CN109141699B - 基于双折射效应的物体表面拉压应力测量方法 - Google Patents

基于双折射效应的物体表面拉压应力测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双折射效应的物体表面拉压应力测量方法。将具有双折射效应的双折射材料贴于待测物体表面，当待测物体受到拉力或者压力时，其表面形变会使应变材料随之发生形变，从而双折射率发生改变，通过测量双折射率的变化即可得到待测物体表面所受到的拉压力大小。本发明能够无损的进行物体特别是重要机械和工程构件表面应力测量。

Description

基于双折射效应的物体表面拉压应力测量方法
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于双折射效应的物体表面拉压应力测量方法。
背景技术
应力与应力集中在现代工业生产当中造成了越来越多的问题，应力集中是管道、压力容器、涡轮盘、压缩机叶片和飞机构件等重要承载结构件发生失效的重要原因之一，所以在许多领域需要进行应力测量。如在机械工程及制造设备如起重机、挖掘机、水泥泵车等工程机械的力臂等部位需要进行应变应力测试以确定性能是否符合要求，在大型钢结构桥梁和道路涵隧工程结构需要进行静载强度试验和应力测试以确保工程质量等。许多现有应力测量方法都是破坏性的，利用光学测量的方法测量双折射率变化可以在上述场合进行无损的拉压应力测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双折射效应的物体表面拉压应力测量方法，能够无损的进行物体特别是重要机械和工程构件表面应力测量。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于双折射效应的物体表面拉压应力测量方法，将具有双折射效应的双折射材料贴于待测物体表面，当待测物体受到外力时，其表面形变会使应变材料随之发生形变，从而双折射率发生改变，通过测量双折射率的变化即可得到待测物体表面所受到的拉压力大小。
在本发明一实施例中，该方法具体实现步骤如下：
步骤S1、将具有能够随着形变发生双折射率线性变化的双折射材料黏贴于待测物体表面；
步骤S2、对待测物体施加外力，此时待测物体发生形变带动黏贴于待测物体上的双折射材料也随之发生形变；
步骤S3、分别测量待测物体没有受到外力时双折射率材料的双折射率，以及待测物体受到外力时双折射材料的双折射率，建立待测物体所受外力大小与双折射材料的双折射率之间的关系曲线；
步骤S4、由步骤S3所建立的外力大小与双折射材料的双折射率之间的关系曲线，即可根据待测对象表面双折射材料的双折射率得到此时待测对象的表面应力大小。
在本发明一实施例中，所述外力包括拉力、压力。
在本发明一实施例中，所述双折射率的测量，通过双折射率测量光路实现；所述双折射率测量光路包括宽带光源、分束器、第一1/4波片、平面镜、扫描振镜、第二1/4波片、透镜、第一CCD、第二CCD、偏振分束器；宽带光源发射的光束经分束器后分成两路，一路光经过快轴方向与水平方向成22.5°角的第一1/4波片后经平面镜原路返回至分束器，一路光经过扫描振镜，再经过快轴方向与水平方向成45°角的第二1/4波片，经过透镜聚焦后入射到待测物体表面的双折射材料中，从双折射材料不同深度返回的光经过后向散射原路返回至分束器与另一路光发生干涉，干涉后的光经过偏振分束器分成两路分别被第一CCD、第二CCD探测，得到的光强分别记为Ah、Av。
在本发明一实施例中，所述步骤S3具体实现如下：
步骤S31、对待测物体未受到外力作用时的双折射材料进行横向扫描，依据下式，对扫描范围内的双折射材料相位延迟进行成像，得到相位延迟图及相应的相位曲线：
Figure BDA0001749587080000021
δ为双折射材料对应的不同深度处的相位延迟；
步骤S32、根据所得的相位曲线，通过下式计算可得待测物体未受到外力作用时的双折射材料的双折射率：
Figure BDA0001749587080000022
式中，Δn为此时双折射材料的双折射率，Δφ为根据相位曲线所得的相位差，λ为宽带光源发射光束的中心波长，Δl为双折射材料厚度；
步骤S33、外力F作用于待测物体，当F变化时，依公式(1)、(2)可得相位延迟图及相应的相位延迟曲线，并计算得到双折射材料的双折射率线性变化；
步骤S34、根据步骤S31-S33，即可建立的外力大小与双折射材料的双折射率之间的关系曲线。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法能够无损的进行物体特别是重要机械和工程构件表面应力测量。
附图说明
图1为应力测量光路示意图。
图2为物体未受到应力时双折射材料的相位延迟图。
