第六章 光弹性实验
实验一 光弹仪调整及其光学效应演示
实验目的
1、了解409-Ⅱ光测弹性仪各部分名称和作用，初步掌握光测弹性仪的使用方法；
2、观察模型受载后在偏振光场中的光学效应；
3、学习辩识等差线条纹图的方法；
4、学习辩识等倾线条纹图的方法。
二、仪器设备和模型
1、409-Ⅱ型光测弹性仪；
2、光弹模型。
三、实验原理和方法在光弹性测试中，最基本的光场是平面偏振光场，主要由光源、起偏镜、检偏镜组成（如图6-1-1）。实验时，可根据需要调整两个偏振片的偏振轴方位。当起、检偏振片的偏振轴互相平行时，形成平行平面偏振光场，即亮场；当它们互相垂直时称为正交平面偏振光场，即暗场。
图6-1-1
将一个处在平面应力状态的模型放置在正交平面偏振光场的光路中，模型上某些点的主应力的方向与起偏镜的偏振轴平行时，偏振光可顺利通过模型，不会产生其他分量，由于检偏轴垂直于起偏轴，这些点在检偏镜后将出现消光点。众多主应力方向相同的点将组成一条消光条纹，即等倾线。因此，只要知道检偏轴和事先选定的参考轴的夹角，就可以知道等倾线上的各个测点的主应力方向与该参考轴的夹角。
受力模型置于平面偏振场中，在屏幕上除出现等倾线条纹外，同时还将出现等差线条纹。欲想得到清晰、单一的等差线条纹图，就得设法消除等倾线条纹的干扰，常用的方法是采用圆偏振光场测试等差线：在平面偏振光场中加入两个四分之一波片（图6-1-2），使片的快轴与片的慢轴平行，同时将波片的主轴与入射的平面偏振光的振动方向互成45°，起偏镜与检偏镜的偏振轴互相垂直时光强最小（暗场），平行时光强最大（明场）。图6-1-2是双正交圆偏振光场的基本光路。
图6-1-2
当平面偏振光垂直射入平面应力模型时，因为模型材料具有暂时双折射效应，光波沿着模型上入射点的应力主轴方向分解成两束平面偏振光。这两束平面偏振光在模型内部的传播速度不同，通过模型后就产生了光程差。这个光程差与该单元体的主应力差和模型厚度成正比：
（1）
为比例系数。
当光程差为光波波长的整数倍时，
（2）
干涉光就在屏幕上出现消光点，由于模型内的应力是连续变化的，同时满足光程差等于同一整数倍波长的各点，将形成一条黑色的干涉条纹，这些条纹称为等差线，与其对应的称为条纹级数。
由（1）、（2）式可得到：
（3）
式中 为材料条纹值。
四、实验步骤
1、观看光测弹性仪的各个部分，了解其名称和作用。
2、开启白光光源,安装试件。
3、调整仪器使屏幕上成像清晰。
4、逐级加载，观察等差线的变化情况。
5、单独旋转检偏镜，观察屏幕上等差线条纹图的变化情况，完毕后卸载。
6、去掉两片四分之一波片，调整光场及载荷，开启并转动同步控制器，观察等倾线的变化情况。
7、卸载，取下试件，仪器复原。
五、实验注意事项
1、光弹仪上镜片部分切忌用手触摸。
2、试件安装位置要准确、稳定。
3、对模型加载时，要正确平稳，防止模型弹出损坏镜片。
4、开启同步控制器时应用手将手轮按住。
实验二 等差线和等倾线的描绘
实验目的
1、掌握等差线和等倾线的描绘方法；
2、学会用钉压法判断主应力方向；
3、学习确定非整数级条纹级数的方法。
二、实验设备
1、409-Ⅱ光测弹性仪；
2、小钉；
3、光弹模型。
三、实验方法
1、等差线的描绘在圆偏振光场中，当受力模型呈现以暗场为背景的等差线图时，各条纹的级数为整数级条纹，；若受力模型呈现以明场为背景的等差线图时，各条纹的级数为半数级条纹，。具体实施时，首先确定的点或条纹的位置（白光光源时，只有该点或条纹是黑色的），只要模型形状、载荷作用点及方向不变，这些点或条纹的位置是不随载荷大小变化的，其他条纹级数可根据应力分布的连续性依次数出。条纹级数的递增方向（或递减方向），可采用白光光源，依据等差线条纹的色序而定。当色序的变化为黄、红、蓝、绿……，则为级数增加的方向，反之为级数递减的方向。
