1、第九講 云紋測量技術(shù),1,行業(yè)借鑒,內(nèi)容提綱,云紋的基本介紹 幾何云紋法 云紋干涉法 光柵的制備技術(shù) 影像云紋法,2,行業(yè)借鑒,云紋的基本介紹,3,行業(yè)借鑒,幾何云紋,帶網(wǎng)眼的鋼絲碗,木梳,我們身邊的云紋：,電視畫面中的云紋,生活中經(jīng)常能見到一些云紋現(xiàn)象，如兩層蚊帳相疊產(chǎn)生條紋，兩把梳子相疊產(chǎn)生云紋。,4,行業(yè)借鑒,自然界中動物的斑紋,斑馬身上為什么有條紋？ 自然進化的結(jié)果，有的解釋為避免蚊蟲的叮咬，另一種解釋為自我保護色，迷惑猛獸；,5,行業(yè)借鑒,什么是云紋？,定義：云紋法是利用兩組柵線重疊時，由柵線的互相遮掩所形成的條紋（稱為云紋）來測量受力物體的位移場及應(yīng)變場的光測方法。 云紋（法文中為

2、Moir）一字原意是絲綢云紋，兩塊半透明的絲綢重疊在一起會出現(xiàn)云紋現(xiàn)象，因此得名。 Moir 正確拼讀： 英語：mw 法語：mwre 這種方法的命名與中國古代輸往歐洲的云紋綢等絲綢的編織技藝有關(guān)。國外就是借用了中國絲綢中因纖維交叉編織而形成的條紋，即云紋一詞（法文中為Moir） 。,6,行業(yè)借鑒,云紋的發(fā)展：,云紋發(fā)現(xiàn)有百余年歷史，但直至1948年才應(yīng)用于應(yīng)變測量； 二十世紀六十年代，照相制版技術(shù)的發(fā)展，為云紋試件柵的制備提供有效的手段，云紋法有了廣泛的應(yīng)用； 七十年代末，高密度全息制柵技術(shù)的迅速發(fā)展，每毫米幾千線商品光柵開始出現(xiàn)； 八十年代后期以來，云紋干涉法的迅速發(fā)展，為光測力學(xué)的推廣和應(yīng)

3、用注如了新的活力。,7,行業(yè)借鑒,單幅正交光柵,8,行業(yè)借鑒,兩幅正交光柵疊加形成正交云紋,9,行業(yè)借鑒,單向平行光柵疊加形成的云紋,10,行業(yè)借鑒,云紋形成的條件,云紋的形成需要有兩組光柵：變形測量中一般為試件柵和參考柵。 試件柵是與變形物體連接的光柵； 參考柵是固體不動的，不參與物體變形的光柵。 試件柵 + 參考柵 云紋,11,行業(yè)借鑒,云紋法的定義及分類,云紋法分類(依據(jù)教科書)： 幾何云紋法（coarse moir)：面內(nèi)位移測量，光柵密度為5線/毫米-100線/毫米 云紋干涉法（ interferometric moir ）：面內(nèi)位移測量，靈敏度波長量級，光柵密度通常是600線/毫米

4、-2400線/毫米 影像云紋（shadow moir)：離面位移（撓度、形狀）測量 反射云紋法：離面位移的偏導(dǎo)數(shù),12,行業(yè)借鑒,云紋法 應(yīng)用范圍及 目前所能達到水平,測量應(yīng)變靈敏度一般能達到104，最高可達105。 可測頻率為每秒上萬次的動應(yīng)變或動位移（取決于照相速度）。 可高溫應(yīng)變測量，可達12000C 可在彈性、彈塑性、塑性及裂紋附近應(yīng)變場量測 可測梁、板及殼等構(gòu)件的撓度和斜率（平面）。 可測各種形狀曲面的高度、3D形貌、離面位移。,13,行業(yè)借鑒,幾何云紋法,14,行業(yè)借鑒,幾何云紋法,幾何云紋法：用于面內(nèi)的變形測量 離面變形測量： 影像云紋法 條紋投影法（投射平行光柵，并沒有光柵疊加

