1、固体力学实验总结云纹法云纹法是可以测定位移法与应变场的实验应力分析方法，云纹法测量使用设备简单，应用范围广。可以运用于静载荷动载荷和瞬时的冲击。1 云纹法的基本原理云纹法是将两块平板制异节栅相重叠则会出现明暗相间的干涉条纹，这种亮条纹或者暗条纹即为云纹。实际测量时，配合使用两块栅，一块栅置与试件表面随试件一起变形，为试件栅，另一块是不随试件变形的分析栅，由复制有栅线的栅板构成。将此两块栅重叠在一起将会形成云纹干涉。也可通过透镜成像原理形成干涉。云纹效应的几种基本形式：均匀线位移引起的云纹效应，春转动产生的云纹效应，均匀线变形和转动同时存在的云纹效应。2二维位移场位移及应变的测定对于二维位移场位
2、移及应变的测定通常采用几何法，位移导数法，和位错云纹法。几何法是将局部的小区域看作是均匀的应变场来近似计算应变。位移导数法是采用两组正交的栅线所构成的试件栅，通过试件的变形而产生的干涉从而测出x与y方向上的变形。错位云纹法是用两张同样的云纹图进行错位而获得新的二阶云纹，二阶云纹表示了位移变化的等值线。3条纹级数的确定与确定应变的正负主要有两种方法，第一种是通过错角法定出条纹的增减和应变的正负，转向相同应变为正，条纹递增，转向相反时条纹递减，应变为负值。第二种方法是用异节点确定条纹的增减及应变的正负。4提高云纹测量精度的几种方法云纹法的精度主要取决于位移分布曲线的精度，当云纹有足够密度时，在做位
3、移曲线时有足够的数据点保证了足够的精度，提高精度的方法有错配法和光学滤波法。光学滤波法利用栅线的衍射效应与滤波方法使条纹加密，通过滤波处理后将会在在栅面处得到一个栅距为原栅距一定倍数的变形栅，相当于增加云纹密度。5影子云纹法影子云纹法主要用来测量离面位移，在影子云纹法中，和参考栅相干涉的试件栅并不是单独的栅，而是参考栅在光线照射下投射于构件表面的栅线影子，其形状随着构件表面高度的不同而异，构件表面最好涂抹无光白色涂料以增加影子栅线的对比度，但通过相机观察参考栅和影子栅线时，可以看见它们相互干涉所形成的云纹。测量通常有两种系统：平行光照射与平行光接收系统，点光源与点接收系统，影子云纹法所需参考栅
4、线密度与构件表面起伏程度相关，较大的起伏要用较稀的光栅。6反射云纹法反射云纹法可以测定板的斜率分布，只需经过一次求导就可以求出曲率。栅在光线照射下通过板的反射镜面可以形成虚像，参考栅可能有初始畸变，通过相机可以记录下此参考栅线。板受载后，其虚像将随之发生变形，此虚像相当于试件栅，通过相机将其记录下，将相机两次曝光所形成的参考栅与试件栅重叠，它们想干涉所形成的云纹只与板的受载变形有关。7高分辨率显微镜扫描云纹法高分辨率显微镜扫描云纹法主要优势在于光栅频率非常高，位移测量灵敏度提高，并且这种方法无需实物参考栅，测量精度高，操作简单。高分辨率扫描云纹法包括电子束云纹法，扫描电镜云纹法，原子力显微镜云
5、纹法等。扫描电镜云纹法是在扫描电镜平台上所形成的云纹，此时的电子束直接由SEM系统控制，云纹条纹由试件栅与电子束扫描线叠加而成，这种方法适用于纳米尺度区域的变形测量。云纹干涉法基本原理是变形栅衍射的不同波前相干涉产生条纹以获取变形的信息。1 衍射方程一般的衍射光栅包括云纹干涉法所用的光栅都是相位型光栅，它有等距，平行的凹凸狭缝产生衍射的，可分为正弦型全息光栅与锯齿形光栅。光栅方程为 (sin)pm2 全系光栅2sin()3 闪耀光栅闪耀光栅特点是有更高的衍射效率，能够将衍射光波的光强集中在所需要的某一级光谱上。闪耀光栅的原刻模版是用精密的刻画机器和专门的刀具刻出来的。4 试件栅复制试件栅上的光
