第六章光弹性实验 实验一光弹仪调整及其光学效应演示 实验目的 1、了解409Ⅱ光测弹性仪各部分名称和作用,初步掌握光测弹性仪的使用方法 2、观察模型受载后在偏振光场中的光学效应; 3、学习辩识等差线条纹图的方法 4、学习辩识等倾线条纹图的方法。 二、仪器设备和模型 1、409-Ⅱ型光测弹性仪; 2、光弹模型 三、实验原理和方法 在光弹性测试中,最基本的光场是平面偏振光场,主要由光源、起偏镜、检偏镜组成(如 图6-1-1)。实验时,可根据需要调整两个偏振片的偏振轴方位。当起、检偏振片的偏振轴互 相平行时,形成平行平面偏振光场,即亮场;当它们互相垂直时称为正交平面偏振光场,即 暗场 A 检偏镜 米 光源 起偏镜 图6-1-1 将一个处在平面应力状态的模型放置在正交平面偏振光场的光路中,模型上某些点的主
116 第六章 光弹性实验 实验一 光弹仪调整及其光学效应演示 一、实验目的 1、了解 409-Ⅱ光测弹性仪各部分名称和作用，初步掌握光测弹性仪的使用方法； 2、观察模型受载后在偏振光场中的光学效应； 3、学习辩识等差线条纹图的方法； 4、学习辩识等倾线条纹图的方法。 二、仪器设备和模型 1、409-Ⅱ型光测弹性仪； 2、光弹模型。 三、实验原理和方法 在光弹性测试中，最基本的光场是平面偏振光场，主要由光源、起偏镜、检偏镜组成（如 图 6-1-1）。实验时，可根据需要调整两个偏振片的偏振轴方位。当起、检偏振片的偏振轴互 相平行时，形成平行平面偏振光场，即亮场；当它们互相垂直时称为正交平面偏振光场，即 暗场。 图 6-1-1 将一个处在平面应力状态的模型放置在正交平面偏振光场的光路中，模型上某些点的主
应力σ1的方向与起偏镜的偏振轴平行时,偏振光可顺利通过模型,不会产生其他分量,由 于检偏轴垂直于起偏轴,这些点在检偏镜后将出现消光点。众多主应力方向相同的点将组成 一条消光条纹,即等倾线。因此,只要知道检偏轴和事先选定的参考轴的夹角,就可以知道 等倾线上的各个测点的主应力方向与该参考轴的夹角。 受力模型置于平面偏振场中,在屏幕上除出现等倾线条纹外,同时还将出现等差线条纹。 欲想得到清晰、单一的等差线条纹图,就得设法消除等倾线条纹的干扰,常用的方法是采用 圆偏振光场测试等差线:在平面偏振光场中加入两个四分之一波片Q、Q(图6-1-2),使 Q1片的快轴与Q2片的慢轴平行,同时将波片的主轴与入射的平面偏振光的振动方向互成 45°,起偏镜P与检偏镜A的偏振轴互相垂直时光强最小(暗场),平行时光强最大(明场) 图6-1-2是双正交圆偏振光场的基本光路。 检偏镜 模型 米 波片 图6-1-2 当平面偏振光垂直射入平面应力模型时,因为模型材料具有暂时双折射效应,光波沿着 模型上入射点的应力主轴方向分解成两束平面偏振光。这两束平面偏振光在模型内部的传播 速度不同,通过模型后就产生了光程差δ。这个光程差与该单元体的主应力差和模型厚度h 成正比: (1) c为比例系数 当光程差为光波波长的整数倍时, =n n=0.1.2 (2) 117
117 应力 1 的方向与起偏镜的偏振轴平行时，偏振光可顺利通过模型，不会产生其他分量，由 于检偏轴垂直于起偏轴，这些点在检偏镜后将出现消光点。众多主应力方向相同的点将组成 一条消光条纹，即等倾线。因此，只要知道检偏轴和事先选定的参考轴的夹角，就可以知道 等倾线上的各个测点的主应力方向与该参考轴的夹角。 受力模型置于平面偏振场中，在屏幕上除出现等倾线条纹外，同时还将出现等差线条纹。 欲想得到清晰、单一的等差线条纹图，就得设法消除等倾线条纹的干扰，常用的方法是采用 圆偏振光场测试等差线：在平面偏振光场中加入两个四分之一波片 Q1、Q2 （图 6-1-2），使 Q1 片的快轴与 Q2 片的慢轴平行，同时将波片的主轴与入射的平面偏振光的振动方向互成 45°，起偏镜 P 与检偏镜 A 的偏振轴互相垂直时光强最小（暗场），平行时光强最大（明场）。 