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年月安徽大学学报自然科学版
第卷第期..
密栅云纹干涉法高温实验技术研究与应用
胡琦,李禾,严超华
南昌航空工业学院自动化学院,江西南昌
摘要:运用云纹干涉法的波前干涉原理和非接触测量面内位移方法,通过变形栅衍射的不同波前
相干涉所产生的条纹来获取变形信息,对试件的弹性模量和泊松比进行测量,并将此方法应用于高温环
境下航空高温合金材料的弹性模量和泊松比的测量.
关键词:高温云纹法;弹性模量;泊松比
中图分类号:文献标识码:文章编号:—一—
高密度云纹干涉位移测量是近年来发展起来的一项新技术¨,是将高密度正交栅每毫米、
或线复制在被测结构物表面,用两束高质量的平行激光以一定的角度对称入射到复制有
,这些条纹含有结构物表面
的位移信息,记录并分析云纹条纹即可获得被测物的位移场.
云纹干涉位移测量的优点是非接触全场测量,方法直观且条纹衬度对比度较好,测量精度可达
波长的量级,若采用相移技术,,缺点是制栅困
难,、断裂力学中的裂纹
观测、微电子封装元件的检测等领域得到广泛应用,是现代光测力学的研究热点之一。.
云纹干涉法的基本原理
在云纹干涉法中,一般试件表面备制正交相位型光栅,采用准直
光,分离装置在同一个光路上贝量,
测量时,根据图,设试件栅的频率为厂,两束准直相干光和
一以入射角入射试件表面,若满足
则光束和一的正负一级衍射光将沿着垂直于试件栅的方
,该两束衍射光波的波前为平面波前,用图波前干涉原理
和一,表示,则
】
一。:
其中,为振幅;对于平面波前位相一。都是常数.
当试件栅随试件受力产生变形和应变,试件栅的频率将发生变化,原来的平面波将发生翘曲,变成
与面内位移场有关的翘曲波。和。,位相也发生相应的变化,此时波前函数为
:.:
【.:【十一一
其中,,一,
时,位相变化。,和一。,与,方向的位移Ⅱ,有如下关系
收稿日期:——
基金项目:航空支撑科技基金资助项目
作者简介:胡琦一,男,安徽合肥人,南昌航空工业学院硕士研究生
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第期胡琦,等:密栅云纹干涉法高温实验技术研究与应用
叫
,⋯一,。
,:。。:
一一
其中卢。一一为两束平面波和一的初始相位差,为一常数.,:。,一
一,为试件变形后两翘曲波的相对位相变化,则由与式可知
,:竿,
用波长数表示相对光程变化,考虑到光程与位相的关系为
△,::,
则由、式可以得到方向位移函数,与“场等位移条纹级数的关系为
::
将两路对称入射准直平行光所在的平面转过。,得到方向位移函数,与场等位移条纹级
数的关系为
,:
、式就是云纹干涉法中表征位移与条纹级数之间关系的主要公式.
实验光路
密栅云纹干涉法是一种非接触位移测试方法,具有高精度、高分辨率和对比度的特点,能测出全场
各点的精确位移、尤其是微小区域内的位移,光路原理如图所示.
,经光束提
升架、扩束镜及空间滤波器组件、非球面镜变成平面波阵
面平行光,再经水平“场测量的或垂直场测量的两组全反镜
“,分离装置、
光栅随着试样而变形,两束入射光的正负一级衍射光相互干涉形成条
纹,经全反镜、毛玻璃屏、成像镜、摄像机送人计
算机.
实验步骤
量取试件尺寸,在试件表面备制光栅厂:/,注意图云纹干涉法实验原理
不要触摸光栅;
按实验光路准备光学元件,按主光路中心高度调整光束提升架,注意使激光束与防震台面保持
平行;
使激光束垂直通过非球面镜中心,在水平位置测量“场测量时,遮住两块垂直反射镜,调整
光栅姿态使衍射光线分别落在反射镜、的中部;
在非球面镜焦点处放置小孑板,调整反射镜、使衍射光线汇聚于小孔,取走小孔板,调节扩
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安徽大学学报自然科学版第卷
束镜位置,在非球面镜后用平面镜检查光线的平行度;
微调反射镜、,将云纹条纹调整到最稀,尽可能接近为零零场,垂直位置场测量的调
整方法相同;
进行加载实验,观察条纹图像并摄取图像.
实验测量结果处理方法
—,平面,该面
内的线应变和剪应变分别为、
,占,
用相应的位移增量和条纹级数增量形式来表示,可得
//
/△
厂△,,】
其中,△,△分为水平和垂直两个方向位移场内对应,△
性模量和泊松比时,只需测量和应变,且
:——.:—
其中,和:是所取相对条纹范围内初始条纹中心横向坐标和末条纹中心横向坐标,是横向每毫米
像素点数;和:是所取相对条纹范围内初始条纹中心纵向坐标和末条纹中心纵向坐标,是纵向每
,利用软件通过纵向和横向的应力应变曲线,找出对应的线形回归
关系:横向:,,,;纵向:;弹性摸量:;泊松比:/,其中是斜率.
高温密栅云纹法测试误差及分析
由于试件本身受温度的影响发生热变形,
也会随之发生变形,即频率发生变化,同时由于在计算时一般仍然采用原频率计算位移量,这会对位
,室温时的光栅频率为,室温条件下试件的长度为
,试件的变形量为△,试件材料的热膨胀系数为,温差为,变形前和变形后的光栅频率存在关系
厂△
即
⋯
当温度差时,不妨热膨胀系数为~,则~,即光栅频率的误差
约为.%,若光栅的频率线/,频率变化线/.所以在高温云纹测量过程中,零场云纹可
在被测温度稳定后进行调整,计算频率仍采用室温下光栅频率,用此方法测得的数据在工程上仍是可以
,在调整光路和准直光时,是根据肉眼观察的,这肯定存
,只要观察到的云纹条纹没有出现弯曲,这时对测量来说是没有影响的;若观察到
的云纹条纹出现了弯曲,则要重新调整准直光,,试件
受热膨胀需要一定的时间,所以在达到指定温度后必须继续保温一段时间以保证试件和拉力杆受热均
匀,,通过测力计观察所加载荷,通常载荷会有±的误差,这时对测量来说
影响很小,通常在实验中取三个试件在同样的条件下进行测量,以消除读数误差.
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结语
采用激光云纹干涉法测试材料的弹性模量和泊松比是可行的,在采取适当的措施后,测试精度也是
,即得到应力一应变关系曲线,按照公式利用软件对数据
线形回归,,温度越高,材料越“软”,即弹性模量越低,泊
松比越大.
参考文献:
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.....—,.
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,:—.
李禾,李仁增,严超华,
讨会,海南,.
李禾,严超华,李仁增,,,:—
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严超华,李仁增,李禾,,
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李禾,李仁增,王凤翔,,:—.
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责任编校:朱夜明