双弹光级联的差频调制型应力双折射测量

针对光学材料、光学元件的快速、高精度应力测试评估需求，提出了一种基于双弹光级联差频调制的应力双折射测量方案。应力双折射延迟量和快轴方位角信息被加载到差频弹光调制信号中，运用数字锁相技术同时提取弹光调制的差频信号和基频信号，进一步求解出应力双折射延迟量和快轴方位角。对该新方案的原理进行了分析，并搭建了实验系统，对系统初始偏移值进行了实验定标。采用Soleil-Babinet补偿器完成了测量精度和重复性测试，并完成了施加应力样品的应力双折射测试。实验结果表明，该系统的延迟量测量精度为2.3%，延迟量测量重复性为0.032 nm，双折射测量重复性为0.17 nm/cm。此外，单数据点测量时间不超过200 ms。     

高速动光弹系统及其应用

高速动光弹仪是动态光弹性研究的有效诊断工具,主要用于记录各种结构在动载荷作用下,不同瞬间的应力条纹图像。研究应力波的传播规律,裂纹扩展过程,固体高速变形等。通常的动光弹仪为多火花式动光弹仪。国外也有采用静态光弹仪与转镜式高速分幅相机结合的系统。我们研究调试的动光弹系统,是在高速纹影系统中加入偏振光场,即静态光弹系统、纹影系统与转镜式高速分幅相机结合。在雷管动载荷作用下,应用高压脉冲氙灯光源,单色圆偏振光亮场,获得了不同光弹模型的清晰应力条纹图像。给出应力波的传播过程和孔附近产生的应力集中现象。该系统具有摄影频率高、曝光时间短、测试灵敏度高、适于强载荷、远距离研究大尺寸光弹模型,同时具有透射式和反射式光学系统等特点。从而为动态光。弹性研究提供了有效的测试技术和诊断系统。     

测量光纤有效弹光系数的一种新方法

针对目前许多新型光纤有效弹光系数测量的需要,报导了用光纤布喇格光栅(FBG)传感器测量光纤有效弹光系数的新方法。用一个温度参考光栅、一个测量光栅和一已知膨胀系数的材料,结合光纤布喇格光栅的特有性质进行了测量。建立了实验系统,实验结果表明,系统可以有效地解决温度与应变对光栅存在交叉敏感的问题,成功地测出了光纤有效弹光系数,测量误差小于1.3%。     

残余应力对光弹实验中超声图像的干扰分析

动态光弹成像技术是观测固体内部超声应力场的重要手段,然而样品在制作过程中会产生残余应力,给观测带来一定干扰,特别是缺陷附近的应力集中效应,使得缺陷散射声场的研究更为困难。本文利用线性应力理论分析了超声应力与残余应力的相互关系,并推导出该叠加应力场在光弹系统中的光强表达式,通过实验验证,证明了该理论的可行性。本文结果可为应力集中区域的散射声场分析提供借鉴。     

双弹光调制广义偏振测量的数字锁相数据处理研究

针对高精度、快速实时的偏振测量需求,提出了一种双弹光差频调制的偏振参量测量方法。对偏振测量原理进行了详细分析,针对双弹光调制器工作控制及信号解调需求,设计了基于数字可编程逻辑门阵列(FPGA)的多通道数字锁相数据处理方案。FPGA提供一定频率占空比的脉冲宽度调制波(PWM),经高压谐振电路输出正弦高压驱动弹光调制器工作,与此同时,探测器探测到的调制光信号经模数转换器(ADC)采集后进入FPGA中。FPGA提供本地参考信号完成多个频率信号的同时解调,进而单次测量便可得到4个斯托克斯分量。搭建了实验系统进行了实验验证,利用旋转1/4波片法建立了偏振产生装置,实现了对线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的测量。实验结果表明,系统测量的相对误差小于0.8%,重复性标准差小于0.2%,单次测量时间小于200ms,实现了高精度、重复性好、实时的偏振测量。     

后向动态光散射系统的像差分析与校正

针对后向动态光散射颗粒测量系统信噪比较低的问题,从光学系统的像差入手,采用Zemax对其进行了仿真和分析,并提出了校正方案。首先介绍了后向动态光散射颗粒测量系统的基本原理和光学系统,从校正像差的角度出发,采用Zemax对后向动态光散射系统进行仿真,并对其像差进行分析。然后根据仿真结果,提出了校正方案,采用Ze-max设计了方案中的参数,得出了理论上的校正结果。最后采用优化好的结果进行后向动态光实验,得到了实验数据。均值误差和重复性误差分别达到了1.52%和1.24%。满足国标均值误差和重复性误差小于2%的要求。     