图 6-1-2 是双正交圆偏振光场的基本光路。 图 6-1-2 当平面偏振光垂直射入平面应力模型时，因为模型材料具有暂时双折射效应，光波沿着 模型上入射点的应力主轴方向分解成两束平面偏振光。这两束平面偏振光在模型内部的传播 速度不同，通过模型后就产生了光程差 。这个光程差与该单元体的主应力差和模型厚度 h 成正比： ( ) = 1 − 2 ch （1） c 为比例系数。 当光程差为光波波长的整数倍时， = n n = 0,1,2 （2）
干涉光就在屏幕上出现消光点,由于模型内的应力是连续变化的,同时满足光程差等于同一 整数倍波长的各点,将形成一条黑色的干涉条纹,这些条纹称为等差线,与其对应的n称为 条纹级数 由(1)、(2)式可得到: (3) h 式中f=%为材料条纹值 四、实验步骤 1、观看光测弹性仪的各个部分,了解其名称和作用 2、开启白光光源,安装试件 3、调整仪器使屏幕上成像清晰。 4、逐级加载,观察等差线的变化情况。 5、单独旋转检偏镜,观察屏幕上等差线条纹图的变化情况,完毕后卸载。 6、去掉两片四分之一波片,调整光场及载荷,开启并转动同步控制器,观察等倾线的 变化情况 7、卸载,取下试件,仪器复原 五、实验注意事项 1、光弹仪上镜片部分切忌用手触摸。 2、试件安装位置要准确、稳定 3、对模型加载时,要正确平稳,防止模型弹岀损坏镜片。 4、开启同步控制器时应用手将手轮按住。 118
118 干涉光就在屏幕上出现消光点，由于模型内的应力是连续变化的，同时满足光程差等于同一 整数倍波长的各点，将形成一条黑色的干涉条纹，这些条纹称为等差线，与其对应的 n 称为 条纹级数。 由（1）、（2）式可得到： h nf 1 − 2 = （3） 式中 c f = 为材料条纹值。 四、实验步骤 1、观看光测弹性仪的各个部分，了解其名称和作用。 2、开启白光光源， 安装试件。 3、调整仪器使屏幕上成像清晰。 4、逐级加载，观察等差线的变化情况。 5、单独旋转检偏镜，观察屏幕上等差线条纹图的变化情况，完毕后卸载。 6、去掉两片四分之一波片，调整光场及载荷，开启并转动同步控制器，观察等倾线的 变化情况。 7、卸载，取下试件，仪器复原。 五、实验注意事项 1、光弹仪上镜片部分切忌用手触摸。 2、试件安装位置要准确、稳定。 3、对模型加载时，要正确平稳，防止模型弹出损坏镜片。 4、开启同步控制器时应用手将手轮按住
实验二等差线和等倾线的描绘 实验目的 1、掌握等差线和等倾线的描绘方法; 2、学会用钉压法判断主应力方向 3、学习确定非整数级条纹级数的方法。 实验设备 1、409-Ⅱ光测弹性仪 2、小钉; 3、光弹模型。 三、实验方法 1、等差线的描绘 在圆偏振光场中,当受力模型呈现以暗场为背景的等差线图时,各条纹的级数为整数级 条纹,n=0,1,2 若受力模型呈现以明场为背景的等差线图时,各条纹的级数为半 数级条纹,n=0.5,1.5,2.5……。具体实施时,首先确定n=0的点或条纹的位置(白光 光源时,只有该点或条纹是黑色的),只要模型形状、载荷作用点及方向不变,这些点或条 纹的位置是不随载荷大小变化的,其他条纹级数可根据应力分布的连续性依次数出。条纹级 数的递增方向(或递减方向),可采用白光光源,依据等差线条纹的色序而定。当色序的变 化为黄、红、蓝、绿……,则为级数增加的方向,反之为级数递减的方向。 2、发源点与隐没点 在单色光照射下,模型上某些点可能呈暗黑色,但随着载荷的増减,其明暗程度随之变 化。在载荷增加过程中,有些点的条纹连续向外扩散,这些点称为发源点,它们的条纹级数 比周围的条纹级数高:有些条纹向某些点收敛,这些收敛点称为隐没点,它们的条纹级数比 周围的条纹级数低。发源点和隐没点只能够判别周围条纹级数的高低方向,不能直接判别其 级数 3、非整数级条纹级数的确定 在圆偏振光场中,可以分别得到整数级和半数级条纹级数等差线。而试件上的测点并 非都是正好在整数级或半数级条纹上,因此需要测出这些点的小数级。测量小数级等差线的 方法很多,这里介绍其中的一种方法—一旋转检偏镜法中的双波片法。双波片法采用双正交 119
