传感器原理及应用——光弹效应实用教案

1、光弹效应(xioyng) 光弹效应（photo-elastic effect）： 也称作光弹性效应，又作双折射效应。 它是物质的弹性形变，产生双折射，引起其折射率发生变化的现象。 当外力或振动作用于弹性体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质，这种有内应力的透明介质( jizh)中o光和e光折射率不相等，它与应力分布有关。这种现象即为光弹性效应。 第1页/共14页第一页，共15页。塑料(slio)、玻璃、环氧树脂等非晶体在通常情况下是各向同性而不产生双折射现象的，但当它们受到应力时，就会变成各向异性显示出双折射性质，这种现象称为光弹性效应。第2页/共14页第二页，共15页。例如(l

2、r) 把塑料膜拉紧后夹在两块偏振片之间，通过白光观察可以看到彩色(cis)图样，拉图改变，彩色(cis)图样也发生变化，显示出双折射现象，其变化随应力变化。第3页/共14页第三页，共15页。又例如(lr) 玻璃在制造过程中，由于冷却不均匀，使内部受到不同程度的应力，导致其自行破裂。把玻璃放在两块偏振片之间观察应力引起的双折射现象，就可以检查出内部应力的分布情况，在单色光照射下可以看到明暗交替的花样；在白光照射下，则显示出彩色花样。为了消除光学玻璃的内部应力，在磨制光学元件例如天文望远镜的镜头( jngtu)等之前，必须进行缓冷处理和偏振光检查。第4页/共14页第四页，共15页。双折射现象(xi

3、nxing)光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。他们为振动方向互相垂直的偏振光。光在非匀质体中传播(chunb)时，其传播(chunb)速度和折射率值随振动方向不同而改变，其折射率值不止一个。光波入射非均质体，除特殊方向以外，都要发生双折射，分解成振动方向不同，传播(chunb)速度不同，折射率不等的两种偏振光，此现象称为双折射。放置在方格纸上的方解石显示(xinsh)出双折射现象第5页/共14页第五页，共15页。 双折射现象，光学现象的一种，可以用光的横波性质来解释。当光照射到各向异性晶体（单轴晶体）时，发生两个不同方向的折射；其中一个遵守折射定律的称为o光（寻常(

4、xnchng)光），另一束不遵从折射定律的称为e光（非常光），这两束光都是偏振光。光线从一个特殊的角度(jiod)射入晶体是不会发生双折射现象，这一角度(jiod)称为晶体的光轴。o光寻常(xnchng)光（ordinary ray）e光非常光（extraordinary ray）第6页/共14页第六页，共15页。光弹效应(xioyng)的原理 各向同性介质在某一方向受压力或拉力作用时，在这方向上就形成介质的光轴，若这时出现的o光和e光的折射率分别为no 和ne，则它们通过厚度为 的物体后产生的光程差为=(no-ne)实验表明，在一定(ydng)的应力范围内折射率之差与应力 P 成正比，即no

5、-ne=C*p式中C为介质的材料系数，它和材料的性质有关。第7页/共14页第七页，共15页。 这样，两束光经厚度为 的形变介质层后，所得的光程差为=(no-ne)=cp其位相差即为 =2(no-ne) /= 2cp / 这两束光经形变介质后又射至检偏器，这时两束光都成为振动面平行于偏振器主截面的平面偏振光，因而能够通过检偏器，由于它们频率相同，有固定的相位差，振动方向又相同，因而能产生干涉，干涉的结果( ji gu)决定于它们的位相差。第8页/共14页第八页，共15页。 如果形变介质受力是均匀的，那么观察到的彩色是相同的，如果形变介质受力是不均匀的，有的地方出现的颜色也就不同，如果应力(yng

6、l)分布相当复杂，那就会呈现出五彩缤纷的复杂图案。利用这个方法(fngf)来研究介质应力的分布，目前已发展成为一个专门的学科光测弹性学，它为工程设计解决了极其复杂的应力分析问题。第9页/共14页第九页，共15页。 在外界动力作用的影响下，液体也能发生光学的各向异性，举例来说，液体在两个同轴圆筒（一个固定，一个转动）间流动而发生速度梯度时，即表现出双折射性能，折射率差值可达相当大的数值；液流方向和液体光轴之间的夹也很大。被超声振动激发的液体中，也发现了双折射现象，这也是由于在声波场中存在(cnzi)液体速度梯度的缘故。第10页/共14页第十页，共15页。光弹效应(xioyng)实验 1、观察光弹

7、材料受力后由各向同性变为各向异性所引起的应力分布图样。 2、区分等倾线和等差线。 3、使用1/4波片消去等倾线。 4、使用专用应力分析软件 进行应力分析（需选购件）。 仪器特点： 压力数值显示 光源(gungyun) 220V,30W 偏振片的 有效通光孔径：58MM,1/4波片的 有效通光孔径58MM第11页/共14页第十一页，共15页。光弹效应(xioyng)的应用 通过光弹性效应，研究材料内部的应力情况 例如. 设计大吊钩时，要知道实际使用时内部的应力分布情况。可用透明(tumng)的环氧树脂制成模拟吊钩，通过光弹效应，了解内部应力的分布第12页/共14页第十二页，共15页。Thats all! Thank you!第13页/共14页第十三页，共15页。谢谢您的观看(gunkn)！第14页/共14页第十四页，共15页。NoImage内容(nirng)总结光弹效应。也称作光弹性效应，又作双折射效应。光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折