相干梯度敏感干涉测量技术及在静态断裂力学实验中的应用

　　1　引　言

　　相干梯度敏感(CGS,coherent gradient sensing)干涉测量技术是一种具有在线空间滤波效果的非接触、全场横向双栅剪切干涉方法。其原理是:通过光学干涉控制方程建立面内应力梯度或离面位移梯度与光线微小偏转量之间的关系;利用两个平行光栅重组,使由试件变形导致的扭曲光束产生干涉条纹。该方法能够在透射和反射情况下分别用于研究透明和非透明物体的局部变形信息,其条纹分布直接反映了透射情况下的面内应力梯度场和反射情况下的离面位移梯度场。由于该方法对应力或位移梯度敏感,所以尤其适合于研究具有高应力集中的断裂问题。与其它断裂实验方法相比,相干梯度敏感干涉测量技术具有对外界振动不敏感、光路简单、灵敏度可调、可以实时和全场测量等优点。

　　Hariharan[1,2]于1974年首先将CGS干涉方法用于对光路中的微小像差进行光学检测,直到1990年CGS方法才逐渐运用于断裂力学研究领域。Lee等人[3]利用Fourier光学技术对CGS方法的原理进行了完整的理论分析,并运用到了断裂力学方面的研究。Bruck和Rosakis[4,5]详细讨论了CGS方法在断裂实验测量中的灵敏度、误差和适用范围。Tip-pur[6]等人利用反射CGS方法对三点弯曲试件的静态断裂特性进行了实验研究。Rosakis[7]介绍了CGS技术用于研究动态裂纹尖端应力场的理论和实验发展。Mason等人[8]利用CGS方法对混合型裂纹的动态扩展行为进行了实验研究。Liu[9]将CGS方法和高速摄影方法相结合研究了纤维增强材料的动态裂纹扩展过程,对Ⅰ型裂纹动态断裂韧性进行了定量的测量。Medhat[10]利用CGS方法对玻璃微珠填充环氧树脂功能梯度材料的动态断裂行为进行了研究。Park[11]根据CGS条纹得到了在硅基上薄膜大变形时的全场曲率,并分析了变形与应力之间的关系。

　　由于CGS干涉测量技术在实验固体力学领域是一种新兴的测量方法,所以国内至今还未见到有关文献的报道。本文介绍了CGS方法的基本测试原理和实验技术,对三点弯曲梁Ⅰ型裂纹在静载下的裂尖变形场和断裂特征进行了研究,并与理论值进行了比较。结果表明,CGS干涉测量技术是一种简便精确的断裂力学实验方法。

　　2　理论分析

　　2.1　CGS的方法和原理

　　透射CGS干涉测量技术光路如图1所示。一束相干激光束经过带有滤波孔的扩束镜,通过光学透镜形成平行光。首先平行光束垂直地通过带有裂纹的透明试件,然后经过两个互相平行、间距为Δ的高密度Ronchi光栅(节距相同)。如图2所示,透过的光束由第一个衍射光栅分解成一束直射零级光束和许多衍射光束,为了方便理解,仅对±1级衍射光束和零级光束进行分析。第二个衍射光栅分别将±1级衍射光束和零级光束衍射成三束光束,这样在第二个衍射光栅后面将有九束光束,它们的传播方向不同。当然,这九束光束中的(0,±1)与(±1,0)级光线是相互平行的。在第二个光栅后放置一个凸透镜,它们的间距为凸透镜的焦距。该凸透镜作为一个在线的空间滤波器将其中的平行光束会聚，其光强分布能够在空间滤波器的后焦平面上观察到。在此焦平面上放置一光阑,使得仅有+1级或-1级的衍射光能通过,即由原来平行的波前(0,±1)与(±1,0)所产生的干涉条纹能够通过。在光阑后放置CCD,拍摄干涉条纹并存储到计算机中。