6、栅通常是用光栅模版复制。母栅可以是全息光栅也可以是闪耀光栅。常采用的的方法有铸塑法与转移法。转移法是在母栅表面涂一层分离油层，再度一层金属反射薄膜，浇注一层常温固化胶将金属反射层压在试件表面胶层，固化后取下母栅。5 面内位移场云纹干涉法可以测量全场面内位移，并且拥有更高的灵敏度，并且量程不受限制，同时可以对面内位移进行全场实时观测。两束对称入射光波入射角符合以下关系 ，试件表面法向将形成衍射光栅。当试件受力发生变形时，平sinp面波变为和表面位移有关的翘曲波前，其相位将会发生变化，两束衍射波经过成像系统后在照相底板上发生干涉。 (,)2xNuyf为了获得令一个面位移v （x，y）应使试件栅线方
7、向旋转90度，试件和其加载系统也旋转90 度。为了在一个试件获得全部面内位移，通常需要在该试件表面复制两组相互正交的光栅。这种方法可以有效的用于动静态应力和残余应力的测定。6 差载面内位移场这种方法可以获得无载和有载时时位移干涉条纹差，消除无载时初始干涉条纹所带来的误差。对于分级加载实验，此方法更为有效。7 三维位移场获取面内位移和离面位移的测量方法，特点是将全息技术引入云纹干涉法，获得衍射波前的所有位移信息，已获得离面信息与面内位移。可以得到公式 0()2(,)1cos()inrnwxyu根据上式可以容易的求得离面位移w和面内位移u。8应变场由于云纹干涉法有较高的灵敏度，能获得较密的面内位移
8、全场条纹图，将两张相同的面内位移条纹图重叠并相对错位一定微小距离，便可以获得x方向上的面内位移导数，应变场条纹，通常为了获得反差较好，不受位移条纹干扰的应变条纹图，可以在光路中使入射的某一光波加一个线性函数f（x，y）的虚位移场，此位相函数相当于高频载波成分，将其置于高通滤波器中可以获得满足下列条件的暗条纹位移场。 cos()029应变场实时观测10差载应变场当试件栅非常不规整，衍射波前的初始相位不是常数，不能忽略，则必须考虑如何消除零载初始误差或处载位相差的影响。采用第一次滤波错位和两次滤波的方法可以获得消除零载或初载影响的差载应变场云纹图。 (,)4sin2i()xxyx差载应变场不仅可以
9、消除试件栅不规整所带来的误差，而且特别适合需要逐级加载的大变形测量11三维位移导数场单光束位错云纹干涉法则是以某一级衍射波前错位干涉为基础，这个方法所得到的实验结果和单光束错位散斑干涉法所得到的结果类似，但具有实时观测和记录，不受面内位移干扰，条纹质量好等特点。此方法无需两次曝光技术，并且可以同时获得几个三维位移场导数分量，因而对某些不可重复实验更为有效。12弯曲板的曲率场13高温云纹干涉技术进行高温测量时，高温栅是最重要的变形测量原件，一般可以采用光刻腐蚀法或双镀层光刻法等置栅方法。制栅之前，先检查试件表面，必要时需对试件表面进行抛光。再在试件表面涂光刻胶。显影与漂洗后光刻胶达到基底，湿法腐
10、蚀以便在材料基底表面形成位相光栅，应用实例有焊接残余变形测量，发电厂高温管道蠕变应变测量全息干涉法全系照相的主要含义是通过参考光将物光的振幅与相位均记录在底板上，这是全系照相的主要含义。1 全息照相原理点光源发出的光以以不同的方向到达底板，在底板上形成间距不等的条纹，物光和参考光的夹角越大。条纹间距越小。将感光底板进行曝光并处理后便可以得到一个复杂的衍射光栅，这个光栅记录了物光球面波的振幅与相位。当物光和参考光在观光底板处相遇，按振幅矢量合成法，透光率T为 2222()oor ri ii ior rAeAee 2两次曝光法测定位移两次曝光技术的目的在于用全息照相的方法测量和记录物体的微小变化，