119 实验二 等差线和等倾线的描绘 一、实验目的 1、掌握等差线和等倾线的描绘方法； 2、学会用钉压法判断主应力方向； 3、学习确定非整数级条纹级数的方法。 二、实验设备 1、409-Ⅱ光测弹性仪； 2、小钉； 3、光弹模型。 三、实验方法 1、等差线的描绘 在圆偏振光场中，当受力模型呈现以暗场为背景的等差线图时，各条纹的级数为整数级 条纹， n = 0,1,2 ；若受力模型呈现以明场为背景的等差线图时，各条纹的级数为半 数级条纹， n = 0.5,1.5,2.5 。具体实施时，首先确定 n = 0 的点或条纹的位置（白光 光源时，只有该点或条纹是黑色的），只要模型形状、载荷作用点及方向不变，这些点或条 纹的位置是不随载荷大小变化的，其他条纹级数可根据应力分布的连续性依次数出。条纹级 数的递增方向（或递减方向），可采用白光光源，依据等差线条纹的色序而定。当色序的变 化为黄、红、蓝、绿……，则为级数增加的方向，反之为级数递减的方向。 2、发源点与隐没点 在单色光照射下，模型上某些点可能呈暗黑色，但随着载荷的增减，其明暗程度随之变 化。在载荷增加过程中，有些点的条纹连续向外扩散，这些点称为发源点，它们的条纹级数 比周围的条纹级数高；有些条纹向某些点收敛，这些收敛点称为隐没点，它们的条纹级数比 周围的条纹级数低。发源点和隐没点只能够判别周围条纹级数的高低方向，不能直接判别其 级数。 3、非整数级条纹级数的确定 在圆偏振光场中，可以分别得到整数级和半数级条纹级数等差线。而试件上的测点并 非都是正好在整数级或半数级条纹上，因此需要测出这些点的小数级。测量小数级等差线的 方法很多，这里介绍其中的一种方法——旋转检偏镜法中的双波片法。双波片法采用双正交
圆偏振光场布置,首先将两偏振片的偏振轴P和A分别与被测点的两个主应力方向重合(图 6-2-1),然后转动检偏镜A,使附近的一条整数条纹n的等差线移至通过该测点(图6-2-2), 检偏镜偏振轴A转动角度为θ,被测点的条纹级数 如果检偏镜偏振轴A向另一方向旋转了2角,而n+1级条纹移至被测点(图6-2-2),则 被测点的条纹级数为 n+1)+ P,02 快轴 图6-2-2 4、钉压法 用一钉状物体在垂直于模型的边界上,对被测点施加一个较小的压力,观察该点条纹级 数的变化情况,如果出现条纹级增加,则说明该点与边界相切的应力为拉应力,这点的等倾 线角度等于边界的角度;若条纹级数减少,则为压应力,这点的等倾线角度等于边界法线的 角度 5、等倾线的描绘 等倾线是光弹性实验中又一种重要的实验资料。它是用白光作光源,在平面偏振光场中 获得的。这时等差线除零级条纹外都是彩色条纹的,而等倾线则总是黑色的。识别等倾线比 识别等差线要困难些,为了准确描绘出等倾线,在描绘前应适当调整实验载荷,尽量避免等 差线干扰等倾线,然后再开启同步控制器,缓慢地同步旋转起偏镜和检偏镜,反复观察等倾 线的变化规律,掌握其特征,(1)对称轴必为一条等倾线:(2)任意倾角的等倾线必通过各 向同性点;(3)自由曲线边界上各点的切线或法线方向即为该点的主应力方向等等。测试时