图3为图2对应的相位延迟曲线。
图4为物体受到100N拉力时双折射材料的相位延迟图。
图5为图4对应的相位延迟曲线。
图6为物体所受拉力与双折射材料双折射率关系曲线。
图中：1-宽带光源，2-分束器，3-1/4波片，4平面镜，5扫描振镜，6-1/4波片，7-透镜，8-双折射材料，9-待测物体，10-CCD，11-CCD，12-偏振分束器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种基于双折射效应的物体表面拉压应力测量方法，将具有双折射效应的双折射材料贴于待测物体表面，当待测物体受到外力(包括拉力、压力)时，其表面形变会使应变材料随之发生形变，从而双折射率发生改变，通过测量双折射率的变化即可得到待测物体表面所受到的拉压力大小。该方法具体实现步骤如下：
步骤S1、将具有能够随着形变发生双折射率线性变化的双折射材料黏贴于待测物体表面；
步骤S2、对待测物体施加外力，此时待测物体发生形变带动黏贴于待测物体上的双折射材料也随之发生形变；
步骤S3、分别测量待测物体没有受到外力时双折射率材料的双折射率，以及待测物体受到外力时双折射材料的双折射率，建立待测物体所受外力大小与双折射材料的双折射率之间的关系曲线；
步骤S4、由步骤S3所建立的外力大小与双折射材料的双折射率之间的关系曲线，即可根据待测对象表面双折射材料的双折射率得到此时待测对象的表面应力大小。
所述双折射率的测量，通过双折射率测量光路实现；所述双折射率测量光路包括宽带光源、分束器、第一1/4波片、平面镜、扫描振镜、第二1/4波片、透镜、第一CCD、第二CCD、偏振分束器；宽带光源发射的光束经分束器后分成两路，一路光经过快轴方向与水平方向成22.5°角的第一1/4波片后经平面镜原路返回至分束器，一路光经过扫描振镜，再经过快轴方向与水平方向成45°角的第二1/4波片，经过透镜聚焦后入射到待测物体表面的双折射材料中，从双折射材料不同深度返回的光经过后向散射原路返回至分束器与另一路光发生干涉，干涉后的光经过偏振分束器分成两路分别被第一CCD、第二CCD探测，得到的光强分别记为Ah、Av。
所述步骤S3具体实现如下：
步骤S31、对待测物体未受到外力作用时的双折射材料进行横向扫描，依据下式，对扫描范围内的双折射材料相位延迟进行成像，得到相位延迟图及相应的相位曲线：
Figure BDA0001749587080000041
δ为双折射材料对应的不同深度处的相位延迟；
步骤S32、根据所得的相位曲线，通过下式计算可得待测物体未受到外力作用时的双折射材料的双折射率：
Figure BDA0001749587080000042
式中，Δn为此时双折射材料的双折射率，Δφ为根据相位曲线所得的相位差，λ为宽带光源发射光束的中心波长，Δl为双折射材料厚度；
步骤S33、外力F作用于待测物体，当F变化时，依公式(1)、(2)可得相位延迟图及相应的相位延迟曲线，并计算得到双折射材料的双折射率线性变化；
步骤S34、根据步骤S31-S33，即可建立的外力大小与双折射材料的双折射率之间的关系曲线。
以下为本发明的具体实现实例。
本实施例将双折射材料(低密度聚乙烯聚合物材料)黏贴于待测铝金属块表面(即待测物体9)，然后对物体施加拉力F。随着拉力增大物体发生形变带动双折射材料也发生形变进而改变其双折射率。本发明需要测量双折射材料的双折射率，如图1所示：中心波长为1.31um的偏振宽带光1经过分束镜2后分成两路，一路光经过快轴方向与水平方向成22.5°角的1/4波片3后经反射镜4原路返回至分束器2，一路光经过扫描振镜5，再经过快轴方向与水平方向成45°角的1/4波片6，经过透镜7聚焦后入射到双折射材料8中，从材料不同深度返回的光经过后向散射原路返回至分束器2与另一路光发生干涉，干涉后的光经过偏振分束器12分成两路分别被两个CCD10，11探测。两个CCD探测到的光强分别记为Ah、Av；
则对应的不同深度处的相位延迟为：
Figure BDA0001749587080000043
首先对物体未受到外力作用时的双折射材料进行横向扫描，对扫描范围内的双折射材料相位延迟进行成像，得到相位延迟图如图2所示，对应的相位延迟曲线如图3所示。
选取图3中所示范围内(0-1mm)的相位延迟信息来计算双折射率，相邻的波峰和波谷之间的相位差为
Figure BDA0001749587080000051
图3范围内的实际总相位差为
Figure BDA0001749587080000052
根据
Figure BDA0001749587080000053
可得此时的双折射率为：
Figure BDA0001749587080000054
