光弹性法简介光弹性法是应用光学原理研究弹性力学问题的一种试验应力
光弹性实验介绍
漫射光式光测弹性仪的基本结构
2.平面光弹性实验
实验内容:(1)测绘受力模型的等差线和等倾线参数， (2)利用这两个参数计算模型内部应力的大小与方向。
（1）等倾线的测绘
建立平面偏振场；
反复同步转动起偏镜和 检偏镜，观察等倾线移动 的大致规律；
从=0°开始，单方向方 向同步转动P-A镜，一般每 隔5°~10°绘制一条等倾 线并标明度数，到90°为 止，画在同一张描图纸上。
' " n
Ch
令 f 称为材料条纹值，则有：
C
' " f n
（18.10）
h
当入射光波长λ ，材料参数C，测点厚度h确定之后，测
点主应力差值是f/h的整数倍时，该点消光成为暗点。
由于模型中应力分布的连续性，对于每一个n值，显示 为一条暗条纹，称为等差线。
对径受压圆盘在单色光 源（钠光灯5230Å）下的 等差线。
2
合成光的振幅为：
A a sin 2 sin
(18.8)
E E1
E2
合成光的光强 I KA2
I K(a sin 2 sin )2
A轴 E2 E1
(18.9)
检偏镜
光强
I K(a sin 2 sin )2
(18.9)
2.干涉条纹的分析——等倾线与等差线
偏振光——垂直于光传播方向的 Y 平面内，光振幅矢量取特定方向。
平面偏振光——垂直于光 传播方向的所有平面内， 光振幅矢量取相同的方向。
平面偏振光的产生——偏振片 （光轴或偏振轴为Y）
椭圆 圆
偏振光——光振幅矢量的顶点轨迹为一椭圆或圆
产生方法： 偏振片+1/4波片 45 椭圆偏振光
应力与应变测量方法及应用
应力与应变测量方法及应用应力与应变测量是工程学中非常重要的分析方法，能够帮助工程师评估材料和结构在外部力作用下的性能表现。
本文将介绍一些常用的应力与应变测量方法及其应用。
一、应力与应变测量方法1. 电阻应变计法电阻应变计是最常用的应变测量方法之一。
应变计的基本原理是应变导致电阻变化，通过测量电阻变化来间接测量应变。
常见的电阻应变计有金属应变计和半导体应变计。
金属应变计主要适用于动态应变测量，而半导体应变计适用于静态及高温应变测量。
电阻应变计的优点是精度高、灵敏度高，但也有一些限制，比如灵敏度容易受到温度的影响。
2. 光弹性法光弹性法是一种通过利用光的干涉原理来测量应力和应变的方法。
光弹性法常用的设备有两种，一种是维尔贝克(Disc-more)干涉条纹法，另一种是技巧干涉条纹法。
这两种方法都是基于光束的干涉现象，通过观察并记录干涉条纹的变化来推算出应力和应变的分布情况。
光弹性法的优点是非接触性，适用于复杂形状和高温等特殊条件下的应变测量。
3. 应变片法应变片是利用压电效应材料制成的一种应变测量器件，常用的应变片有金属应变片和陶瓷应变片。
应变片通过自身形变来实现应变的测量，通过测量应变片的电荷输出或形变量的变化来推算应变。
应变片法的优点是响应速度快、测量范围广，适用于各种应变测量场景。
二、应力与应变测量的应用1. 材料性能评估与选择应力与应变测量可以帮助工程师评估材料的力学性能，并为材料的选择提供依据。
通过测量应力和应变，可以计算出弹性模量、屈服强度、断裂韧性等重要参数，从而判断材料是否满足工程设计要求。
2. 结构设计与优化在结构设计中，应力与应变测量可以帮助工程师评估结构的稳定性和安全性。
通过测量结构内部的应力分布和应变变化，可以发现潜在的结构问题，并进行必要的优化和改进，从而提高结构的可靠性和性能。
3. 动态加载分析应力与应变测量在动态加载分析中也有广泛的应用，可以用于研究冲击、爆炸、振动等动力载荷下的材料和结构响应。
光弹性仪器的原理和应用
光弹性仪器的原理和应用1. 什么是光弹性仪器光弹性仪器是一种用于测量材料在光照下的力学和光学性质的仪器。