2、发源点与隐没点在单色光照射下，模型上某些点可能呈暗黑色，但随着载荷的增减，其明暗程度随之变化。在载荷增加过程中，有些点的条纹连续向外扩散，这些点称为发源点，它们的条纹级数比周围的条纹级数高；有些条纹向某些点收敛，这些收敛点称为隐没点，它们的条纹级数比周围的条纹级数低。发源点和隐没点只能够判别周围条纹级数的高低方向，不能直接判别其级数。
3、非整数级条纹级数的确定在圆偏振光场中，可以分别得到整数级和半数级条纹级数等差线。而试件上的测点并非都是正好在整数级或半数级条纹上，因此需要测出这些点的小数级。测量小数级等差线的方法很多，这里介绍其中的一种方法——旋转检偏镜法中的双波片法。双波片法采用双正交圆偏振光场布置，首先将两偏振片的偏振轴和分别与被测点的两个主应力方向重合（图6-2-1），然后转动检偏镜，使附近的一条整数条纹的等差线移至通过该测点（图6-2-2），检偏镜偏振轴转动角度为，被测点的条纹级数：
（1）
如果检偏镜偏振轴向另一方向旋转了角，而级条纹移至被测点（图6-2-2），则被测点的条纹级数为,
（2）
图6-2-1 图6-2-2
4、钉压法用一钉状物体在垂直于模型的边界上，对被测点施加一个较小的压力，观察该点条纹级数的变化情况，如果出现条纹级增加，则说明该点与边界相切的应力为拉应力，这点的等倾线角度等于边界的角度；若条纹级数减少，则为压应力，这点的等倾线角度等于边界法线的角度。
5、等倾线的描绘等倾线是光弹性实验中又一种重要的实验资料。它是用白光作光源，在平面偏振光场中获得的。这时等差线除零级条纹外都是彩色条纹的，而等倾线则总是黑色的。识别等倾线比识别等差线要困难些，为了准确描绘出等倾线，在描绘前应适当调整实验载荷，尽量避免等差线干扰等倾线，然后再开启同步控制器，缓慢地同步旋转起偏镜和检偏镜，反复观察等倾线的变化规律，掌握其特征，（1）对称轴必为一条等倾线；（2）任意倾角的等倾线必通过各向同性点；（3）自由曲线边界上各点的切线或法线方向即为该点的主应力方向等等。测试时通常以起、检偏镜的偏振轴分别是垂直和水平位置为基准，这时模型上出现的为0°等倾线。同步反时针旋转起、检偏镜，每隔5°或10°（根据需要确定间隔的度数）在同一幅等倾线图上描绘出相应的等倾线，并标明其倾角度数，直到绘完90°为止。
实验步骤
1、调整光弹仪，使之处于平面偏振光场，开启白光光源。
2、安装试件，适当调整载荷，使等倾线清晰可见。
3、开启同步控制器，同步转动起、检偏镜，每转5°或10°（根据需要确定间隔的度数），将等倾线画下并标明度数，直至等倾线绘制完毕。
4、安装四分之一波片，调整光场，使之处于双正交圆偏振光场。
5、更换绘图纸。
6、反复调整载荷，仔细观察等差线变化情况至基本掌握其变化规律。
7、更换单色光光源。
8、调整好载荷，绘制等差线整数级条纹并标明级数。
9、转动检偏镜，使光场成为明场。
10、绘制等差线半数级条纹并标明半数级级数，。
11、卸载，取下试件，仪器复原。
六、实验报告
1、简单描述实验过程及收获。
2、绘制光弹模型的等差线和等倾线图。
七、实验注意事项
1、切忌用手触摸光弹仪上的光学器件。
2、对模型加载时，要正确平稳，防止模型弹出损坏镜片。
3、开启同步控制器时应用手将手轮按住。