当拉力F增加时所测量得到的相位延迟图的黑白条纹变密，计算得到的双折射率线性变大，以本实施例为例，当拉力增大到100N时，相位延迟图如图4所示，对应的相位延迟曲线如图5所示。
选取图5中所示范围内(0-1mm)的相位延迟信息来计算双折射率，相邻的波峰和波谷之间的相位差为
Figure BDA0001749587080000055
图5范围内的实际总相位差为
Figure BDA0001749587080000056
根据
Figure BDA0001749587080000057
可得此时的双折射率为：
Figure BDA0001749587080000058
渐增大拉力至800N，分别测量双折射材料的双折射率，可得下表1
Figure BDA0001749587080000059
由表1可得对应的曲线图如图6所示。
此后只需要测量该双折射材料的双折射率即可查表得到此时物体所受到的表面拉应力大小。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于双折射效应的物体表面拉压应力测量方法，其特征在于，将具有双折射效应的双折射材料贴于待测物体表面，当待测物体受到外力时，其表面形变会使应变材料随之发生形变，从而双折射率发生改变，通过测量双折射率的变化即可得到待测物体表面所受到的拉压力大小，所述外力应包括拉力、压力，所述双折射率的测量通过双折射率测量光路来实现，所述双折射率测量光路包括宽带光源、分束器、第一1/4波片、平面镜、扫描振镜、第二1/4波片、透镜、第一CCD、第二CCD、偏振分束器；宽带光源发射的光束经分束器后分成两路，一路光经过快轴方向与水平方向成22.5°角的第一1/4波片后经平面镜原路返回至分束器，一路光经过扫描振镜，再经过快轴方向与水平方向成45°角的第二1/4波片，经过透镜聚焦后入射到待测物体表面的双折射材料中，从双折射材料不同深度返回的光经过后向散射原路返回至分束器与另一路光发生干涉，干涉后的光经过偏振分束器分成两路分别被第一CCD、第二CCD探测，得到的光强分别记为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，所述的基于双折射效应的物体表面拉压应力测量方法，其特征在于，该方法具体实现步骤如下：
步骤S1、将具有能够随着形变发生双折射率线性变化的双折射材料黏贴于待测物体表面；
步骤S2、对待测物体施加外力，此时待测物体发生形变带动黏贴于待测物体上的双折射材料也随之发生形变；
步骤S3、分别测量待测物体没有受到外力时双折射率材料的双折射率，以及待测物体受到外力时双折射材料的双折射率，建立待测物体所受外力大小与双折射材料的双折射率之间的关系曲线；
步骤S4、由步骤S3所建立的外力大小与双折射材料的双折射率之间的关系曲线，即可根据待测对象表面双折射材料的双折射率得到此时待测对象的表面应力大小。
2.根据权利要求1所述的基于双折射效应的物体表面拉压应力测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现如下：
步骤S31、对待测物体未受到外力作用时的双折射材料进行横向扫描，依据下式，对扫描范围内的双折射材料相位延迟进行成像，得到相位延迟图及相应的相位曲线：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（1）
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为双折射材料对应的不同深度处的相位延迟；
步骤S32、根据所得的相位曲线，通过下式计算可得待测物体未受到外力作用时的双折射材料的双折射率：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（2）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为此时双折射材料的双折射率，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为根据相位曲线所得的相位差，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为宽带光源发射光束的中心波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为双折射材料厚度；
步骤S33、外力F作用于待测物体，当F变化时，依公式（1）、（2）可得相位延迟图及相应的相位延迟曲线，并计算得到双折射材料的双折射率线性变化；
步骤S34、根据步骤S31-S33，即可建立的外力大小与双折射材料的双折射率之间的关系曲线。
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