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1、光弹应力实验直观光弹应力实验和数字光弹应力实验东南大学力学实验中心主讲黄跃平2007年07月简介实验应力分析两大分支实验应力分析两大分支电测法电测法光测法光测法电测法：电测法： 测定某测定某点点应变，在实际受力中分析。应变，在实际受力中分析。光测法：光测法：将受力将受力构件构件做成模型，置于光场中，做成模型，置于光场中，使使应力变得可得看见应力变得可得看见。测定模型应力值。由相。测定模型应力值。由相似原理换算出实际应力。似原理换算出实际应力。【实验目的】【实验目的】1观察光的偏振现象，验证马吕斯定律；2了解偏振片、1 / 4波片的作用；3掌握线偏振光、圆偏振光的产生；4. 了解光弹试样的制作方
2、法；5. 掌握应力双折射原理和等差线的绘制方法；6. 了解数字光弹仪原理及图像处理方法。自然光自然光普通光源发出的光。普通光源发出的光。偏振光偏振光光矢量沿某一特定方向振动。光矢量沿某一特定方向振动。 当由于某种原因，使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时，我们称这种光线为偏振光。光的偏振使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射）规律有了新的认识，并在光学计量、晶体性质研究和实验应力分析等技术部门有广泛的应用。平面偏振光：光矢量只沿偏振轴方向振动。平面偏振光：光矢量只沿偏振轴方向振动。 圆偏振光：光矢量顶点轨迹为一圆。圆偏振光：光矢量顶点轨迹为一圆。 光是一种电磁波，其电矢量的振动方向垂直于
3、传播方向，是横波。由于一般光源发光机制的无序性，其光波的电矢量的分布（方向和大小）对传播方向来说是对称的，称为自然光。偏振片偏振片可以使天然光变成偏振光的光学元件叫偏振片(polarizer)。人造偏振片有多种，其中一种的制定方法是将具有网状结构的聚乙烯醇高分子化合物薄膜作为片基，把它浸入碘液中，再经过硼酸水溶液还原稳定后，再把它定向拉伸 4-5 倍，使大分子定向排列。即经拉伸后，使高分子材料由网状结构变成线状结构，碘分子则整齐地被吸附在该薄膜上而具有起偏或检偏性能，这种偏振片称为 H- 偏振片。偏振高，可达 99.5 ，适用于整个可见光范围。其应用范围广；缺点是强度差，不能受潮，易退偏振等.
4、线偏振光化学方法制成由长链分子组成的薄膜，分子中自由电子可沿长链自由运动，长链成了导线。当自然光通过此薄膜时，沿长链分之排列方向的光振动（光波电矢量）将使长链分子中的自由电子运动而把能量传给分子，故这种光振动不能通过薄膜，而将被薄膜吸收，光振动方向垂直于长链分子排列方向时，分子中自由电子的运动状态受光波电场的影响可以忽略不计，薄膜不吸收光的能量，这种振动的光波可通过薄膜。垂直于分子长链的方向就是通光方向或偏振化方向。这种薄膜就是偏振片。自然光经过偏振片，能量损失一半，而成为线偏振光。线偏振光通过偏振片时，通光状态与偏振片的通光方向和线偏振光的偏振面的夹角有关，转动偏振片可看到透过光强呈正弦规律
5、变化，据此可用线偏振片来检。验线偏振光。应力双折射应力双折射; ;光测弹性效应光测弹性效应透明的固体材料在外力作用下，透明的固体材料在外力作用下，折射率特性发生改变而产生双折折射率特性发生改变而产生双折射的现象。若材料是各向同性的，射的现象。若材料是各向同性的，则外力作用使其成为各向异性而则外力作用使其成为各向异性而产生双折射；若材料是各向异性产生双折射；若材料是各向异性的，则外力作用会使其产生附加的，则外力作用会使其产生附加双折射。双折射。在工程上可利用应力双在工程上可利用应力双折射现象观察各种力学结构的应折射现象观察各种力学结构的应力分布。力分布。模型受力后，平面偏振光通过此模型受力后，平
6、面偏振光通过此模型时，沿两主应力方向分解为模型时，沿两主应力方向分解为两支两支。光弹性试样光弹性试样常规光弹性试样直观光弹性试样常规光弹性试样直观光弹性试样 同学们如果有新试样设计方案，经指导教同学们如果有新试样设计方案，经指导教师审核后，实验中心可提供试验材料由同学自行加工师审核后，实验中心可提供试验材料由同学自行加工试样。试样。平平行行光光平平行行光光平平面面偏偏振振光光圆圆偏偏振振光光圆圆偏偏振振光光平平面面偏偏振振光光光光源源准准光光镜镜检检偏偏镜镜波波片片起起偏偏镜镜波波片片模模型型成成像像透透镜镜反反光光镜镜屏屏幕幕光弹性实验仪的光路图光弹性实验仪的光路图受力模型在平面光弹仪中受力
