專利名稱：旋轉(zhuǎn)參考光偏振方向的數(shù)字全息光彈二維應力場檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及力學參量測量的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種旋轉(zhuǎn)參考光偏振方向的數(shù)字全 息光彈二維應力場檢測方法。
背景技術(shù)：
在力學分析中，應力是最基本的力學量，而求解試件的應力場，可以采用理論分析、 模擬計算和實驗測試的方法。理論分析和模擬計算方法已經(jīng)解決了許多力學問題，但是在 建立理論和計算模型時，曾作過一些假設(shè)和簡化，因此必須用實驗加以檢驗；或是一些復 雜結(jié)構(gòu)，理論分析和模擬計算求解應力場非常困難，實驗方法就顯得更加重要，甚至是唯 一的手段；對于許多新材料，也必須通過實驗來積累研究資料。因此可以看出，通過實驗 手段獲得試件的應力場是力學研究中非常重要的基礎(chǔ)工作。
在二維應力場測試技術(shù)中，全息光彈方法采用透射全息照相技術(shù)，利用全息干涉不僅 能獲得反映主應力方向的等傾線、反映主應力差的等差線，而且能測得反映主應力和的等 和線，以及反映絕對光程差的等程線，由此試件模型上各點的應力分量就可以通過簡單的 計算而獨立地求得。
但是全息光彈方法中等差線條紋與等和線條紋同時出現(xiàn)，互相影響，不便于測量。目 前有一些分離這兩組條紋的方法，如雙模型法、旋光法和反光干涉法。但是雙模型法需要 制作兩個材料不同，尺寸相同的模型，并在完全相同的條件下進行實驗，增加了實驗的難 度和誤差；旋光法需要加入石英旋光器，光路復雜，調(diào)整困難，誤差大；反光干涉法需要 在模型表面涂反射層，光路也很復雜，同時等差線容易變形。此外，傳統(tǒng)的全息光彈方法 還需要通過連續(xù)加載法、補償法、旋轉(zhuǎn)偏振鏡法等確定各種條紋的級數(shù)，進一步加大了實 驗的復雜性。
可以看出，現(xiàn)有的全息光彈方法處理過程復雜，容易引入誤差，仍不能完全滿足二維 應力場測試的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡便易行，并能精確檢測的旋轉(zhuǎn)參考光偏振方向的數(shù)字全息 光彈二維應力場檢測方法。(1) 采用傳統(tǒng)的數(shù)字全息光彈方法光路，利甩CCD拍攝光彈試件在加載前的全息圖 像。旋轉(zhuǎn)參考光的偏振方向，在四個不同的參考光偏振位置拍攝四幅數(shù)字全息圖。
(2) 使用同樣光路，拍攝光彈試件在加載后的全息圖像。保持載荷不變，旋轉(zhuǎn)參考
光的偏振方向，在與加載前對應的四個不同的參考光偏振位置拍攝四幅數(shù)字全息圖。
(3) 對CCD記錄的加載前后共四對數(shù)字全息圖進行傅里葉變換、濾波及反變換，可 以獲得四個光強方程，這些方程與主應力等程線、等差線和主應力方向有關(guān)。
(4) 數(shù)值求解這四個光強方程，可以精確獲得二維應力場的兩個主應力值和主應力方向。
本發(fā)明提出的旋轉(zhuǎn)參考光偏振方向的數(shù)字全息光彈二維應力場檢測方法，可以精確獲 得二維應力場的主應力值和主應力方向。具體優(yōu)點是a)可以直接求解二維應力場，不需 要分離等差線條紋與等和線條紋；b)方法簡單，不需要已有技術(shù)以外的實驗裝置或?qū)嶒?模型；c)不需要確定條紋級數(shù)，減少了實驗的難度和誤差。


圖1是數(shù)字全息光彈方法的光路示意圖。
圖1中，l是激光，2是半反半透鏡，3是反射鏡，4是擴束鏡，5是準直鏡，6是偏 振片，7是試件模型，8是成像透鏡，9是半反半透鏡，IO是CCD攝像機，ll是偏振片，12 是準直鏡，13是擴束鏡，14是反射鏡。
具體實施例方式
本發(fā)明的通過旋轉(zhuǎn)參考光偏振方向，采用數(shù)字全息光彈檢測二維應力場的方法，是根 據(jù)傳統(tǒng)的數(shù)字全息光彈方法光路，利用CCD拍攝光彈試件在加載前的全息圖像，期間旋轉(zhuǎn) 參考光的偏振方向，在四個不同的參考光偏振位置拍攝四幅數(shù)字全息圖；然后使用同樣光 路，拍攝光彈試件在加載后的全息圖像。期間保持載荷不變，旋轉(zhuǎn)參考光的偏振方向，在 與加載前對應的四個不同的參考光偏振位置拍攝四幅數(shù)字全息圖。對CCD記錄的加載前后 共四對數(shù)字全息圖進行傅里葉變換、濾波及反變換，可以獲得四個光強方程，數(shù)值求解這 四個光強方程，可以精確獲得二維應力場的兩個主應力值和主應力方向。
以下為本發(fā)明的詳細說明
本發(fā)明方法的二維應力場檢測實驗光路如圖l所示，加載前試件模型內(nèi)無應力，透過 光彈模型的物光可用如下復數(shù)形式表示
4〃。" exp[/("(0] (1)
式中，人為照明物光振幅，^為經(jīng)過無應力試件的相位變化。
加載后試件模型內(nèi)產(chǎn)生應力，令單位矢量L]代表各點的主應力方向，透過光彈模型
的物光矢量可用如下復數(shù)形式表示
^ = 4 jcos >9 exp["(z5 + A )f + sin / exp[/Q +么)E) (2)
A和么是由光彈模型產(chǎn)生的，沿兩個主應力方向偏振的光波的相位變化；"為第一主 應力方向和物光偏振軸的夾角。為方便研究，(l)式也可以寫為類似形式