5、形成云紋）,15,行業(yè)借鑒,光柵的類型,光柵:周期性的空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能的衍射屏,通稱光柵。,平行光柵,正交光柵,X,X,Y,云紋法光柵分類: 形狀和性能角度；實驗角度 （試件柵和參考柵）,16,行業(yè)借鑒,光柵的柵距 ：相鄰柵線 中心線間的距離.,光柵的頻率:,主方向: 垂直于柵線方向稱為主方向,x,光柵的特征,17,行業(yè)借鑒,幾何云紋？ 兩組光柵疊合后產(chǎn)生的幾何干涉條紋,18,行業(yè)借鑒,成因： 光柵遮光 現(xiàn)象形成的,19,行業(yè)借鑒,云紋條紋的含義,光柵主方向上的位移量大??； 試件柵與參考柵的相對轉(zhuǎn)角。,20,行業(yè)借鑒,y,(光柵主方向y),變形前:試件柵和參考柵重合,21,行業(yè)借鑒,1,2,

6、3,4,5,6,7,8,9,A,C,B,A-0級，B點：+1，C點：-1,x,變形后: 云紋出現(xiàn),22,行業(yè)借鑒,云紋的形成,23,行業(yè)借鑒,平行云紋的產(chǎn)生,24,行業(yè)借鑒,節(jié)距相同與不同平行云紋對比,25,行業(yè)借鑒,等節(jié)距柵轉(zhuǎn)角云紋變化,26,行業(yè)借鑒,轉(zhuǎn)角云紋產(chǎn)生,27,行業(yè)借鑒,Optical Moir Method,Moir Fringe,Mismatch,Misalignment,Two kinds of Moir fringe,Model Grid,Master Grid,Master Grid,28,行業(yè)借鑒,Offset,Model grid,29,行業(yè)借鑒,面內(nèi)幾何云紋： 一

7、般應(yīng)用正交光柵， 可同時測量u,v位移場 實現(xiàn)方法： 旋轉(zhuǎn)參考柵或試件柵（90）； 或在4F濾波光路里。,30,行業(yè)借鑒,同級云紋上各點沿光柵主方向的位移相等。 相鄰云紋條紋的位移增量為一個柵距，,重要的結(jié)論：,31,行業(yè)借鑒,已知云紋圖如何計算應(yīng)變 如已知u,v 云紋?,32,行業(yè)借鑒,參考柵,試件柵,S,由云紋計算應(yīng)變的方法:,平行云紋,33,行業(yè)借鑒,由云紋計算應(yīng)變的方法:,轉(zhuǎn)角云紋,34,行業(yè)借鑒,相鄰云紋條紋的位移增量為一個柵距，,y,x,y,V場云紋,由云紋計算應(yīng)變的方法:,35,行業(yè)借鑒,云紋干涉法,36,行業(yè)借鑒,云紋干涉法,應(yīng)用高密度衍射光柵和激光干涉技術(shù)進行位移和變形測量的

8、一種現(xiàn)代光測力學(xué)實驗方法。,37,行業(yè)借鑒,八十年代，D POST倡導(dǎo)的（激光應(yīng)用后） 非接觸、實時全場位移和應(yīng)變分析 高靈敏度：600-2400線/毫米（波長量級） 大量程,高反差條紋，良好的條紋對比度；直觀。,云紋干涉法,38,行業(yè)借鑒,全息光柵 云紋干涉法測量基本原理 云紋干涉儀簡介,39,行業(yè)借鑒,云紋干涉法的傳感元件,全息光柵的樣式和種類,40,行業(yè)借鑒,全息光柵的形成,600-2400線/毫米,云紋干涉法采用的光柵頻率f通常為1200線/mm，也有采用600和2400線/mm的.通過使全息干板轉(zhuǎn)動90度進行二次曝光可獲得正交型光柵,則可用于二維面內(nèi)位移場和應(yīng)變場測量.,激光感光膠,

9、準直激光,空間虛柵,41,行業(yè)借鑒,如同普通云紋法，也可以將全息試件柵放入制柵光路里進行實驗：,42,行業(yè)借鑒,基于空間虛柵概念的解釋。 D. Post最早對云紋干涉法的解釋為： 對稱于試件柵法向入射的兩束相干準直光在試件表面的交匯區(qū)域內(nèi)形成頻率為試件柵兩倍的空間虛柵，當(dāng)試件受載變形時，刻制或復(fù)制在試件表面的試件柵也隨之變形，變形后的試件柵與作為基準的空間虛柵相互作用形成云紋圖，該云紋圖即為沿虛柵主方向的面內(nèi)位移等值線,云紋干涉法的基本原理,43,行業(yè)借鑒,在1984年，戴福隆教授和D. Post等人對云紋干涉法進行了嚴格的理論推導(dǎo)和解釋，建立了云紋干涉法的波前干涉理論。,云紋干涉法的波前干涉

