云纹干涉测试技术ppt课件

1、云纹干涉测试技术一、云纹干涉法的定义及开展：一、云纹干涉法的定义及开展：八十年代初自八十年代初自1979 Post D 1979 Post D 最早提出兴起的一种具最早提出兴起的一种具有非接触丈量、可进展全场、实时进展位移分析的高灵有非接触丈量、可进展全场、实时进展位移分析的高灵敏度大量程的光学丈量方法。敏度大量程的光学丈量方法。开创人开创人Post D Post D 开场以传统的几何云纹为根底去解释云开场以传统的几何云纹为根底去解释云纹法，并没能真正提示其物理本质，并妨碍了其进一步纹法，并没能真正提示其物理本质，并妨碍了其进一步开展；开展；由于该方法是以被测试件外表高灵敏度云纹光栅作为变由于

2、该方法是以被测试件外表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造和复制成为形传感器，因此，高质量的云纹光栅的制造和复制成为影响该技术运用的关键；影响该技术运用的关键；近年来，严厉的实际根底的建立、制造已日益成熟，使近年来，严厉的实际根底的建立、制造已日益成熟，使得该技术已胜利被运用于资料、力学等研讨领域，特别得该技术已胜利被运用于资料、力学等研讨领域，特别是运用于近代力学实验的准确丈量中。是运用于近代力学实验的准确丈量中。 目前，通常运用频率为目前，通常运用频率为60060024002400线线/mm/mm的高密度的高密度光栅，其丈量位移灵敏度比传统的丈量方法提高至几十、光栅

3、，其丈量位移灵敏度比传统的丈量方法提高至几十、甚至上百倍。甚至上百倍。云纹干涉法在实验技术和运用方面迅速开展使得：云纹干涉法在实验技术和运用方面迅速开展使得： - -由对面内位移的丈量推行到丈量离面位移由对面内位移的丈量推行到丈量离面位移, ,进而实现三维位移场进而实现三维位移场同时丈量同时丈量; ; 已实现直接丈量三维位移场的导数场和变形板的曲率场已实现直接丈量三维位移场的导数场和变形板的曲率场; ; 经过汞灯加滤波等方法可使白光云纹干涉法得以实现经过汞灯加滤波等方法可使白光云纹干涉法得以实现, , 放松了云放松了云纹干涉法对光源的苛刻要求。纹干涉法对光源的苛刻要求。 其关键技术制栅程度的不

4、断提高其关键技术制栅程度的不断提高, ,如高温暖零厚度高频光栅相继如高温暖零厚度高频光栅相继出现出现, ,使云纹干涉法的运用范围日益扩展；使云纹干涉法的运用范围日益扩展； 云纹干涉法对应的丈量灵敏度的实际上限为云纹干涉法对应的丈量灵敏度的实际上限为/ 2 / 2 的条纹位移的条纹位移, ,可见云纹干涉法是一种高精度丈量方法；可见云纹干涉法是一种高精度丈量方法； 最近已被运用研讨微电机机械系统最近已被运用研讨微电机机械系统MEMSMEMS内外表位移内外表位移的丈量中；的丈量中； In Inplane displacement: plane displacement: 面内位移面内位移 Out O

5、utplane displacement:plane displacement:离面位移离面位移 Moire interferometry: Moire interferometry:云纹干涉丈量法云纹干涉丈量法 MEMS MEMSmicroelectromechanicalsystem:microelectromechanicalsystem:微电机系统微电机系统云纹干涉法的定义及开展云纹干涉法的定义及开展 当一束单色准直光入射试件栅外表时,光线将从不同角度以集中能量的方式产生多级衍射波。 由D.Post 首先提出的双光束对称云纹干涉法光路的概念： 当两束相关准直光A、B以入射角： 对称入射

6、试件栅时，那么将获得沿试件外表法线方向传播光波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、根本原理二、根本原理arcsin()f Diffraction:衍射 假设试件受载产生变形,其变形信息就会载入各级衍射波中,试件外表位移的变化一一对应着衍射波的位相变化，那么可根据衍射波干涉条纹外形及变化丈量出试件外表的变形分布及其变化。 当对称入射的两准直相关光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 ,

7、即其1 级衍射光波A、B均沿试件栅法线方向行进。 假设试件栅非常平整,试件亦未受力,那么两个正、负一级衍射波A、B可视为平面波,并分别表示为： A= Ae ia B= 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,平面波变为和外表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) 是由于试件外表位移变化而引起的位相变化。当试件外表具有三维位移时,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