它利用光的干涉和衍射原理，结合材料的光弹性效应，可以对材料的力学性质进行精确测量。
2. 光弹性效应光弹性效应是指材料在光照下产生的由内部应力引起的折射率或光走时的变化。
光弹性效应是光弹性仪器工作的基础，通过测量光弹性效应，可以得到材料的力学性质。
3. 光弹性仪器的工作原理光弹性仪器一般由光源、分光装置、检测器和数据处理系统组成。
其工作原理如下：•光源发出单色光，经过分光装置分成两束光。
其中一束光经过待测材料，另一束光作为参考光，二者再次交汇在检测器上。
•待测材料对光的干涉和衍射引起干涉条纹的出现。
干涉条纹的形状和间距与材料的力学性质有关。
•检测器将干涉条纹转化为电信号，经过放大和处理后输出给数据处理系统。
•数据处理系统根据干涉条纹的信息计算出材料的力学性质，并进行显示和存储。
4. 光弹性仪器的应用光弹性仪器广泛应用于材料科学、力学工程、光学等领域。
主要应用包括以下几个方面：4.1 力学性质测量光弹性仪器可以测量材料的应力、应变、弹性模量等力学性质。
通过调整光弹性仪器的参数，可以得到不同方向和位置的力学性质数据，为材料力学性能的研究提供重要依据。
4.2 材料疲劳性能研究光弹性仪器可以实时监测材料的应力和变形，通过对材料在加载过程中的变化进行跟踪分析，可以研究材料的疲劳性能，为材料的设计和使用提供指导。
4.3 光学性质测量光弹性仪器可以测量材料的折射率、光学常数等光学性质。
通过对材料与光的相互作用过程进行分析，可以了解材料的光学特性和性能，对光学元件的设计和制造提供参考。
4.4 压力传感器光弹性仪器还可以作为压力传感器使用。
通过监测材料在受压过程中的变形和相应的光弹性效应，可以实时测量压力的大小和分布情况。
这种压力传感器具有高灵敏度和高精度的特点。
5. 小结光弹性仪器是一种用于测量材料力学和光学性质的重要工具。
物理实验技术中的弹性力学测量技巧
物理实验技术中的弹性力学测量技巧在物理学中，弹性力学是一门研究物体在受力作用下的变形和恢复过程的学科。
在物理实验中，测量和研究物体的弹性力学特性是非常重要的。
本文将介绍一些在物理实验技术中常用的弹性力学测量技巧。
一、应变测量技术在测量弹性力学特性时，应变是一个非常重要的参数。
应变是材料发生变形时长度、形状或体积相对于未受力时的改变量与原始长度、形状或体积之比。
常用的应变测量技术包括应变计、光弹性测量和电阻应变计。
应变计是一种常用的弹性力学测量工具，通过材料的变形来测量应变的变化。
应变计可以分为电阻应变计、热敏电阻应变计、电容应变计等不同类型，具有测量范围广、精度较高的特点。
在实验中，应变计可以精确地测量材料的应变量，从而获得材料的弹性模量等参数。
光弹性测量是一种利用光的干涉原理测量应力和应变的技术。
通过将一个透明的光弹性试样放置在光源和光接收器之间，当试样受到应力作用时，会引起光的相位差变化。
通过测量光的相位差变化，可以计算出应力和应变的大小。
光弹性测量具有高精度、非接触、无损伤等优点，广泛应用于材料力学性能的研究和应用。
电阻应变计是一种基于材料电阻随应变变化的原理测量应变的技术。
电阻应变计由电阻片、导线、电缆和仪表等组成。
当材料受到应力作用时，会引起电阻值的变化。
通过测量电阻值的变化，可以计算出应力和应变的大小。
电阻应变计具有响应速度快、可靠性高等优点，在测量静态和动态应变时被广泛应用。
二、模量测量技术模量是衡量材料弹性特性的重要参数，常用的模量测量技术包括弯曲试验法、拉伸试验法和声学方法。
弯曲试验法是一种常用的测量材料弹性模量的方法。
在弯曲试验中，将试样固定在两个支撑点之间，施加一个力使其产生弯曲变形。
通过测量试样的变形和应力，可以计算出弯曲模量。
弯曲试验法适用于测量各种材料的弹性模量，具有简单、易于操作的优点。
拉伸试验法是一种广泛应用于材料力学性能测试的方法，也可以用来测量材料的弹性模量。