超声换能器辐射场应力定量测量方法研究

提出了一种基于动态光弹观测系统的超声换能器在透明固体中辐射场应力定量测量新方法。该方法关注到激光束穿过非均匀应力区时的双折射累积效应和Senarmont补偿法均匀应力假设与真实应力非均匀分布之间的差异,利用滤波反投影算法重建出应力场;根据应力与换能器激励电压的线性关系,用4种激励电压动态校准重建后的应力数据。实验定量测量了圆形晶片超声换能器在固体内部辐射的瞬态纵波场的应力分布,结果表明应力幅值与激励电压成正比,符合线性规律。     

固体板中超声驻波场的高阶光弹条纹

利用动态光弹法观测了超声波在固体板内多次反射形成的驻波。通过相干叠加增大声波应力,使得动态光弹实验中偏振光的相位变化大于一个周期,从而观测到固体内超声波由行波转化为驻波的过程,并对高阶干涉条纹反映的驻波场特性进行了讨论。通过对声波应力进行定量测量,评估了固体板中超声驻波的激发效率。本文的工作为利用动态光弹法研究透明固体中的高强度声波提供了一种可行的方法。      

光弹法测量超声换能器声场

超声换能器声场的测试对于超声检测具有基础性作用,而传统的超声换能器声场测试方法具有一些局限性。本文介绍了搭建的动态激光光弹实验平台,并利用动态光弹法测量了纵波换能器和横波换能器辐射声场的特征,由瞬态声场图像获得了传声介质的声波速度及超声换能器的中心频率;由稳态声场图像获得了声场的近场长度、指向性和扩散角等参数;分析了光弹实验系统和测量方法可能引起测量误差。本文结果表明动态光弹法是一种有效的定量测量超声换能器声场的方法。     

弹光调制器动态参数测量与高效驱动匹配研究

为了提高弹光调制器（photoelastic modulator,PEM）的驱动效率,提出了一种基于PEM动态参数测量的阻抗匹配参数计算方法。理论分析了PEM调制幅度与驱动电压大小的关系,建立了PEM及其谐振匹配网络的等效电路模型,在此基础上推导了PEM谐振驱动电压与各个参数的关系,并设计了针对PEM动态测试的测量系统与验证方法。对谐振频率为44.822 kHz的PEM进行各项特性曲线的理论仿真与试验比较,验证了动态测量系统的可靠性,并通过数值仿真得到PEM最优匹配参数。在最优匹配参数附近选取不同匹配参数,测量实际谐振驱动电压,测量结果与仿真曲线相关性达0.996 4,变化趋势在10μF前基本吻合,且在理论最优匹配参数下,实际谐振驱动电压峰值达510 V,优于其他驱动匹配方法,接近理论最大值,相对误差小于1.16%。通过PEM等效动态参数推算的最优匹配参数,可使PEM达到最大驱动效率。     

裂纹尖端超声散射场及动应力集中的动态光弹观测

超声波在裂纹尖端发生散射和动应力集中。深入研究裂纹尖端与超声波的相互作用是进行裂纹精确检测与评价的物理基础。在线性声学范畴内,裂纹尖端的散射场与弹性动力学的经典Lamb问题类似,而非线性响应更加复杂。利用动态光弹观测技术,可给出超声波在裂纹尖端散射过程的直观物理图像。无论是用于理论结果的实验验证,还是定量分析线性散射场和动应力集中现象,抑或深入探索非线性响应,动态光弹观测技术都可起到重要作用,因此,相关研究将促进检测声学与无损检测技术的发展。      

Residual strain measurement using photoelastic coatings

There are several practical methods in use today for conducting a residual stress analysis. The principal advantage of the full-field photoelastic coating technique is that any residual stress present in a part is revealed everywhere it occurs over the part's surface after sectioning. This article provides a general introduction to photoelastic analysis, and then describes the photoelastic coating technique in particular, and how it is used for the detection and measurement of residual strain. Case history applications are presented on a metal fan hub, and an injection molded washroom sink.     

