光弹基本原理简介

1、光弹基本原理简介机械变量机械变量 光参量光参量 附附加加光光学学传传感感元元件件物物体体本本身身的的光光学学特特征征光弹性实验和电测实验相比光弹性实验和电测实验相比则具有全场分析和直观性的则具有全场分析和直观性的特点。特点。 自然光自然光普通光源发出的光。普通光源发出的光。偏振光偏振光光矢量沿某一特定方向光矢量沿某一特定方向振动。振动。 自然光自然光普通光源发出的光。普通光源发出的光。 自然光的特点自然光的特点:（1） 在垂直光线的平面内，光矢量沿各在垂直光线的平面内，光矢量沿各 方向振动的概率均等方向振动的概率均等.（2）可以看成由两个振动方向可以看成由两个振动方向 相互垂直，相互垂直， 振

2、幅相等，互不相干的线偏振光的叠加。振幅相等，互不相干的线偏振光的叠加。 yxIII IIIyx21 XYZu二、平面偏振光的获得二、平面偏振光的获得线偏振光线偏振光1 1、用偏振片获得、用偏振片获得偏振化方向偏振化方向Z偏振片偏振片2、用双折射法获得偏振光、用双折射法获得偏振光O O光（寻常光）光（寻常光）遵守折射定律遵守折射定律e e光（非常光）光（非常光）不遵守折射定律不遵守折射定律ACBoeDeo在上述获得线偏振光的方法中在上述获得线偏振光的方法中, 以偏振片法获得线偏振光最为常用以偏振片法获得线偏振光最为常用.其中主要是利用偏振片做起偏器和检偏器其中主要是利用偏振片做起偏器和检偏器02

3、I0II 0I0 I21/ PP21PP 0I02 I一般情况下一般情况下 I = ？偏振片偏振片Z用偏振片获得偏振光用偏振片获得偏振光是最实用的一种方法是最实用的一种方法起偏起偏器器检偏器检偏器P1P2先请大家看一个演示实验（明场和暗场）先请大家看一个演示实验（明场和暗场）椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，按一定频率旋转光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，按一定频率旋转( (左旋或右旋左旋或右旋) )。如果光矢量的端点轨迹是一个椭圆，这种光叫。如果光矢量的端点轨迹是一个椭圆，这种光叫做椭圆偏振光。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫做圆做椭圆偏振光

4、。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫做圆偏振光，如图所示。这相当于两个相互垂直的有确定相位关系偏振光，如图所示。这相当于两个相互垂直的有确定相位关系的振动的合成。的振动的合成。 xyxy右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光规定：迎着光线看（对着光的传播方向），规定：迎着光线看（对着光的传播方向）， 光矢量顺时针转的称右旋圆偏振光光矢量顺时针转的称右旋圆偏振光 （或椭圆偏振光）；（或椭圆偏振光）；光矢量逆时针转的称左旋圆偏振光光矢量逆时针转的称左旋圆偏振光 （或椭圆偏振光）。（或椭圆偏振光）。光弹性法的原理及应用光弹性法的原理及应用 一、光测原理：一、光测原理： 1.永久双折射

5、： 2.暂时（人工）双折射：光射入各向异性体产生的双折射eo光弹性实验采用具有双折射性能的透明塑料制成与实物相似的模型，在载荷作用下，用偏振光照射获得干涉条纹图，这些条纹指示了模型边界和内部各点的应力情况，通过计算便能得出构件的应力分布规律暂时双折射暂时双折射：模型受力后，平面偏振光通过：模型受力后，平面偏振光通过 此此模型时，沿两主应力方向分解为两支平模型时，沿两主应力方向分解为两支平 面偏振面偏振光，传播速不同，产光，传播速不同，产 生光程差。生光程差。 二、平面应力二、平面应力光学定律：光学定律：2101BAnn1202BAnn)( 2121Cnn 1.折射率： C模型材料的应力光学系数

6、。D D 1 1 1 1 2 2 2 2平面偏振光平面偏振光通过受力模型)(21 ct 2.光程差与主应力差光程差与主应力差1-2及模型厚度及模型厚度t成正比即：成正比即：t t 模型厚度。模型厚度。（1 1-2 2） 某点的主应力差。某点的主应力差。 光弹性实验仪的光路图光弹性实验仪的光路图平平行行光光平平行行光光平平面面偏偏振振光光圆圆偏偏振振光光圆圆偏偏振振光光平平面面偏偏振振光光光光源源准准光光镜镜检检偏偏镜镜波波片片起起偏偏镜镜波波片片模模型型成成像像透透镜镜反反光光镜镜屏屏幕幕起偏镜把来自光源的自然光变成平面偏振光检偏镜用来检验光波通过的情况正交平面偏振布置起偏镜与检偏镜的偏振轴互