光弹性实验
全息光弹性法- 正文将全息照相和光弹性法相结合而发展起来的一种实验应力分析方法。
在全息光弹性法中，用单曝光法能给出反映主应力差的等差线；用双曝光法能给出反映主应力和的等和线。
根据测得的等差线和等和线的条纹级数，便可计算出模型内部的主应力分量。
20世纪60年代后期，M.E.福尔内、J.D.奥瓦内西翁等人将全息照相用于光弹性实验，获得了等和线条纹以及等和线和等差线的组合条纹。
后来，许多学者应用组合条纹分析平面应力问题。
此法所用的全息光弹性仪,其光路（图1）中布置有偏振元件，能获得具有偏振特性的物光和参考光。
透过模型的物光和参考光，在全息底片上干涉而成包含着物光波阵面信息的全息图，经过曝光、显影和定影以后的全息底片，再用参考光照射，便可再现物光波阵面。
如经两次曝光，将模型承受应力和不受应力两种状态的物光波阵面记录在同一张全息底片上，再现时便可以同时再现承受应力和不受应力两种状态的物光，并获得反映应力分布的两组物光干涉而得的条纹。
全息光弹性法常用的方法有：单曝光法设模型不受应力时，物光波阵面ω0为平面，模型承受应力之后，透过的物光会在模型的两个主应力方向分解成两束平面偏振光,其波阵面为ω1和ω2(图2)。
对承受应力的模型进行单次曝光全息照相后,用参考光照射全息底片,可以再现物光波阵面ω1和ω2。
由于这两个光波具有和参考光相同的偏振特性，故产生干涉，所形成的干涉条纹反映两个光波ω1和ω2的光程差⊿c=⊿2－⊿1，其光强度为：式中K为常数，N c为等差线条纹级数。
双曝光法在全息底片上，对模型加载前后两种状态进行两次曝光，可以在一张全息底片上，同时记录下模型不受应力时的物光ω0和承受应力后的物光ω1和ω2。
用参考光照射这张全息底片，便可以同时再现ω0、ω1和ω2三个物光的波阵面，并互相干涉而形成组合干涉条纹。
这种组合条纹，可看作是这三种光波中任何一对光波的干涉条纹的组合。
两次曝光获得的干涉条纹同主应力差和主应力和都有关，它是由等和线条纹和等差线条纹调制而成的组合条纹。
光弹性演示实验
实验十光弹性演示实验用光学原理研究弹性力学问题的实验方法称为光弹性法。
它是用具有双折射效应的透明材料，严格遵守“相似律”原则制成构件模型，将模型置于白光光源的圆偏振光场中。
当给模型加上载荷时，即可看到模型上所出现的干涉条纹，依照应力－光学定律，那些颜色相同的条纹表示光程差相等的迹线，也就是主应力等值线，故称为等色线或等差线。
由产生的等色线或等差线干涉条纹图形，通过计算就能确定构件模型在载荷作用下的应力状态，可以得到直观的、可靠的、全场的应力分布状态。
利用光弹性法，可以研究几何形状和载荷条件都比较复杂的构件的应力分布状态，特别是应力集中的区域和三维内部应力问题。
对生物力学、断裂力学、复合材料力学等还可用光弹性法验证其提出的新理论、新假设的合理性和有效性，为发展新理论提供科学依据。
一、实验目的1．了解光弹性实验的基本原理和方法，认识偏光弹性仪。
2．观察模型受力时的条纹图案，识别等差线和等倾线，了解主应力差和条纹值的测量。
二、实验设备1．偏光弹性仪。
2．由环氧树脂制作的试件模型。
三、实验原理1．明场和暗场根据光的波动理论，当一束自然光通过偏振镜时，即在偏振轴平面上振动这种在某一固定平面中振动的光称为平面偏振光。
由光源S、起偏镜P和检偏镜A 就可组成一个简单的平面偏振光场，如图10－1示。
起偏镜P和检偏镜A均为偏振片，其各有一个偏振轴（简称为P轴和A轴）。
如果P轴与A轴平行，光源发出的光波通过起偏镜P产生的偏振光可以全部通过检偏镜A，此种情况称平面偏振场的明场。
称为明场。
当两个偏振片的偏振轴互相垂直时，光波被检偏镜A 阻挡，此种情况则称平面偏振场的暗场。