7、模型在平面光弹仪中平面应力光定律平面应力光定律C C 光学系数光学系数 t t 模型厚度。模型厚度。（1 1-2 2） 某点的主应力差某点的主应力差。如如果果1 1与与p p轴轴夹夹有有角角，1 1与与2 2的的方方向向即即是材料内快轴与是材料内快轴与慢轴慢轴的方向。的方向。 去掉去掉1/4波片，平面偏振光场：等差线、波片，平面偏振光场：等差线、等倾线同时存在。等倾线同时存在。 黑色条纹：黑色条纹： 等倾线或等倾线或0级等差线。级等差线。区别区别：同步旋转分析镜：同步旋转分析镜动：等倾线动：等倾线不动：等差线不动：等差线同步旋转偏振镜，同步旋转偏振镜，得到不同得到不同 (0(0 ,5,5 ,1
8、0,10 ) )等倾线。等倾线。等倾线等倾线等差线等差线主应力差相等的主应力差相等的线线n = 1n = 1、22，某种颜色被消光，彩色条纹某种颜色被消光，彩色条纹白光白光n = 0n = 0，1 1-2 2=0=0，I=0I=0；消光，黑色条纹消光，黑色条纹 I=0, I=0, 消消光光通常作单一波长作实验，或是及单色光。通常作单一波长作实验，或是及单色光。应力模型在圆偏光应力模型在圆偏光中中加加1/41/4波片，波片，应力模型在圆偏光中应力模型在圆偏光中，消除等，消除等倾线，只有等差线（彩色条纹）倾线，只有等差线（彩色条纹），而无等，而无等倾线倾线，比较常用。比较常用。正交圆偏振光场正交圆
9、偏振光场1/41/4波片快慢轴成波片快慢轴成 4545 。圆偏振光圆偏振光场场理论上等差线与等倾线均为细线，但是实理论上等差线与等倾线均为细线，但是实验上观察时为有宽的带状，这是因为光强验上观察时为有宽的带状，这是因为光强度为曲线分布，成为有宽度的带状。度为曲线分布，成为有宽度的带状。【实验操作与现象】1隔一个偏振片观测白光源，注意光强的变化。2隔两个偏振片观测白光源，转动一块，看光强的变化。【实验拓展】考虑实际偏振片与理想偏振片的区别，即沿通光方向振动的偏振光,光的透射率也会略小于1;垂直通光方向振动的偏振光,光的透射率也会略大于0。试重写马吕定律关于自然光通过两块偏振片的光强表达式。【应力
10、双折射实验原理】应力双折射材料的光学介质折射率变化的程度与应力成正比，当线偏振光通过它以后，线偏振光在这种材料因应力而出现的光轴方向和垂直于光轴方向的两种光振动的附加相位差则随应力分布的不同而不同，再令这种光通过检偏振片就产生了偏振光的干涉现象，即两个分量都投影到检偏振片的通光方向的振动的叠加，人眼看到与应力分布相关的干涉条纹。【实验操作与现象】1.使两偏振片正交，此时幕上为消光。 2.将试样放入两偏振片之间的光路中。此时，试样不受力，试样中双折射不显著，幕上可看到试样的轮廓。3.对试样加压，可看到试样内产生美丽的彩色干涉条纹和黑色花纹，如图所示。图中外力的方向与偏振片透光方向成45度角，彩色
11、花纹称为等色线，黑色花纹称为等倾线。等色线的疏密情况反映试样内该点的应力大小，等倾线反映应力的方向。从照片中可以看出外力的作用点处干涉条纹最密，应力最强；根据试样内等色线和等倾线的分布可推测试样内应力的分布。 4.撤除外力，干涉条纹消失，即双折射消失，试样回复为光学各向同性。直观式光弹演示试样使应力看的见。【数字光弹实验软件操作】数字光弹实验软件（东南大学研制2007年）可对数字光弹照片或摄像机采集图像进行分析演示。极大地降低了实验成本，可实现同时小组化多组实验。【获取数字光弹图片操作】方法1、通过选择键同学可以选择光弹试样图片，方法2、通过数字CCD也可以直接拍摄试样图片，方法3、用数码相机拍摄照片后，输入计算机并通过浏览键打开。【数字光弹图像滤色效果操作】在原始图片上选择待处理区域后，可以点击滤色键，可以在效果窗体上显示出滤色效果。红色效果绿色效果兰色效果【等色线操作】在原始图片上选择待处理区域后，点击WB键，可以在效果窗体上显示出黑白效果图片及等差线。有能力的同学可以学习图片中等差线的精确计算方法。【直观光弹试样效果图】直观光弹试样可以在明亮的环境中直接观查应力场；视场大，可以由试验机加力或人工施力，观查方便；适合多组多试样同时进行，大大降低试验设备成本投入。东南大学力学实验中心02583792247