120 圆偏振光场布置，首先将两偏振片的偏振轴 P 和 A 分别与被测点的两个主应力方向重合（图 6-2-1），然后转动检偏镜 A ，使附近的一条整数条纹 n 的等差线移至通过该测点（图 6-2-2）， 检偏镜偏振轴 A 转动角度为 1 ，被测点的条纹级数： 1 n0 = n + （1） 如果检偏镜偏振轴 A 向另一方向旋转了 2 角，而 n +1 级条纹移至被测点（图 6-2-2），则 被测点的条纹级数为： 2 0 n = (n +1) + （2） 图 6-2-1 图 6-2-2 4、钉压法 用一钉状物体在垂直于模型的边界上，对被测点施加一个较小的压力，观察该点条纹级 数的变化情况，如果出现条纹级增加，则说明该点与边界相切的应力为拉应力，这点的等倾 线角度等于边界的角度；若条纹级数减少，则为压应力，这点的等倾线角度等于边界法线的 角度。 5、等倾线的描绘 等倾线是光弹性实验中又一种重要的实验资料。它是用白光作光源，在平面偏振光场中 获得的。这时等差线除零级条纹外都是彩色条纹的，而等倾线则总是黑色的。识别等倾线比 识别等差线要困难些，为了准确描绘出等倾线，在描绘前应适当调整实验载荷，尽量避免等 差线干扰等倾线，然后再开启同步控制器，缓慢地同步旋转起偏镜和检偏镜，反复观察等倾 线的变化规律，掌握其特征，（1）对称轴必为一条等倾线；（2）任意倾角的等倾线必通过各 向同性点；（3）自由曲线边界上各点的切线或法线方向即为该点的主应力方向等等。测试时
通常以起、检偏镜的偏振轴分别是垂直和水平位置为基准,这时模型上岀现的为0°等倾线 同步反时针旋转起、检偏镜,每隔5°或10°(根据需要确定间隔的度数)在同一幅等倾线 图上描绘出相应的等倾线,并标明其倾角度数,直到绘完90°为止 五、实验步骤 1、调整光弹仪,使之处于平面偏振光场,开启白光光源。 2、安装试件,适当调整载荷,使等倾线清晰可见 3、开启同步控制器,同步转动起、检偏镜,每转5°或10°(根据需要确定间隔的度 数),将等倾线画下并标明度数,直至等倾线绘制完毕。 4、安装四分之一波片,调整光场,使之处于双正交圆偏振光场 5、更换绘图纸。 6、反复调整载荷,仔细观察等差线变化情况至基本掌握其变化规律。 7、更换单色光光源 8、调整好载荷,绘制等差线整数级条纹并标明级数 9、转动检偏镜,使光场成为明场 10、绘制等差线半数级条纹并标明半数级级数,。 11、卸载,取下试件,仪器复原 六、实验报告 1、简单描述实验过程及收获 绘制光弹模型的等差线和等倾线图 实验注意事项 1、切忌用手触摸光弹仪上的光学器件 2、对模型加载时,要正确平稳,防止模型弹岀损坏镜片。 3、开启同步控制器时应用手将手轮按住
121 通常以起、检偏镜的偏振轴分别是垂直和水平位置为基准，这时模型上出现的为 0°等倾线。 同步反时针旋转起、检偏镜，每隔 5°或 10°（根据需要确定间隔的度数）在同一幅等倾线 图上描绘出相应的等倾线，并标明其倾角度数，直到绘完 90°为止。 五、实验步骤 1、调整光弹仪，使之处于平面偏振光场，开启白光光源。 2、安装试件，适当调整载荷，使等倾线清晰可见。 3、开启同步控制器，同步转动起、检偏镜，每转 5°或 10°（根据需要确定间隔的度 数），将等倾线画下并标明度数，直至等倾线绘制完毕。 4、安装四分之一波片，调整光场，使之处于双正交圆偏振光场。 5、更换绘图纸。 6、反复调整载荷，仔细观察等差线变化情况至基本掌握其变化规律。 7、更换单色光光源。 8、调整好载荷，绘制等差线整数级条纹并标明级数。 9、转动检偏镜，使光场成为明场。 10、绘制等差线半数级条纹并标明半数级级数，。 11、卸载，取下试件，仪器复原。 六、实验报告 1、简单描述实验过程及收获。 2、绘制光弹模型的等差线和等倾线图。 七、实验注意事项 1、切忌用手触摸光弹仪上的光学器件。 2、对模型加载时，要正确平稳，防止模型弹出损坏镜片。 3、开启同步控制器时应用手将手轮按住