图10－1 平面偏振光场2．应力－光学定律当由光弹性材料制成的模型放在偏振光场中时，如果模型不受力，光线 通过模型后将不发生改变；如果模型受力，将产生暂时双折射现象，即入射 的偏振光将沿两个主应力方向分解为两束相互垂直的偏振光（如图10－1中 a 及b ），而且分解后的这两束偏振光射出模型时就产生一个光程差δ。
光弹性实验实验报告
1. 了解光弹性实验的基本原理和实验方法；2. 学习使用光弹性实验装置进行应力分析；3. 掌握光弹性实验数据处理方法，分析模型的应力分布。
二、实验原理光弹性实验是一种研究物体内部应力分布的方法，其基本原理是利用透明材料在应力作用下产生双折射现象。
通过观察和分析光弹性模型的光学性质变化，可以确定物体内部的应力分布。
实验过程中，将具有双折射现象的透明材料制成研究对象的模型，对模型施加相似载荷，使模型内部产生应力。
此时，模型中的光路发生改变，通过观察和记录模型的光学性质变化，可以分析模型内部的应力分布。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：光弹性实验装置、光源、照相机、量角器等；2. 实验材料：具有双折射现象的透明材料（如硝化纤维素、聚乙烯醇等）。
四、实验步骤1. 准备工作：将透明材料制成研究对象模型，确保模型尺寸符合实验要求；2. 安装模型：将模型放置在实验装置上，调整光源和照相机，使光路通过模型；3. 加载：对模型施加相似载荷，使模型内部产生应力；4. 观察记录：观察模型的光学性质变化，记录光路改变情况；5. 数据处理：对实验数据进行处理，分析模型内部的应力分布。
五、实验结果与分析1. 实验结果：通过实验，观察到了模型在加载过程中的光学性质变化，记录了光路改变情况；2. 数据处理：对实验数据进行处理，得到模型内部的应力分布图；3. 分析：根据应力分布图，分析了模型内部的应力集中区域和应力分布情况。
1. 光弹性实验是一种有效的应力分析方法，可以准确分析模型内部的应力分布；2. 通过光弹性实验，可以了解透明材料在应力作用下的光学性质变化，为材料设计和优化提供依据；3. 实验过程中，应严格按照操作规程进行，确保实验结果的准确性。
七、实验注意事项1. 实验过程中，注意观察模型的光学性质变化，避免光路干扰；2. 加载过程中，注意控制加载速度，防止模型损坏；3. 实验数据应准确记录，以便后续分析。
八、实验总结本次光弹性实验，使我们对光弹性实验的基本原理和实验方法有了更深入的了解。
2014.05光弹性
术的不断改进，使得现代光测
技术的测量灵敏度越来越高， 对测量环境的要求越来越低。
9
光学测试方法
光弹(Photoelasticity) 非干涉方法 几何云纹、影像云纹 栅线投影(Fringe projection) 数字图像相关(DIC) 全息干涉(Holography interferometry) 干涉方法 电子散斑干涉(ESPI) 云纹干涉(Moiréinterferometry)
数不同，因而反射光和折射光均为部分偏振光。
当以布儒斯特角 i 入射时，反 射光成为完全线偏振光，其振
动方向垂直于入射平面，而折
射光仍为部分偏振光。
26
光学基本知识
获得偏振光的方法－二向色性
光通过某种介质时，一个方向被吸收得较少，光可以
较多地通过，而另一个方向则吸收得较多，光通过较
少。介质对光吸收的本领随着光矢量的振动方向而改
2 E12 E2 2E1E2 2 2 2 2 cos sin 2 A1 A2 A1 A2
当A1= A2=A，Δ＝/4时， 合成光矢量端点的轨迹是 一条螺旋线，这种光称为 圆偏振光。
2 E12 E2 A2
32
光学基本知识
圆偏振光、1/4波片
产生圆偏振光的光学元件称为1/4波片（1/4λ片）
式中x，y，z 为空间坐标，t为时间，v为光矢量E的传播速度， ▽2为拉普拉斯算子符号
2
2 x
2
2 y
2
2 z2
平面光波
