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1、云纹干涉测试技术 一、云纹干涉法的定义及发展： 八十年代初（自1979 Post D 最早提出）兴起的一种具有非接触测量 、可进行全场、时实进行位移分析的高灵敏度大量程的光学测量方 法。 创始人Post D 开始以传统的几何云纹为基础去解释云纹法，并没 能真正揭示其物理本质，并阻碍了其进一步发展； 由于该方法是以被测试件表面高灵敏度云纹光栅作为变形传感器， 因此，高质量的云纹光栅的制作和复制成为影响该技术应用的关键 ； 近年来，严格的理论基础的建立、制作已日益成熟，使得该技术已 成功被应用于材料、力学等研究领域，特别是应用于近代力学实验 的精确测量中。 目前，通常使用频率为6002400线/m
2、m的高密度光栅，其测 量位移灵敏度比传统的测量方法提高至几十、甚至上百倍。 云纹干涉法在实验技术和应用方面迅速发展使得： -由对面内位移的测量推广到测量离面位移,进而实现三维位移场 同时测量; 已实现直接测量三维位移场的导数场和变形板的曲率场; 通过汞灯加滤波等方法可使白光云纹干涉法得以实现, 放松了云 纹干涉法 对光源的苛刻要求。 其关键技术制栅水平的不断提高,如高温和零厚度高频光栅相继 出现,使云纹干涉法的应用范围日益扩大； 云纹干涉法对应的测量灵敏度的理论上限为/ 2 的条纹位移,可 见云纹干涉法是一种高精度测量方法； 最近已被应用研究微电机机械系统（MEMS）内表面位移 的测量中； I
3、nplane displacement: 面内位移 Outplane displacement:离面位移 Moire interferometry:云纹干涉测量法 MEMSmicroelectromechanicalsystem:微电机系统 云纹干涉法的定义及发展 当一束单色准直光入射试件栅表面时,光线将从不同角度以集中 能量的形式产生多级衍射波。 由D.Post 首先提出的双光束对称云纹干涉法光路的概念： 当两束相干准直光A、B以入射角： 对称入射试件栅时，则将获得沿试件表面法线方向传播光波A的正 一级衍射光波A和B的负一级衍射光波B，且试件未受力时，A 和B均为平面光波。 二、基本原理 D
4、iffraction:衍射 如果试件受载产生变形,其变形信息就会载入各级衍射波中,试件表面 位移的变化一一对应着衍射波的位相变化，则可根据衍射波干涉条纹形 状及变化测量出试件表面的变形分布及其变化。 当对称入射的两准直相干光A 和B 的入射角为: = arcsin (f ) f ：试件栅的频率 ：波长 由光栅的衍射方程: sin = mf sin m :衍射波级次（m=1,2,.n） 可知,它们一级衍射光的衍射角为:1 = 0 ,即其1 级衍射光波A、B 均沿试件栅法线方向行进。 如果试件栅非常平整,试件亦未受力,则两个正、负一级衍射波A、B 可视为平面波,并分别表示为： A= Ae ia B
5、= Ae ib 式中: A 振幅,对于平面波位相a 和b 皆为常数 当试件受载发生变形时,平面波变为和表面变形相关的翘曲波前 A和B,可分别表示为: A= Aei a+a( x , y) B= Aei b+b( x , y) 式中 a ( x , y) 和b ( x , y) 是由于试件表面位移变化而引起的 位相变化。 当试件表面具有三维位移时,位相变化a ( x ,y) 和b ( x , y) 与x 、 z 方向位移u 和w 有关,且由变形几何分析可知: a ( x , y) =2/ w ( x , y) (1 + cos) + u ( x , y) sin b ( x , y) =2/ w