f/。 = 4,exp[《(z) + 00 )f + sin / exp[i(0 + -0 )P} (3) A^為參考光偏振軸與物光偏振軸的夾角，因為參考光偏振軸要旋轉(zhuǎn)四次，所以下標 & = 1，2，3,4代表這四個不同的參考光偏振軸。加載模型第一主應力方向和四個參考光偏振軸 的夾角為/9 + A凡，因而到達CCD平面的參考光可以表示為
f = 4 |cos(/ + AA) exp(z>r f + sin(A + ) exp(",到 (4) 式中，4為參考光振幅，^為參考光相位。
旋轉(zhuǎn)參考光，對加載前的無應力模型記錄四幅數(shù)字全息圖，所得光強為
L =(《+《)+ 4 4 cos exP[《0 - A )]exp(W。) +」乂 cos AA exP[-《^ - A )]exp(- ^。)
(5)
對應的對加載后模型記錄四幅數(shù)字全息圖，所得光強為
+ Ju Jr exp[/(^ — A )]{cos cos(/ + ) exp(^ ) + sin / sin(/ + Ay94) exp(/^2)} ⑥ + 4 J, exp[- /(^ - A )](cos c。s(/ + ) exp(- W ) + sin " sin(/5 + ) exp(- )}這里L和4化簡后都是實數(shù)，第一個下標o代表加載前，s代表加載后，第二個下標 A:代表不同的參考光偏振方向。對CCD記錄的以上兩式的數(shù)字全息圖進行傅里葉變換、濾 波及反變換處理后，可以提取出其中的一階光強
T。r += A 4 cos A/ A exp[- /(0 - & )]exp(— z>0)
+ v4u 4 exp[- z'(^ - A )](cos / cos(/ + ) exp(-) + sin / sin(/ + A" ) exp(- /(Zi2)}
"Zexp[-K)f。s碼exP(—4) , 、 ， J
[+ cos eos(;5 + ) exp(- M +sin " sin(/ + AA) exp(- )J
(7)<formula>formula see original document page 6</formula>對四個不同偏振面的參考光進行數(shù)字全息檢測，可以獲得4個不同的&方程。注意到 A^為已知量，通過數(shù)值求解，就可以得到未知數(shù)《、X2、義3和/ 。其中/ 即代表了主 應力方向，而對A和X2進行解包運算后，可以得到等程線^ - &和& - & 。
對于二維光彈模型，根據(jù)應力光性定理可知主應力與等程線之間存在如下關(guān)系
<formula>formula see original document page 6</formula>五
(10)
其中j、 S為應力光性常數(shù)，//為材料的泊松比，E為材料的彈性模量，w。為模型未
加載時材料的折射率，w為空氣的折射率。
綜合(9)、 (IO)式，就可以根據(jù)等程線^-A和A-^，求解受力光彈模型的主應力(T,
和<72 o
可以看到，與傳統(tǒng)的全息光彈方法相比，本發(fā)明方法可以直接求解二維應力場，不需 要分離等差線條紋與等和線條紋，也不需要確定條紋級數(shù)，減少了實驗的難度和誤差。并 且方法簡單，不需要已有技術(shù)以外的實驗裝置或?qū)嶒災Ｐ汀?br> 權(quán)利要求
1、一種旋轉(zhuǎn)參考光偏振方向的數(shù)字全息光彈二維應力場檢測方法，其特征在于該方法包括以下各步驟(1)采用傳統(tǒng)的數(shù)字全息光彈方法光路，利用CCD拍攝光彈試件在加載前的全息圖像，旋轉(zhuǎn)參考光的偏振方向，在四個不同的參考光偏振位置拍攝四幅數(shù)字全息圖；(2)使用同樣光路，拍攝光彈試件在加載后的全息圖像，保持載荷不變，旋轉(zhuǎn)參考光的偏振方向，在與加載前對應的四個不同的參考光偏振位置拍攝四幅數(shù)字全息圖；(3)對CCD記錄的加載前后共四對數(shù)字全息圖進行傅里葉變換、濾波及反變換，可以獲得四個光強方程，這些方程與主應力等程線、等差線和主應力方向有關(guān)；(4)數(shù)值求解這四個光強方程，可以精確獲得二維應力場的兩個主應力值和主應力方向。
全文摘要
本發(fā)明是一種旋轉(zhuǎn)參考光偏振方向的數(shù)字全息光彈二維應力場檢測方法。本方法利用傳統(tǒng)的數(shù)字全息光彈方法光路，利用CCD拍攝光彈試件在加載前的全息圖像，期間旋轉(zhuǎn)參考光的偏振方向，在四個不同的參考光偏振位置拍攝四幅數(shù)字全息圖；然后使用同樣光路，拍攝光彈試件在加載后的全息圖像。期間保持載荷不變，旋轉(zhuǎn)參考光的偏振方向，在與加載前對應的四個不同的參考光偏振位置拍攝四幅數(shù)字全息圖。對CCD記錄的加載前后共四對數(shù)字全息圖進行傅里葉變換、濾波及反變換，獲得四個光強方程，求解這四個光強方程，可以精確獲得二維應力場的兩個主應力值和主應力方向。本發(fā)明可以直接求解二維應力場，不需要分離等差線條紋與等和線條紋；方法簡單，可用現(xiàn)有的實驗裝置；不需要確定條紋級數(shù)，減少了實驗的難度和誤差。
文檔編號G01L1/24GK101509813SQ200910094280
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者張亞萍, 李俊昌, 蔚 許 申請人:昆明理工大學