第七章 云纹法.ppt

1、第七章 云纹法,1 概述 云纹图两个周期性变化的格栅（栅线）迭合所形成的亮暗条纹 云纹对小变形的放大作用： 格栅几何形状的微小改变（由物体的微小变形产生）将引起云纹条纹的宏观移动。所以云纹条纹对小变形有放大作用。这是云纹法在实验力学中进行应变分析的物理基础。 云纹法的发展：两块纱窗或其他规则图案迭合所产生条纹图样，生活中早已发现。从1844年法国科学家丹托（Danto.M）将云纹条纹与应变理论结合后，云纹在应变分析中的理论和技术，得到迅速发展，并进入广泛应用阶段；八十年代，美国科学家D.Post提出和发展了干涉云纹技术，提高了云纹的灵敏度，使得云纹法进入了亚微观领域，从而云纹法获得了更为广阔的

2、应用，成为科学研究和工程检测的重要手段。 云纹法特点：设备简单、图像清晰、实物测量、实时自动检测、应用广泛。,云纹栅线,2 面内云纹,当使用栅线密度比较小时（50线/mm以下），而形成的云纹方法称几何云纹；使用栅线密度较大时（通常600/mm以上）所形成的云纹方法称干涉云纹，分别用几何光学和波动光学理论解释。 本节先从几何云纹中的面内云纹讲解。,图7-1 栅线,云纹条纹的形成 栅线平行等间距的明暗线，如图1a所示 节距相邻两条暗线或明线间的距离 主方向垂直于栅线的方向 云纹条纹当两组栅线相迭合时，所生成的黑白相间的亮暗带,三、云纹条纹的性质 1条纹间距： 如图所示： 图7-2 等和条纹和等差条

3、纹,2平行云纹和转角云纹： 1)平行云纹： 当=0，P2P1时，由（6）式可得： （7） 即当两栅线间加角为零，而栅距不相等时形成平行云纹，云纹条纹与栅线平行，条纹间距由（7）式求出。均匀拉伸时生成的云纹属于此情况。平行云纹生成的示意图如图3(a)所示。 图7-3a 平行云纹,2)转角云纹 当两栅节距相等时(P=P=P)两栅间夹角不为零而有一小角度时，生成与栅线相垂直的云纹条纹，称为转角云纹。其条纹间距由（6）式求得为： （8） 试件刚性转动时生成的云纹属于这种情况。转角云纹生成示意图如图3(b) 图7-3 b 转角云纹 3)曲线状条纹： 当栅距P1P2，两栅间夹角不为零，组合迭加形成曲线状云

4、纹条纹。它对应于试件作非均匀变形时所产生的云纹条纹。,3 云纹条纹与位移和应变的关系,一、与位移关系如图（7-4）所示 图7-4 云纹条纹是等位移点的轨迹 试件栅粘于试件表面的栅线。 参考栅与试件相迭合的另一组栅线，试验中它是不变化的 将试件栅、参考栅按顺时针方向编号，变形前两者完全重合。试件发生非均匀变形时，产生云纹条纹。,由图4，结合等差条纹级数方程 Nlm，可知： 1.当lm，则N0，即零级条纹变形栅相对参考栅，在栅线主方向上位移为零。 2.当lmN，则为N级条纹， N级条纹表明变形栅相对参考栅在栅线主方向上位移N节距。由此可得： 栅线主方向上位移VNp （9） 所以，N级条纹表示沿栅线

5、主方向位移vNp相等的点的轨迹，或者说，表示沿栅线主方向位移分量vNp相等的等值条纹。 同理，当栅线主方向旋转90o，即栅线主方向转至x方向，可得栅线主方向上位移分量U相等的等值条纹，即栅线主方向上位移 UMp （10） 若试件栅使用正交栅线，可在同一状态下，分别获得位移分量U和V。,4影像云纹法（阴影云纹）,平行光照射与平行光接受系统 1光路布置 图7-7 平行光照明、平行光接受系统示意图,三、投影云纹： 它是一种改进的影像云纹方法，用投影仪将栅线投影于曲表面，这种在曲表面的变形栅与配套栅板作参考栅而形成的云纹称为投影云纹法。 四.影像云纹的应用 1.测量曲面物体的形貌：云纹条纹反映曲体的等

6、高线。 2.测量物体的挠度：变形前测出初始等高线，再测出加载变形后的等高线，变形前后等高线之差，得各点挠度值。 3.振动模态分析：振动过程中所得到的相对于不动节点而生成的等幅度线，这就是所需要的振动模态或振型,5干涉云纹法,一、光的干涉 图7-8 光的干涉,二、光栅的衍射 图7-9 光的衍射,三、干涉云纹法的基本原理 原理光路图于 图7-10 图7-10 a 用于云纹干涉计量的干涉示意图,（b）在试件未受载的初始状态下，由试件栅产生的波阵面为平面输出光束A和B。翘曲波阵面A”和B”是由试件栅的非均匀变形造成的。,干涉云纹测量面内位移的计算公式和 几何云纹法的基本方程相同，可表示为： U=Mp

7、(25) 式中p为虚参考栅节距，所以又可得： U=Mp物/2 （25） 可见，干涉云纹具有倍增作用。,四、干涉云纹实验光路 图7-11 干涉云纹法 的实验光路,五、干涉云纹法的灵敏度 根据干涉云纹法位移公式U=Mp物/2，因为衍射光栅的节距达到或小于微米级，所以其灵敏度远高于几何云纹法，与全息干涉，散斑干涉法的灵敏度相同。 U场 v场 图7-12 纯弯曲荷载下裂纹的u场和v场,6 试件栅的制作,在试件表面制作具有高衍射频率的试件栅是云纹实验成功的关键。目前常用的有下列两种方法，即： 一、振幅型试件栅 A涤纶片基 B剥离层 C印有栅线的感光膜 图12可撕膜软片构造,对于一般在20l/mm100l

8、/mm的振幅型试件栅，可采用可撕膜软片转贴法。可撕膜软片的构造如图12,在软片的感光膜上印有黑白相间的振幅型栅线。将试件表面清洗干净，用502胶水将感光膜粘贴到试件表面上去，使试件栅的主方向与试件的变形方向完全一致。过几个小时后，轻轻撕下涤纶片基，只留很薄一层印有栅线的感光膜在试件表面，这就完成栅的制作。 二、位相型衍射试件栅 对于频率达60l/mm和1200l/mm的试件栅，其制作分两部分进行，模板制造和试件栅的复制。 模板制造：如图12,a、b、c、d所示，模板是一块经过处理的照相底板，照相底板放在两准直相干光束形成的相干区内曝光，调节相干光使模板频率成为需要值。当底片显影时，银粒留在曝光区，同时其他部位的银粒被冲掉，接着底片经过脱色，金属银转变成透明的银化合物。明胶一干就收缩，由于局部受到银化合物带的约束，结果形成不均匀的收缩，如图12c有规则的波纹表面。在这表面上，先涂一层脱膜剂，再涂一层氧化铝薄膜，这样就完成了模板制作。 试件栅复制。图13,f描述了用模板复制试件栅