体形状记忆合金伪弹性研究铜基多晶体形状记忆合金伪弹性研究在垂直界面断裂力学问题中的实验研究在垂直界面断裂力学问题中的实验研究在垂直界面断裂力学问题中的实验研究在垂直界面断裂力学问题中的实验研究云纹测试法在测试高温材料中的应用云纹测试法在测试高温材料中的应用U场、场、100C0、2kNV场、场、1

14、00C0、2kNU场、场、350C0、1.4kNV场、场、350C0、1.4kN根据记录下的加载载荷，并利用云纹法测得的纵、根据记录下的加载载荷，并利用云纹法测得的纵、横向变形即可求得铝基碳化硅的弹性模量和泊松比。横向变形即可求得铝基碳化硅的弹性模量和泊松比。云纹法应用与铁电陶瓷在机电耦合条件下云纹法应用与铁电陶瓷在机电耦合条件下破坏行为的研究破坏行为的研究力电加载装置力电加载装置力载荷恒定不同电载荷下裂纹尖端位移场力载荷恒定不同电载荷下裂纹尖端位移场最后求得在裂纹尖端处的正应变场最后求得在裂纹尖端处的正应变场云纹法的定义：云纹法是测量位移和应变场的一种光学方法。其主要特点是量程较大，弹性、塑性破坏时的大应变都可测量。由于测量可在由原型材料制成的模型上进行，所以能够较准确地模拟原型所经历的各种物理过程，无论静态或动态载荷都适用。且工作稳定性好，实验设备简单，但灵敏度较低。栅板的定义：栅板是云纹测量法的基本元件，由透明和不透明相间的等距平行线组成，不透明的暗线条成为栅线。相邻两栅间的距离P的倒数称为密率。云纹的基本性质1. 栅线平移形成的云纹设有R，S二栅，节距为P，P且PP, 令两栅第0根栅线重合，第一根相隔至R的第m根相距 若这时两栅线第一次重合，此线两旁栅缝重合遮挡面积最小，形成亮带。ppp pm pm pp 而R的第m/2根栅线正好落在S的栅缝中央，此处