一种弹光调制器精确定标微系统设计

弹光调制器利用各向同性晶体受迫振动后产生的双折射效应,对入射的偏振光进行相位调制,在偏振调制及测量方面具有重要应用.弹光调制器的相位延迟是其关键指标参数,实际应用时需对驱动电压与相位延迟进行标定.但传统的弹光调制器定标系统中的元件体积较大,且在使用前完成标定,误差大.为了使弹光调制系统能够实现实时定标,达到精确定标的目...     

动态白光散斑法的灵敏度及其提高

本文用非相干成象系统频谱分析的概念,分析了动态白光散斑法的灵敏度问题。提出了提高灵敏度的方法,使之不仅能测量大的动态变形,而且也能测量小的动态变形,如果用光弹性材料作试件,能同时得到动态等差线,进行主应力分离。     

精确标定光弹调制器的新方法

针对现有光弹调制器标定方法的不足,提出了一种精确标定光弹调制器的新方法。首先利用起偏器、波片、光弹调制器和检偏器构成标定光路,通过寻找探测信号基频分量的极大值进行粗略标定,使光弹调制器的峰值延迟量处在1.841rad附近。然后撤走波片形成光弹调制器的精确标定光路,在检偏器旋转90°前后获得探测信号的直流分量和二次谐波分量。最后利用这两种探测信号的直流分量和二次谐波分量精确地计算出光弹调制器的峰值延迟量。实验验证了此光弹调制器标定方法,实验结果表明其标定误差仅为0.7%。在此光弹调制器标定方法中,光弹调制器的标定精度和入射光强、电路参量无关。同时,标定要求的峰值延迟量小,非常适合于光弹调制器在其使用波长范围长波段的标定。     

Dynamic photoelasticity using TDI imaging

High-speed photographic systems are necessary for recording and visualization of dynamic events in stress analysis, fluid mechanics, etc. Current imaging systems are fairly expensive and generally not simple to use. Furthermore, most are based on photographic film recording systems requiring time consuming and tedious wet processing of the films. Recently, there is lot of interest in developing and modifying CCD architectures and recording arrangements for dynamic scene analysis. Herein we report the use of a CCD camera operating in the time delay and integration mode for digitally recording dynamic photoelastic stress patterns. Applications in strobe and streak photoelastic pattern recording and system limitations will be explained in the paper. In addition, a scheme for dynamic phase shifting using is also explained.     

螺栓拉应力超声无损检测方法

本文依据声弹性原理中超声波传播速度与应力之间的对应关系,利用横波与纵波联合测量的办法,给出栓体长度未知的紧固螺栓轴向应力测量办法。针对螺栓在低载荷与高载荷不同情况下的栓体轴向应力测量系数不同的状况,分类进行了讨论,并给出对应载荷条件下应力测量系数的计算办法。文章讨论了A2-70奥氏体不锈钢与强度等级4.8低碳钢两种不从材质螺栓的轴向应力测量结果,实际测量与理论测量平均误差小于2.9367%,提高了横纵波轴向应力测量的精度。     

基于斯托克斯参量的光弹性应力分布及成像方法研究

提出了一种基于斯托克斯参量测量的实时光弹性应力测量及其成像的新方法,对该方法的原理及参量测量方法进行了深入研究。根据分振幅斯托克斯参量测量原理设计一个实验系统,利用Equator-Poles(E-P)法定标系统,采用4个性能一致的光电探测器实现光束斯托克斯参量的快速实时测量。用实验系统测量单色平面偏振光通过光弹性样品后的斯托克斯参量,求得出射与入射偏振光的相位延迟量,再求得样品的应力值。运用该方法对有应力分布的平板玻璃和轴向受压有机玻璃进行测量并扫描成像,得到它们的应力分布图像。结果表明,该方法能够准确、快速和无损地测量光弹性样品任意位置的应力,实现对应力的实时测量。     

基于光弹调制技术的波片相位延迟量测量方法

提出了一种基于光弹调制技术的波片相位延迟量测量方法,利用米勒矩阵对其进行了理论推导和误差分析。测量光路包括激光器、起偏器、光弹调制器、被测波片、检偏器和光电探测器,利用探测信号的归一化基频分量和二次谐波分量精确计算出被测波片的相位延迟量。该方法能测量紫外到红外光谱范围内任意相位延迟量的波片,误差分析表明其误差小于0.05°。实验验证了该测量方法的有效性,波片相位延迟量的重复测量精度为0.0048°。