11、这种变化包括物体的位移和变形以及透明介质折射率的变化，其原理是用全息照相的办法将物体在变化前后两种状态的物光记录在一张底板上。在现时，两个不同状态的物光叠合在一起同时出现，除了显现出原来物体的全息相外，还在物体的相上产生干涉条纹，干涉条纹就反映出两种不同状态下物体的微小变化。3位移场的定量分析 211cos()indd对于一般的位移场通常需要拍摄三张相互独立的全息图来分析计算，可求得三维位移分布。4 激光和相干性全息照相所记录的是物光和参考光在底板上形成的干涉条纹。要求曝光时间内，干涉条纹是稳定的可靠的，因此参考光和位相差也必须是恒定不变的，从同一光源发出的光波分成参考光和物光，经历不同的光程
12、相遇在底板上，如果这两束光的位相差仅仅取决雨光程而与时间无关，则此光源具有很好的时间相干性。激光有比较单一的波长或评率，因而有稳定的波列，有较好的时间相干性。全系光弹性全息光弹性实验可以通过单次曝光求得模型内的等差线，而且可以通过两次曝光技术求得模型内反映主应力和的等和线。这种方法可以有效的避免累计误差和由于等倾线精度较差所带来的误差，因而有较高的精度。1 单次曝光测量等差线2 两次曝光测量等和线3 等和线与等差线的分离图像全系光弹性图像全息光弹性中，条纹与底板具有一一对应的位置，这样记录的条纹反映了物光垂直入射模型产生的光程变化，因而消除了斜射效应，视差所带来的误差，对重现光的时间相干性与空
13、间相干性没有严格要求，可以实现白光重现。同时为了提高实验的精度，对于某些情况等和线进行补偿是必须的。散斑干涉法散斑干涉法是一种非接触式式的测量物体位移和应变的技术。这种方法具有全面直观的等优点，光路简单，计算方法也比较简单，当相干光照射物体时，物体由于漫反射所发出的次波在物体表面前方相干形成大量的明暗的斑点，叫做散斑。我们在物体位移前和位移后分别将散斑记录在一张照相底板上，底板上的复合散斑图即反映了物体表面各点位移的变化，散斑的记录两种方法，一种是将底板直接放在散斑场中，直接感光，另外一种记录方式是用照相机来记录。在双曝光相机中分别将变形后和变形前的散斑图记录在一张底板上，在地板上形成无数对双
14、孔，双孔的取向和间距与各点的变形一致，1逐点分析法2全场分析法全场分析法是从一张底板上一次观察出全场变形分布的方法。当平行光照射在双曝光记录的地板上面时，地板上面的散斑就好像有很多透明的小孔。这两组孔在变换平面上形成干涉，光强分布为 20(,)4(x,y)cos()kIxyIrdf当d在整个平面上是常数时，则在变换平面上将出现与d方向向垂直的杨氏干涉条纹。但是当物体表面位移并非相同时，在变换平面上将看不见条纹，此时可以在变换平面上选取一个滤波孔，通过孔后面的透镜成像于相平面上。可以采用多孔的方式来记录。3散斑照相法应用散斑照相法可以用来测量应力分量中面内位移离面位移和表面转角。在转角测量中漫发
15、射物体的转动使得空间散斑产生转动。解决离面位移的方法是改变底板的位置适当的选取底板的取向。4散斑照相法的测量范围散斑照相法所测量的位移只要位移大到使散斑相面上前后两个相点能分辨出来即可，这种最小位移相当于一个相斑的直径。一般直径为几微米。5双光束散斑干涉法两束成相关的准直光照射在试件表面上形成一个合成散斑图，这个合成的散斑图与两束光的相对位相有关，实现条纹主要有以下几种方法1实时法2滤波法3滤波孔法6错位散斑干涉法试件表面由一束准直光，在照相机成像透镜之前放一个光楔，加载之前没有通过光楔的光波与通过光楔的光波在相面上形成一个散斑场，它是错位的两个完全相同的散斑场场的组合。这种方法与双光束完全相