实验一 光弹仪调整及其光学效应演示
实验目的
1、了解409-Ⅱ光测弹性仪各部分名称和作用，初步掌握光测弹性仪的使用方法；
2、观察模型受载后在偏振光场中的光学效应；
3、学习辩识等差线条纹图的方法；
4、学习辩识等倾线条纹图的方法。
二、仪器设备和模型
1、409-Ⅱ型光测弹性仪；
2、光弹模型。
三、实验原理和方法在光弹性测试中，最基本的光场是平面偏振光场，主要由光源、起偏镜、检偏镜组成（如图6-1-1）。实验时，可根据需要调整两个偏振片的偏振轴方位。当起、检偏振片的偏振轴互相平行时，形成平行平面偏振光场，即亮场；当它们互相垂直时称为正交平面偏振光场，即暗场。
图6-1-1
将一个处在平面应力状态的模型放置在正交平面偏振光场的光路中，模型上某些点的主应力的方向与起偏镜的偏振轴平行时，偏振光可顺利通过模型，不会产生其他分量，由于检偏轴垂直于起偏轴，这些点在检偏镜后将出现消光点。众多主应力方向相同的点将组成一条消光条纹，即等倾线。因此，只要知道检偏轴和事先选定的参考轴的夹角，就可以知道等倾线上的各个测点的主应力方向与该参考轴的夹角。
受力模型置于平面偏振场中，在屏幕上除出现等倾线条纹外，同时还将出现等差线条纹。欲想得到清晰、单一的等差线条纹图，就得设法消除等倾线条纹的干扰，常用的方法是采用圆偏振光场测试等差线：在平面偏振光场中加入两个四分之一波片（图6-1-2），使片的快轴与片的慢轴平行，同时将波片的主轴与入射的平面偏振光的振动方向互成45°，起偏镜与检偏镜的偏振轴互相垂直时光强最小（暗场），平行时光强最大（明场）。图6-1-2是双正交圆偏振光场的基本光路。
图6-1-2
当平面偏振光垂直射入平面应力模型时，因为模型材料具有暂时双折射效应，光波沿着模型上入射点的应力主轴方向分解成两束平面偏振光。这两束平面偏振光在模型内部的传播速度不同，通过模型后就产生了光程差。这个光程差与该单元体的主应力差和模型厚度成正比：
（1）
为比例系数。
当光程差为光波波长的整数倍时，
（2）
干涉光就在屏幕上出现消光点，由于模型内的应力是连续变化的，同时满足光程差等于同一整数倍波长的各点，将形成一条黑色的干涉条纹，这些条纹称为等差线，与其对应的称为条纹级数。
由（1）、（2）式可得到：
（3）
式中 为材料条纹值。
四、实验步骤
1、观看光测弹性仪的各个部分，了解其名称和作用。
2、开启白光光源,安装试件。
3、调整仪器使屏幕上成像清晰。
4、逐级加载，观察等差线的变化情况。
5、单独旋转检偏镜，观察屏幕上等差线条纹图的变化情况，完毕后卸载。
6、去掉两片四分之一波片，调整光场及载荷，开启并转动同步控制器，观察等倾线的变化情况。
7、卸载，取下试件，仪器复原。
五、实验注意事项
1、光弹仪上镜片部分切忌用手触摸。
2、试件安装位置要准确、稳定。
3、对模型加载时，要正确平稳，防止模型弹出损坏镜片。
4、开启同步控制器时应用手将手轮按住。
实验二 等差线和等倾线的描绘
实验目的
1、掌握等差线和等倾线的描绘方法；
2、学会用钉压法判断主应力方向；
3、学习确定非整数级条纹级数的方法。
二、实验设备
1、409-Ⅱ光测弹性仪；
2、小钉；
3、光弹模型。
三、实验方法
1、等差线的描绘在圆偏振光场中，当受力模型呈现以暗场为背景的等差线图时，各条纹的级数为整数级条纹，；若受力模型呈现以明场为背景的等差线图时，各条纹的级数为半数级条纹，。具体实施时，首先确定的点或条纹的位置（白光光源时，只有该点或条纹是黑色的），只要模型形状、载荷作用点及方向不变，这些点或条纹的位置是不随载荷大小变化的，其他条纹级数可根据应力分布的连续性依次数出。条纹级数的递增方向（或递减方向），可采用白光光源，依据等差线条纹的色序而定。当色序的变化为黄、红、蓝、绿……，则为级数增加的方向，反之为级数递减的方向。