10、理論,44,行業(yè)借鑒,云紋干涉法的測量原理 一、光柵衍射方程(衍射基本知識）,入射光,p=1/f,x,法向,根據(jù)兩相鄰狹縫的光束之間的光程差為,可計算出m級光譜與衍射角的關(guān)系,衍射光柵是由很多平行、等寬、等間距的狹縫組成的。,45,行業(yè)借鑒,二、面內(nèi)位移場實時觀測,根據(jù)光柵的衍射方程,當(dāng)入射角、波長和光柵頻率f滿足以下方程關(guān)系時,兩束光（O光、R光）的一級衍射光波將沿試件柵的法線方向衍射。,46,行業(yè)借鑒,根據(jù)光柵的衍射方程,當(dāng)入射角、波長和光柵頻率f滿足以下方程關(guān)系時,兩束光（O光、R光）的一級衍射光波將沿試件柵的法線方向衍射。,變形前轉(zhuǎn)移試件柵,放入光路,云紋干涉法的波前干涉理論,47,行

11、業(yè)借鑒,一束光波的波動方程可表示為：,A 為振幅， 相位。應(yīng)用歐拉方程：,通常使用激光， 都相同， 用復(fù)振幅表示為：,不考慮光波隨時間變化。,48,行業(yè)借鑒,當(dāng)入射的光波為準直光，試件柵十分規(guī)整，試件未受力，則兩個正負一級衍射波可視為平面波，表示為：,當(dāng)試件受力發(fā)生變形后，則平面波變?yōu)楹捅砻嫖灰朴嘘P(guān)的翹曲波前，其位相也將發(fā)生相應(yīng)的變化。翹曲波前可表示為：,注：什么是波前：就是光波的連續(xù)性的同相表面（波陣面）。波前與行進方向垂直。光波在空間傳播，因此，波前是一個面而不是一條線。,49,行業(yè)借鑒,當(dāng)試件表面具有三維位移時，位相變化與位移的關(guān)系：,兩束衍射波前經(jīng)過成像系統(tǒng)后在像平面上發(fā)生干涉，此時的

12、合成光強為;,共軛復(fù)振幅,50,行業(yè)借鑒,前式是兩束平面光波的初始位相差，為一常數(shù)，并可等效為剛體平移產(chǎn)生的位相差。理想的情況為0。后式是試件變形以后兩翹曲波前的相對位相變化?？傻?,我們可以看出：,（1）當(dāng) 時，出現(xiàn)亮條紋， 即,可得：,（2）考慮到光程和位相之間的關(guān)系，即：,51,行業(yè)借鑒,四、位移與條紋級數(shù)的關(guān)系,52,行業(yè)借鑒,五、位移與柵線節(jié)距的關(guān)系,光柵頻率通常為1200線 /mm, 或光柵節(jié)距為0.833m, 當(dāng)試件柵的頻率f為1200 線/mm時,一級干涉條紋代表0.417m 的位移量。所以云紋干涉法的靈敏度通常為試件柵光柵節(jié)距的一半,53,行業(yè)借鑒,六、應(yīng)變場的測量,54,行

13、業(yè)借鑒,雙光束光路系統(tǒng)的特點： 優(yōu)點： 最基本的雙光束光路， 具有光學(xué)元件少、操作簡單等特點。 不足： 該光路只能測量單方向位移場， 而且反射鏡要緊挨試件。,云紋干涉法光路,55,行業(yè)借鑒,雙光束云紋干涉法 Measuring System for Moir Interferomerty (two beams),56,行業(yè)借鑒,光柵分光光路系統(tǒng),57,行業(yè)借鑒,2-D OPTIC INTERFEROMETER,58,行業(yè)借鑒,59,行業(yè)借鑒,三維云紋干涉儀光路系統(tǒng),60,行業(yè)借鑒,三點彎曲實驗受力簡圖,三點彎曲試件,b,h,L,P,u,v,測試區(qū)域,61,行業(yè)借鑒,三點彎曲梁U場云紋干涉條紋圖