6、 ( x , y) (1 + cos) - u ( x , y) sin 两束衍射波前经过成像系统后在像平面上形成干涉条纹的光强分布 可表示为: I= ( A+ B) ( A+ B)* = 2 (a - b) + a ( x , y) - b ( x , y) =4 A 2cos2 1/2 m +( x , y) m = a b ( x , y) = a ( x , y) - b ( x , y) m -两束平面波A和B的初始位相差,为一常数, 并可等效于试件平移产生的均匀位相; ( x , y) 试件变形后两束翘曲衍射波前的相对位相变化。 最后求出： =4/ u ( x , y) sin 当
7、( x , y) = 2 N x- m 时,干涉光强最大即是亮条纹,代入上式中 得 u ( x , y) sin =/4(2 N x - m) 若入射光满足sin=f ,则: u ( x , y) =1/4f(2 N x - m) 式中 f 试件栅频率; 因m 可等效于刚体平移所产生的均匀位相,或理想地设m = 0 ,则: u ( x , y) =N x/2 f u ( x , y) 任意点x 方向位移; N x 该点条纹级数,即干涉条纹是位移沿x 方向分量u ( x , y) 的等值线。 为了Y和Z方向的等值线（位移场）可用四光束云纹干涉 法 制栅技术 云纹光栅的制作是云纹干涉法的重要内容，
8、它是影响和制约云纹干涉 法的推广应用的关键技术。 制备方法： 机刻昂贵、成本高，且光栅频率受限，已基本不用。 光刻采用激光全息干涉系统和光致抗蚀剂（光刻胶）。 旋转电光源全息光栅制作系统： 根据全息干涉原理，全息光栅的频率与双光束的夹角2 和光源的波 长 有关， 旋转点光源全息光栅制作系统 云纹法测量复合材料的U场和V场 Fe-TZP结构陶瓷典型的加载过程中的u场分布云图 铜基多晶体形状记忆合金伪弹性研究 在垂直界面断裂力学问题中的实验研究 在垂直界面断裂力学问题中的实验研究 云纹测试法在测试高温材料中的应用 U场、100C0、2kNV场、100C0、2kN U场、350C0、1.4kN V场
9、、350C0、1.4kN 根据记录下的加载载荷，并利用云纹法测得的纵 、横向变形即可求得铝基碳化硅的弹性模量和泊松 比。 云纹法应用与铁电陶瓷在机电耦合条件下 破坏行为的研究 力电加载装置 力载荷恒定不同电载荷下裂纹尖端位移场 最后求得在裂纹尖端处的正应变场 云纹法的定义： 云纹法是测量位移和应变场的一种光学 方法。其主要特点是量程较大，弹性、 塑性破坏时的大应变都可测量。由于测 量可在由原型材料制成的模型上进行， 所以能够较准确地模拟原型所经历的各 种物理过程，无论静态或动态载荷都适 用。且工作稳定性好，实验设备简单， 但灵敏度较低。 栅板的定义：栅板是云纹测量法的基本 元件，由透明和不透明
10、相间的等距平行 线组成，不透明的暗线条成为栅线。相 邻两栅间的距离P的倒数称为密率。 云纹的基本性质 1. 栅线平移形成的云纹 设有R，S二栅， 节距为P，P且PP, 令两栅第0根栅线重合，第一根相隔 至R的第m根相距 若 这时两栅线第一次重合，此线两旁栅缝重合 遮挡面积最小，形成亮带。 而R的第m/2根栅线正好落在S的栅缝中央，此处阻光最多，形 成暗带。据此，还有第二级次的亮带直至N级，N称为云纹序 数。显然相邻两亮带与亮带（或暗带）之间相距为m个参考栅 节距。 设云纹间距为d则有d=mp=(m-1)p, 消去m可得： 2. 栅线转动形成得云纹 确定应力和云纹间关系的 几何方法 在平面应力情况下，任 意一点存在三个应变分量 正应变将引起栅线平移， 剪应变引起栅线转动，所 以产生的云纹将是上述两 种情况的综合。可用几何 方法分析应变与云纹间的 关系并可以给出两条云纹 之间应变平均值。 证明略。