2、发源点与隐没点在单色光照射下，模型上某些点可能呈暗黑色，但随着载荷的增减，其明暗程度随之变化。在载荷增加过程中，有些点的条纹连续向外扩散，这些点称为发源点，它们的条纹级数比周围的条纹级数高；有些条纹向某些点收敛，这些收敛点称为隐没点，它们的条纹级数比周围的条纹级数低。发源点和隐没点只能够判别周围条纹级数的高低方向，不能直接判别其级数。
3、非整数级条纹级数的确定在圆偏振光场中，可以分别得到整数级和半数级条纹级数等差线。而试件上的测点并非都是正好在整数级或半数级条纹上，因此需要测出这些点的小数级。测量小数级等差线的方法很多，这里介绍其中的一种方法——旋转检偏镜法中的双波片法。双波片法采用双正交圆偏振光场布置，首先将两偏振片的偏振轴和分别与被测点的两个主应力方向重合（图6-2-1），然后转动检偏镜，使附近的一条整数条纹的等差线移至通过该测点（图6-2-2），检偏镜偏振轴转动角度为，被测点的条纹级数：
（1）
如果检偏镜偏振轴向另一方向旋转了角，而级条纹移至被测点（图6-2-2），则被测点的条纹级数为,
（2）
图6-2-1 图6-2-2
4、钉压法用一钉状物体在垂直于模型的边界上，对被测点施加一个较小的压力，观察该点条纹级数的变化情况，如果出现条纹级增加，则说明该点与边界相切的应力为拉应力，这点的等倾线角度等于边界的角度；若条纹级数减少，则为压应力，这点的等倾线角度等于边界法线的角度。
5、等倾线的描绘等倾线是光弹性实验中又一种重要的实验资料。它是用白光作光源，在平面偏振光场中获得的。这时等差线除零级条纹外都是彩色条纹的，而等倾线则总是黑色的。识别等倾线比识别等差线要困难些，为了准确描绘出等倾线，在描绘前应适当调整实验载荷，尽量避免等差线干扰等倾线，然后再开启同步控制器，缓慢地同步旋转起偏镜和检偏镜，反复观察等倾线的变化规律，掌握其特征，（1）对称轴必为一条等倾线；（2）任意倾角的等倾线必通过各向同性点；（3）自由曲线边界上各点的切线或法线方向即为该点的主应力方向等等。测试时通常以起、检偏镜的偏振轴分别是垂直和水平位置为基准，这时模型上出现的为0°等倾线。同步反时针旋转起、检偏镜，每隔5°或10°（根据需要确定间隔的度数）在同一幅等倾线图上描绘出相应的等倾线，并标明其倾角度数，直到绘完90°为止。
实验步骤
1、调整光弹仪，使之处于平面偏振光场，开启白光光源。
2、安装试件，适当调整载荷，使等倾线清晰可见。
3、开启同步控制器，同步转动起、检偏镜，每转5°或10°（根据需要确定间隔的度数），将等倾线画下并标明度数，直至等倾线绘制完毕。
4、安装四分之一波片，调整光场，使之处于双正交圆偏振光场。
5、更换绘图纸。
6、反复调整载荷，仔细观察等差线变化情况至基本掌握其变化规律。
7、更换单色光光源。
8、调整好载荷，绘制等差线整数级条纹并标明级数。
9、转动检偏镜，使光场成为明场。
10、绘制等差线半数级条纹并标明半数级级数，。
11、卸载，取下试件，仪器复原。
六、实验报告
1、简单描述实验过程及收获。
2、绘制光弹模型的等差线和等倾线图。
七、实验注意事项
1、切忌用手触摸光弹仪上的光学器件。
2、对模型加载时，要正确平稳，防止模型弹出损坏镜片。
3、开启同步控制器时应用手将手轮按住。
