光弹性等倾线自动测量仪

　　1　引　　言

　　光弹性力学是应用光学的基本原理,结合力学的理论,通过数学工具的推演,以实验为主要手段去研究结构物中的应力、应变和位移等力学量的一门学科。它具有全场性、可视性及非接触式测量等特点,能较直观地反映出受载物体内部的受力状态。

　　光测力学作为解决工程实际问题的一个重要手段,光测数据与图像信息的自动化采集与处理,是光测力学现代化的重要标志之一,也是提高光测力学方法测试精度与速度的关键之一,已成为光测力学研究中的一个重点。

　　2　原理与内容

　　在光弹性力学中,等差(色)线和等倾线条纹是光弹性应力分析最基本、最有用的信息。目前,等差线的全场实时测绘方法已十分成熟,但是,等倾线的全场同时实时测绘却是光弹性力学实验一直未解决的难题。现在国内外所有的普通光弹性系统,在测取等倾线时,都是靠一次同步旋转起偏镜和检偏镜来实现的。每旋转一次起偏镜和检偏镜,在应力光图上只能显现一条对应于某主应力方向的等倾线,然后再徒手描绘或拍片,获得等倾线数据。这种方法费时、费力,精度难以保证。本文所介绍的全场光弹性自动检测方法,可以获得同时含有的两条等倾线和等差线的光弹性应力光图,其等倾线的分离是在同一幅应力光图上进行的。这样就缩短了图像采集和处理时间,处理精度也有很大提高。

　　全场光弹性等倾线自动测量装置主要由光学部分、机械部分及电器电子部分组成,系统的基本结构如图1所示。光学部分包括激光光源、各类反射镜、扩束镜、准直镜及起偏镜、检偏镜等,主要利用光弹性材料的光弹效应(暂时双折射效应)及相似定律获取研究对象的等差线、等倾线,以研究对象内部的应力状况。根据双折射效应,当把平面应力模型置于平面偏振光场中,光弹性偏振系统的光强可以表示为:

　　在垂直于检偏镜偏振轴的主应力方向上的点,将没有光出射。所有的这些点组成黑色条纹,在条纹上的所有的点都有相同的主应力方向,这样的条纹称之为等倾线。当主应力方向垂直于偏振轴的方向时出现等倾线,一旦同时转动等差线和等倾线时,将只会观察到第一主应力方向的等倾线。因此,传统的测量机构不能同时探测到全场的等倾线而只能一个一个地手工探测。

　　本系统中机械传动机构与旋转编码器所组成的等倾线全场检测装置的旋转由交流伺服电动机驱动,伺服控制系统根据人机界面及实时过程控制程序的指令,可对电机的转速、转角(对应于旋转编码器的输出和偏振轴的倾角)及转矩进行控制。