14、,u場云紋條紋圖,62,行業(yè)借鑒,由條紋圖測位移,P,x2,x1,63,行業(yè)借鑒,三點彎曲梁V場云紋干涉條紋圖,V場云紋條紋圖,64,行業(yè)借鑒,激光焊接殘余應(yīng)力,y,(40 x65,unit=mm),云紋干涉條紋圖,65,行業(yè)借鑒,光柵的制備方法,66,行業(yè)借鑒,云紋法所用的光柵,光柵是云紋法測量的基本元件 光柵與電阻應(yīng)變片的異同： 相同點：變形載體，粘貼方式 不同點：1.測量原理;2.靈敏度；3.材料，記錄系統(tǒng) 普通柵線制作： 1.印制：光學(xué)方法印制在照相底片或涂有感光膠的玻璃或?qū)嶋H的試件上。 2.機械刻劃： 3.投影或干涉的方法,67,行業(yè)借鑒,刻劃,68,行業(yè)借鑒,1.涂感光膠,2.曝光

15、,3.去掉感光部分,4. 腐蝕,5.清除藥膜成型,試件,感光膠,母板,感光部分,未感光部分,投影,69,行業(yè)借鑒,干涉法制作光柵,上圖為旋轉(zhuǎn)點光源全息光柵制作系統(tǒng)。其中，L1、L2、L3為透鏡；M1、M2、M3為反射鏡；W是楔塊；B是分光鏡；H是感光平面。該系統(tǒng)的優(yōu)點是可有效地消除光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件的缺陷和空氣中的塵埃引起的散斑噪聲對光柵質(zhì)量的影響，其中旋轉(zhuǎn)的點光源是實現(xiàn)該過程的核心部件。,70,行業(yè)借鑒,試件,母柵,基底,感光膠膜,1.涂膠,2.粘貼及加壓,3.剝?nèi)セ?4.完成,粘結(jié)劑,轉(zhuǎn)移光柵,71,行業(yè)借鑒,影像云紋法測量離面位移,72,行業(yè)借鑒,影像云紋法測量離面位移 主要用以測量離

16、面位移和物體表面的等高線,n 為條紋級數(shù),設(shè)備: 參考光柵、入射光源、記錄相機,73,行業(yè)借鑒,74,行業(yè)借鑒,如何建立云紋和物體表面輪廓之間的關(guān)系？,75,行業(yè)借鑒,試件放置于水平面上，參考柵平行于水平面 放置。,入射光與基準柵法線夾角為,觀察方向與光柵法向夾角為,76,行業(yè)借鑒,假設(shè)基準柵上的P點投影到試件上的P點， 從觀察面觀察時， P點與參考柵上P點 重合。,若P和P”點均為亮線條或黑線條時，在P”點 可觀察到云紋,PP”間距離和柵距有何關(guān)系？,w,77,行業(yè)借鑒,此時，PP”之間的距離一定為整數(shù)倍柵距。,f=na,78,行業(yè)借鑒,f=OP+OP”,79,行業(yè)借鑒,w,w,表示曲面上的

17、等高線,80,行業(yè)借鑒,討論：,時，n=0, w=0,基準柵與試件接觸點,一定為零級條紋,表示試件表面上的等高線(距離參考柵高度為w的等高線),(1),(2),相鄰條紋級數(shù), 離面位移差相同,81,行業(yè)借鑒,一.平行入射光與平行反射光系統(tǒng),試件,透射光柵,光源,xa,xb,相機或CCD,試件柵為參考柵在試件上的投影。 注意：對試件表面的要求,（一般表面涂有白漆）,82,行業(yè)借鑒,投影云紋實質(zhì)：是參考柵與投影柵干涉的結(jié)果。 參考柵是固定不動。 試件柵（投影柵）柵距隨試件表面輪廓變化而變化,83,行業(yè)借鑒,如果測一物體變形產(chǎn)生的離面位移w： 設(shè)物體曲面初始w=w1，變形后w=w2，則實際位移w=w2 w1。,可在變形前后分別照兩張云紋圖，得到 在同一點上分別確定云紋級數(shù)后，即可用公式求得離面位移。,84,行業(yè)借鑒,d,下面討論采用點光源和照相機系統(tǒng)測量公式,l,系統(tǒng)的構(gòu)成： 光源（點）、相機、參考柵,85,行業(yè)借鑒,法線,假設(shè)基準柵上的P點投影到試件上的P點， 從觀察面觀察時， P點與參考柵上P點重合。,P,P,P,若P和P”點均為亮線條或黑線條時，在P”點 可觀察到亮帶云紋,d,l,x,w,P: 過P點光 柵面法線與 x軸的交點; x：原點和P 的距離。,x,P,86,行業(yè)借鑒,f=OP+OP”=na,法線,P,P,P,d,l,x,w,a,云紋: 距離參考柵