8、可知:a ( x , y) =2/ w ( x , y) (1 + cos) + u ( x , y) sinb ( x , y) =2/ w ( 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构成干涉条纹的光强分布两束衍射波前经过成像系统后在像平面上构成干涉条纹的光强分布可表示为可表示为: : I= ( A+ B) ( A+ B) I= ( A+ B) ( A+ B)* * = 2 (a - b) + a ( x , = 2 (a - b) + a ( x , y) - b ( x , y) y) - b ( x , y) =4 A

9、2cos2 1/2 m +( x , =4 A 2cos2 1/2 m +( x , y) y) m = a m = a b b ( x , y) = a ( x , y) - b ( x , y) ( x , y) = a ( x , y) - b ( x , y) m - m -两束平面波两束平面波AA和和BB的初始位相差的初始位相差, ,为一常数为一常数, , 并可等效于试件平移产生的均匀位相并可等效于试件平移产生的均匀位相; ; ( x , y) ( x , y) 试件变形后两束翘曲衍射波前的相对位相变化。试件变形后两束翘曲衍射波前的相对位相变化。 最后求出：最后求出： =4/ u (

10、 x , y) sin =4/ u ( x , y) sin当当( x , y) = 2 N x- m ( x , y) = 2 N x- m 时时, ,干涉光强最大即是亮条纹干涉光强最大即是亮条纹, ,代入上式中代入上式中得得 u ( x , y) sin =/4(2 N u ( x , y) sin =/4(2 N x - m) x - m) 假设入射光满足假设入射光满足sin=f ,sin=f ,那么那么: : u ( x , y) =1/4f(2 N x - m) u ( x , y) =1/4f(2 N x - m)式中式中f f 试件栅频率试件栅频率; ;因因m m 可等效于刚体平

11、移所产生的均匀位相可等效于刚体平移所产生的均匀位相, ,或理想地设或理想地设m = 0 ,m = 0 ,那么那么: : u ( x , y) =N x/2 f u ( x , y) =N x/2 fu ( x , y) u ( x , y) 恣意点恣意点x x 方向位移方向位移; ;N x N x 该点条纹级数该点条纹级数, ,即干涉条纹是位移沿即干涉条纹是位移沿x x 方向分量方向分量u ( x , y) u ( x , y) 的等值的等值线。线。为了为了Y Y和和Z Z方向的等值线位移场可用四光束云纹干涉方向的等值线位移场可用四光束云纹干涉法法1122xxxNNuxfxfx1122yyyN

12、Nyfyfy1124yxxyNNuyxfyx制栅技术制栅技术云纹光栅的制造是云纹干涉法的重要内容，它是影响和云纹光栅的制造是云纹干涉法的重要内容，它是影响和制约云纹干涉法的推制约云纹干涉法的推 广运用的关键技术。广运用的关键技术。制备方法：制备方法： 机刻昂贵、本钱高，且光栅频率受限，已根本不用。机刻昂贵、本钱高，且光栅频率受限，已根本不用。 光刻采用激光全息干涉系统和光致抗蚀剂光刻光刻采用激光全息干涉系统和光致抗蚀剂光刻胶。胶。旋转电光源全息光栅制造系统：旋转电光源全息光栅制造系统：根据全息干涉原理，全息光栅的频率与双光束的夹角根据全息干涉原理，全息光栅的频率与双光束的夹角2 和光源的波长和

13、光源的波长 有关，有关，2sinf旋转点光源全息光栅制造系统旋转点光源全息光栅制造系统云纹法丈量复合资料的云纹法丈量复合资料的U场和场和V场场Fe-TZPFe-TZP构造陶瓷典型的加载过程中的构造陶瓷典型的加载过程中的u u场分布云图场分布云图铜基多晶体外形记忆合金伪弹性研讨铜基多晶体外形记忆合金伪弹性研讨在垂直界面断裂力学问题中的实验研讨在垂直界面断裂力学问题中的实验研讨在垂直界面断裂力学问题中的实验研讨在垂直界面断裂力学问题中的实验研讨云纹测试法在测试高温资料中的运用云纹测试法在测试高温资料中的运用U场、场、100C0、2kNV场、场、100C0、2kNU场、场、350C0、1.4kNV场、场、350C0、1.4kN根据记录下的加载载荷，并