2 E 1 2 E 2 2 2 z v t
z t z E ( z, t ) U 0 cos 2 vt U 0 cos 2 U 0 cos t k z T
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光弹性法简介
光弹性法是应用光学原理研究弹性力学问题的一种实验应力分析方法。
利用光弹性法，可以研究几何形状和载荷条件都比较复杂的工程构件的应力分布状态。
利用光弹性法，可以研究几何形状和载荷条件都比较复杂的工程构件的应力分布状态，特别是应力集中的区域和三维内部应力问题。
对于断裂力学、岩石力学、生物力学、粘弹性理论、复合材料力学等，也可用光弹性法验证其所提出的新理论、新假设的合理性和有效性，为发展新理论提供科学依据。
光弹性法测试的原理主要为光弹性效应，即塑料、玻璃、环氧树脂等非晶体在通常情况下是各向同性而不产生双折射现象的，但当它们受到应力时，就会变成各向异性显示出双折射性质，这种现象称为光弹性效应。
当将受载模型置于正交圆偏振光场中时，获取的是图1a，b，c所示的等差线(又名等色线)的条纹图形。
等差线代表模型内主应力差相等点的轨迹。
当受载模型置于正交平面偏振光场中时，则得到既有等差线又包含一条黑色粗条纹的图形，如图2所示。
在两个偏振镜光轴保持正交(互相垂直)而又相对于固定不动的模型旋转时，那种随着转角改变位置而移动的黑色条纹称为等倾线，它是模型内各点主应力方向相同点的
轨迹。
正交偏振镜光轴相对于模型转动的角度α，即表示主应力所指方向。
当正交偏振镜光轴连续转动时，将依次出现对应于不同的α角的等倾线。
一般用即时描图法或通过光电扫描，由计算机采集并绘制0°～90°范围内的，包含足够数量的等倾线综合图形(图3c)。
等差线与等倾线图合称应力光图。
按等差线判断出各条纹的级次，用预先标定的条纹值，结合等倾线图，利用边界上某个已知条件，采用剪应力差法可得出该模型的全场应力。
得出应力场后，由相似理论可换算出原型的应力分布图形，以此作为改进结构设计的依据。
光弹性法是研究接触应力最有效的模拟实验手段之一，优点是可测出接触表面任意点处的应力值，且精度极高(误差3 ％～4 ％)。
当进行金属塑性加工工具工作状态下的应力分布情况的研究时，用光学敏感材料作变形元件(工模具)模型，而塑性介质(被加工金属)则由易熔材料，如铅或铅加碲及锑的合金，以及由环氧树脂与增塑剂等进行精心调配的聚合物等制作。
为了使铅质模型材料性能高度均匀，铅必须预先承受锻造加工，以改变铸态组织为加工组织。
上述一些变形介质与变形元件，可用来研究平面变形问题和轴对称变形问题。
图3a，b为采用光弹性法研究在108 mm直径轧辊中，在无润滑状态下轧制时所得等差线图，c为等倾线图，d为经过计算所得出的剪应力和法线应力沿接触弧分布的图形。
以上所述为平面光弹性法。
研究三维问题则需采用冻结应力法，即将制作的模型(包括
变形元件与塑性介质)，放入加载架置于应力冻结箱内，使温度缓缓升至一定温度后进行加载，然后升温至冻结温度(对于环氧树脂型材料，约128 ℃左右)并保温一段时间，再按3～4 ℃/h的速度降至室温出炉。
将变形元件沿厚度(或高度)切成3～5 mm薄片并精细磨光，在光弹仪上用一次垂直照射、一次斜射获取两套应力光图，再进行辅助切片获取一套光图。
有了这些资料，利用三维光弹理论，即可得到所研究对象的全场应力分布图。
利用三维光弹法已得到挤压模具的一些有用信息，为改进模具设计提供了有价值的参考数据。
主要参考资料：
1、光弹性法_百科_搜搜钢：/doc/view/45564.html；
2、光弹性法_互动百科：
/wiki/%E5%85%89%E5%BC%B9%E6%80%A7%E6%B3%95#5；
3、光弹性效应_百度百科：/view/827081.html?fromTaglist；。