激光干涉全场测试技术及其工程应用

　　1　引　　言

　　目前在油田现场上广泛应用的电测技术属于点测法,而在应力分布比较复杂、危险点位置难于确定的许多情况下,都愈来愈要求采用能给出全场位移、应变的光测方法。云纹法虽然能进行实时的静动态载荷下的全场位移测试,且结构也比较简单,但它的灵敏度比较低(栅线密度一般为2～50线/毫米),一般只限于测10-2～10-3的应变。云纹干涉法由于它把栅线密度增加到600～4000线/毫米,因此灵敏度便提高了几十倍,但它对环境的要求比较高(必须在暗室和防震台上进行),试验结果和数据处理还须繁重的人工劳动,因此它基本上只局限于在实验室内应用。本文提出的正常光照下的亚动态云纹干涉法把高灵敏度和简易的设备结合了起来,具有降低对测试环境要求、简化技术、降低测试成本等特点,全部实验结果都可由计算机自动打出。实验证明,该方法能可靠地测试井下采油工具的结构强度、材料力学性能等多方面的性质。

　　2　激光干涉全场测试系统的基本要求及设置

　　全场测试的现代光测技术要在工程测试中获得应用,必须解决以下几个问题:(1)不要求在暗室进行;(2)允许测试环境存在常见的机械振动;(3)设备小型化,便于携带;(4)操作方便,可实时获得测试结果。传统观念的云纹干涉法,都认为必须在暗室进行,因此没考虑环境光照等对云纹条纹对比度的影响。本文介绍的正常光照下的云纹干涉法[3],采用的是最新提出的包括影响对比度的偏置量的干涉云纹光场强度表达式。对非两次曝光即用电子采集的实时法时,试件变形前后双光束的衍射波的位相相同,并以Φ1、Φ2代表试件变形后双衍射波的相位,且略去变形前后振幅变化,即:

　　式中:t为曝光时间,I0,I1分别为环境光和相干光束光强,a为入射光振幅,β为感光体特性系数。上述描述了在有环境光照条件下光靶采集或纪录胶片接收的光强,不但有反映由变形引起的相位变化信息的第二项,而且还有反映环境光强等因素影响的第一项,两者的比值将决定条纹对比度;即只有当D→0条件下,才能获得良好的条纹对比度,此时,若Φ1-Φ2=2πn(n=0,1,2……),cos2[(Φ1-Φ2)/2]=1将获得亮条纹,若Φ1-Φ2=(2n+1)π(n=0,1,2……),cos2[(Φ1-Φ2)/2]=0,将获得黑条纹。为了消除环境光照的影响,本系统采用了设置黑色内壳激光通道办法,既限制了环境光照的进入,又使进入的少量散射光被黑色内壁吸收,获得与暗室试验相同的对比度。

　　3　激光干涉云纹法

　　云纹干涉法测试中关键和复杂的操作是光路调整,即为实现预定的虚光栅频率和衍射光束的波前干涉成像。在云纹干涉法的典型光路中,为了实现虚光栅与试件栅的匹配,其调节是很费时的,在工程测试中难于应用。