激光散斑法測(cè)鋼制簡(jiǎn)支梁微小位移

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1、物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案——激光散斑法測(cè)鋼制簡(jiǎn)支梁微小位移土木工程0409班鄭楠等激光散斑法測(cè)鋼制簡(jiǎn)支梁微小位移土木建筑學(xué)院土木工程0409班鄭楠、牙韓勝、張勇激光散斑干涉方法是近20年來發(fā)展起來的一種新的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。該方法所依據(jù)的理論就是相干光相遇時(shí)會(huì)發(fā)生干涉而形成條紋，我們最熟悉的例子是楊氏干涉條紋，而楊氏干涉條紋是由兩個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的波所形成的。例如用相干性很好的激光照射物體漫反射表面，這些表面漫反射光好像無數(shù)小的相干點(diǎn)光源所發(fā)出的光，它們之間也是相干光，彼此也要發(fā)生干涉，但在很多點(diǎn)光源的情況下，干涉不再具有規(guī)律性，而是在物體表面前邊的空間形成了無數(shù)隨機(jī)分布的亮點(diǎn)和暗點(diǎn)，這就是

2、散斑。因?yàn)槭羌す庾龉庠?，所以叫激光散斑。采用成像透鏡，將物體表面隨機(jī)分布的散斑連同物體的象一起用全息底片記錄下來，就可得到散斑圖。如采用雙曝光法散斑照相進(jìn)行力學(xué)量測(cè)，就是將物體變形前的散斑圖與變形后的散斑圖記錄在同一張全息底片上，再將這張帶有物體變形信息的底片，放在一定的光路系統(tǒng)中，即可將散斑圖中貯存的信息提取出來，即是散斑測(cè)量。實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)利用激光散斑法和楊氏干涉的原理來達(dá)到測(cè)量鋼制簡(jiǎn)支梁在不同集中載荷作用下的微小位移，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行比較分析。實(shí)驗(yàn)原理用激光照射被測(cè)物體漫反射表面，形成空間散斑場(chǎng)。使用成像透鏡(可用付里葉鏡頭或制板鏡頭，也可用普通放大鏡)將激光

3、照射物體表面形成的散斑，記錄在全息底片上，得到散斑圖。即在被測(cè)物體變形前和變形后進(jìn)行兩次曝光，將兩個(gè)散斑場(chǎng)記錄在同一張底片上，得到帶有物體表面變形信息的雙曝光散斑圖。物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案——激光散斑法測(cè)鋼制簡(jiǎn)支梁微小位移土木工程0409班鄭楠等將記錄了物體位移信息的雙曝光散斑圖經(jīng)顯影，定影之后，放在一定的光路系統(tǒng)中，便可把散斑圖內(nèi)貯存的變形信息提取出來，即是散斑圖分析。本實(shí)驗(yàn)對(duì)散斑圖分析采用逐點(diǎn)分析法(如圖2所示光路)。當(dāng)用同一底片對(duì)物體變形前后的兩種狀態(tài)做二次曝光，在底片上就得到了物體表面在變形前后的二個(gè)散斑圖像的迭加?？紤]物體表面的一個(gè)微小的區(qū)域，這個(gè)小區(qū)域里各點(diǎn)的位移大小和方向

4、可以看成是相同的，也就是可以認(rèn)為在物體變形過程中，這個(gè)小區(qū)域只發(fā)生整體移動(dòng)，這樣的小區(qū)域稱為準(zhǔn)平移區(qū)。當(dāng)物體表面這個(gè)準(zhǔn)平移區(qū)在變形前后的位移為d時(shí)，在二次曝光底片散斑圖像上對(duì)應(yīng)的那個(gè)小區(qū)域內(nèi)，兩組散斑就相應(yīng)地都有一個(gè)位移Md，就物體表面這個(gè)準(zhǔn)平移區(qū)內(nèi)的某一個(gè)暗斑在變形前后的兩個(gè)位置而言，由于照相的感光化學(xué)作用，在二次曝光底片它們的對(duì)應(yīng)位移處，就應(yīng)當(dāng)是在黑的背景上兩個(gè)透光的小孔，此底片再受到激光照射時(shí)，兩個(gè)透光小孔就和物理光學(xué)里典型的雙孔衍射實(shí)驗(yàn)中“雙孔”的作用相似，即在二次曝光的散斑底片上任一準(zhǔn)平移區(qū)內(nèi)，都隨機(jī)分布了具有相同方向和相同距離的許多對(duì)“雙孔”，只是在不同的準(zhǔn)平移區(qū)內(nèi)，