7、相垂直放置平行平面偏振布置起偏镜与检偏镜的偏振轴互相垂直放置正交平面偏振布置时，观察到的光场为暗场 ；平行平面偏振布置，此时，观察到的光场为亮场。 起偏镜与检偏镜 四分之一波片 产生圆偏振光。第一块四分之一波片的快、慢产生圆偏振光。第一块四分之一波片的快、慢轴与起偏镜偏振轴成轴与起偏镜偏振轴成4545角，从而把来自起偏角，从而把来自起偏镜的平面偏振光变为圆偏振光。通过这块波片镜的平面偏振光变为圆偏振光。通过这块波片快轴的光波较慢轴的领先四分之一波长。第二快轴的光波较慢轴的领先四分之一波长。第二块四分之一波片的快轴和慢轴恰好与第一块四块四分之一波片的快轴和慢轴恰好与第一块四分之一波片的快、慢轴正

8、交，因而可以抵消第分之一波片的快、慢轴正交，因而可以抵消第一块波片所产生的相位差，将圆偏振光还原为一块波片所产生的相位差，将圆偏振光还原为自起偏镜发出的平面偏振光自起偏镜发出的平面偏振光 正交圆偏振光场正交圆偏振光场1/4波片快慢轴波片快慢轴 45 。平面偏振场中的光强：平面偏振场中的光强：受力模型在正交平面偏振布置中P 1 1 2 2AOf光源光源模型模型检偏镜检偏镜起偏镜起偏镜光经起偏镜后的强度：光经起偏镜后的强度： )(sin2sin21220 ctII其中变量：其中变量：模型上任一点模型上任一点1 1与检偏镜偏振轴夹角。与检偏镜偏振轴夹角。1 1-2 2 模型上任一点应力差。模型上任一

9、点应力差。光强I为零时有以下四种情况 ： I=0 I=0，这与实际情况不符，因为只有在无光源，这与实际情况不符，因为只有在无光源时时I I才会是零。才会是零。=0=0，由公式，由公式 可知可知1 1=2 2，符合这些条件的点称为各向同性，符合这些条件的点称为各向同性点。如果点。如果1 1=2 2=0=0则称为零应力点，这种点在则称为零应力点，这种点在模型上皆为黑点（因为光强等于零），例如纯模型上皆为黑点（因为光强等于零），例如纯弯曲梁上中性轴上各点弯曲梁上中性轴上各点=0=0，故模型中性层处，故模型中性层处为一条黑线。为一条黑线。)(21 ctsin(2 )=0sin(2 )=0， 得得=(n

10、=(n/2) (n=0,1,2,3/2) (n=0,1,2,3) )这说明模型上某点主应这说明模型上某点主应力方向与偏振镜光轴重合，模型上也呈黑点，这类黑点力方向与偏振镜光轴重合，模型上也呈黑点，这类黑点构成的连续黑线称为等倾线，等倾线上各点的主应力方构成的连续黑线称为等倾线，等倾线上各点的主应力方向都相同，而且偏振镜光轴的方向也就是主应力的方向。向都相同，而且偏振镜光轴的方向也就是主应力的方向。 令令f = /cf = /c为材料条纹值，该值可用实验方法测定。为材料条纹值，该值可用实验方法测定。 上式表明，当模型中某点的主应力差值为上式表明，当模型中某点的主应力差值为f/tf/t的整数的整数

11、倍时，则此点在模型上呈黑点，当主应力差为倍时，则此点在模型上呈黑点，当主应力差为f/tf/t的某同的某同一整数倍的各个暗点，构成连续的黑线称为等差线（在一整数倍的各个暗点，构成连续的黑线称为等差线（在此线上各点的主应力差均相等）此线上各点的主应力差均相等）NFtfnctnnct 2121 )( 即即：a、反复加载，等倾线不变，等差线改变。、反复加载，等倾线不变，等差线改变。区分等倾线与等差线区分等倾线与等差线b、同步旋转起偏镜与检偏镜，等倾线改变，、同步旋转起偏镜与检偏镜，等倾线改变，等差线不变。等差线不变。c、凭经验，等倾线较粗（一片黑），等差、凭经验，等倾线较粗（一片黑），等差线较细（一条

12、线）。线较细（一条线）。看演示（用单色光）看演示（用单色光）等差线级数当等差线条纹级数当等差线条纹级数n=0,1,2,n=0,1,2, 都满足消都满足消光条件，幕上都呈黑线。光条件，幕上都呈黑线。确定条纹级数的关键确定条纹级数的关键找出零级，即找出零级，即1 12 2包括包括1 12 20 0 和和1 12 20 0 ，由于应，由于应力分布的连续性，等差线不仅是连续的，条纹力分布的连续性，等差线不仅是连续的，条纹级数的变化也是连续的，只要确定了零级，则级数的变化也是连续的，只要确定了零级，则依次一级，二级也就能确定了。依次一级，二级也就能确定了。确定零级的方法：用白光作光源，零级等差线确定零级的方法：用白光作光源，零级等差线在白光中总是呈黑色的，并且只有零级等差线在白光中总是呈黑色的，并且只有零级等差线才呈黑色。同一颜色必定是同级等差线，按颜才呈黑色。同一颜色必定是同级等差线，按颜色来就能确定级数了，这时的等差线又称为等色来就能确定级数了，这时的等差线又称为等色线。色线。在使用单色光源时，等倾线与等差线都呈黑色，在使用单色光源时，等倾线与等差线都呈黑色，不易辨认，为了消除等倾线以获得清晰的等差不易辨认，为了消除等倾线以获得清晰的等差线图，在光弹