16、同，面内位移不应该超过一个散斑直径，否则会出现双孔效应7电子散斑干涉技术被激光照射的漫反射表面将其接收到的光波反射后通过至于其前方的可变光圈，该光波经过透镜变换后与有分光镜引入的参考光想叠加，在摄像管上形成干涉散斑，位置变化将会引起光程差的变化从而产生条纹。8数字散斑干涉术9电子散斑测量变形的几种典型的光路图通常有测量面内位移的对称入射光路，测量离面位移的同轴入射光路，而这种光路通常有两种，一种是基于麦克尔逊干涉光路的布置，另外一种是与同轴全息干涉光路类似的平滑参考光布置。离面位移导数的测量光路，这种方法依据是变形前后的相关条纹与位移错位方向的导数值相关，也称错位散斑干涉法10电子散斑形貌测量
17、数11电子散斑振动测量技术由于双光束激光散斑干涉法，利用激光散斑分布的相关性，采用相减模式可以得到由于被测表面变形所引起的散斑相位变化，可以通过时间平均法获得振型。12使用光纤的电子散斑干涉光路光纤的使用不经可以使电子散斑干涉光路变得简单，还可以使实验过程变得易于操作。13电子散斑干涉中的相移技术采用相移位技术可以直接得到条纹的相位分布。这主要是基于在电子散斑干涉中，散斑的强度分布为相位的余弦函数，如下 , 0cos()Iab只要得到其中变量的分布就可以得到被测表面的变形分布。数字图像相关方法数字图像相关方法有独特的优势（1 ） 实验设备，实验过程简单。（2 ） 对测量环境与隔振要求较低（3
18、） 易于实现测量过程自动化（4 ） 适用测量范围广泛三维数字图像相关方法可对平面获曲面形貌和三维变形进行测量，适用测量范围广泛。数字图像相关在实际应用中通常有下面的步骤（1 ） 测量图像的采集系统获得变形前，后变形物体表面数字图像。（2 ） 利用数字图像相关方法计算变形前物体表面数字图像中的离散点的位移矢量（3 ） 通过位移数据来计算应变数字图像相关测量系统，数字图像相关方法的基本原理：利用二维数字图像相关测量变形物体表面位移的基础是匹配变形前，后变形物体表面数字图像中对应的几何点，在变形前取以所求位移点为中心的正方形图像子区，在变形后的目标图像中通过一定的搜索方法，并且按照某一相关函数进行相
19、关计算，寻找与参考图像子区的相关系数为最大值的以此点为中心的目标图像子区以确定位移整像素位移算法首先通过相关搜索获得整像素的位移，然后再对其进行亚像素的位移测量整像素位移获得有两种方法（1 ） 空域进行（2 ） 在频域进行相关函数的几种数学形式可操作性，抗干扰性，可靠性，较小的计算量，通常有以下几种相关函数：标准化相关函数，标准化协方差相关函数，最小平方距离相关函数。提高数字图像相关法中计算速度的方法（1 ） 粗细搜索法（2 ） 临近域搜索法数字图像相关中亚像素位移测量算法提高数字图像相关方法的测量精度，可以采用方法：提高CCD分辨率，可以采用放大倍数更高的的光学成像系统，各种亚像素位移定位方
20、法。1.相关搜索的亚像素插值方法，通常运用双线性插值，通常实验表明取0.01个像素即可，在理想情况下这种亚像素定位精度为0.02-0.1，此方法已经较少运用。另外一种方法是曲面拟合，插值法求解亚像素位移，这种方法可以通过把相关系数矩阵拟合或者插值为连续曲面，然后求出该曲面的极值点。通常采用二次多项式拟合。基于梯度的亚像素位移算法。N-R方法：这种方法考虑了图像子区形状的变化可以获得位移与应变的信息，该方法舍弃了对图像子区作应变为零的假设。该方法引入一阶与二阶位移梯度的影响。坐标轮换法：对于多个自变量的情况，可以采用沿不同坐标轴轮换优化的方法。少见于实际的应用。全场应变场测量方法基于位移场逐点局部最小二乘拟合的应变估计方法，与位移场先用有限元或薄板样条平滑再差分方法相比，容易编程实现。，