5、隨機(jī)分布的“雙孔”具有不同的方向和距離。這些“雙孔”顯然帶有被測(cè)物體表面各處位移的信息。物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案——激光散斑法測(cè)鋼制簡(jiǎn)支梁微小位移土木工程0409班鄭楠等當(dāng)用一細(xì)激光束垂直照射二次曝光散斑底片上某處時(shí)，與楊氏雙孔衍射一樣，在底片后邊的屏幕上看到的是在一個(gè)衍射暈內(nèi)的等間距平行線，稱楊氏條紋圖，如圖4在示。楊氏條紋的方向與被照處的位移方向垂直，條紋的間距△與物體表面上對(duì)應(yīng)處的位移有如下關(guān)系：－物體表面位移（mm）；△－楊氏條紋干涉(mm)；△=S－衍射暈直徑，(mm)；n－衍射暈內(nèi)散斑條紋數(shù)；－激光波長(zhǎng)－散斑圖到屏幕間距離Ｍ－像的放大倍數(shù)；這種逐點(diǎn)分析的方法，可以把被測(cè)物體表

6、而上所測(cè)量的任意一點(diǎn)的位移大小和方向測(cè)出來。本實(shí)驗(yàn)對(duì)鋼制簡(jiǎn)支梁進(jìn)行位移測(cè)量，試件為一小鋼條，試驗(yàn)時(shí)將鋼條兩端簡(jiǎn)支模擬鋼制簡(jiǎn)支梁，對(duì)梁中心線上某點(diǎn)未受載荷時(shí)先曝一次光，然后在梁中點(diǎn)處（距固定端55mm處）加3kg向下的集中載荷，梁受載荷作用產(chǎn)生向下?lián)锨冃?，這時(shí)對(duì)梁上述某點(diǎn)再曝光一次，即得到梁某點(diǎn)散斑圖，將此散斑圖放在逐點(diǎn)分析的光路系統(tǒng)中，便可測(cè)出梁該點(diǎn)的位移值。實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案——激光散斑法測(cè)鋼制簡(jiǎn)支梁微小位移土木工程0409班鄭楠等氦氖激光器，計(jì)時(shí)器，標(biāo)距儀，分光鏡，40倍擴(kuò)束鏡，全息干板，觀察屏，米尺，直尺，磁鐵載物臺(tái)，自制小鐵鉤，1kg砝碼3塊，鐵絲，手電筒，

7、暗室設(shè)施。實(shí)驗(yàn)試件小鋼條：材料為牌號(hào)Q235A級(jí)的低碳鋼，E=212GPa，G=82.3GPa，μ=0.288。實(shí)驗(yàn)操作與步驟1、試件準(zhǔn)備測(cè)定試樣原始橫截面積。本次實(shí)驗(yàn)采用圓形試樣，應(yīng)在標(biāo)距的兩端及中間三處取三個(gè)截面，每一個(gè)截面在相互垂直的方向上各測(cè)一次直徑，每個(gè)截面取其算術(shù)平均值，得到試樣的橫截面的直徑。將試樣在標(biāo)距儀上打標(biāo)記，每10mm一個(gè)標(biāo)記。材料標(biāo)距L(mm)直徑(mm)平均直徑（mm）截面1截面2截面312平均12平均12平均低碳鋼11010.110.110.110.2