光测弹性仪

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[拼音]:guangce tanxingyi

[英文]:photoelastic meter

应用偏振光干涉原理对应力作用下能产生人工双折射材料做成的力学构件模型进行实验应力测试的仪器,简称光弹仪。应用它可以通过模型在实验室内进行大型建筑构件、水坝坝体、重型机械部件的应力和应力分布的测试,并可以在模型上直接看到被测件的全部应力分布和应力集中情况(见应力双折射)。

经典的透射式光弹性仪的光学结构如下图所示。光源(1)发出的光,经聚光镜(2)会聚于可变光阑(3)处,再经准直镜(4)形成平行光通过起偏振片(5)、四分之一波片(6)成为偏振光,经模型M后产生光程差,通过四分之一波片(7)及光轴方向与起偏振片 (5)光轴相互垂直的检偏振片(8)、视场镜(9)、照相物镜(10),在成像面上形成模型M的轮廓图及其中的光弹性条纹图。当去掉全部四分之一波片后,成为平面偏振光场,其振动方程为

式中ω、ao和 t分别表示为单色光圆频率、振幅和时间。此平面偏振光通过模型,形成位相差为嗞并沿主应力σ1及σ2方向的两光束,其振动方程分别为

式中α为主应力σ1与检偏振片光轴的夹角。A1、A11两量合成振幅的二次方即为光强I:

式中k为常量。当

时,则I=0。即在模型上形成条纹,称等色线。它可定量描述模型上对应点的应力大小。

当式中sin2α=0时,仍得I=0,对应于α=0°或90°,即该点主应力方向与偏振片光轴方向一致或垂直。因此形成的黑色条纹称等倾线,它描述模型上对应点的主应力方向。

以上两组条纹相互重叠,不利于测量,故在光路中安置一对四分之一波片,并令其光轴相互垂直,形成圆偏振光场,以消去等倾线,获得清晰的等色线条纹。根据此条纹值即可方便地算出各点应力值。

光测弹性力学方法的发展,使该类仪器已有十馀个品种,它们用于不同的范畴,可分静态应力分析仪及动态应力分析仪两大类。

静态应力分析仪中包括上述经典光弹性仪及其变形产品;如用于一般试验的简单型漫射式光弹性仪;用于现场的反射式光弹性仪及多种光弹性仪附件,如石英补偿器、条纹倍增器、斜射器等。在经典方法之外,还发展了全息光弹性仪、云纹仪、镭射散斑仪等。这一类仪器都可用于测量模型或物体的表面形变。

在动态应力分析仪器中,发展了如多火花动态光弹性仪、多脉冲镭射全息照相机等,它们可用于拍摄高速动载荷作用下的模型光弹性条纹分布的变化过程。以上已形成仪器系列。正在发展中的尚有自动光弹性仪、光弹性实验资料自动采集及处理系统,它们进一步简化实验操作,缩短了实验周期和提高了实验精度,是今后发展的方向。

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