光弹性实验汇总

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光弹性实验报告

一、实验目的

1. 了解光弹性仪各部分的名称和作用，掌握光弹性仪的使用方法。

2. 观察光弹性模型受力后在偏振光场中的光学效应。

3. 掌握平面偏正光场和圆偏振光场的形成原理，和调整镜片（起偏镜、检偏镜、1/4波片）的方法。

4. 通过圆盘对径受压测量材料条纹级数f ，并通过实验求出两端受压方片中心截面上的应力。

5. 用理论公式计算出方片中心截面上的应力，并与实验得出的数据相比对，判断实验数据的准确性。

二、实验原理和方法

首先引入偏振光的概念，如光波在垂直于传播方向的平面内只在某一个方向上振动，且光波沿传播方向上所有点的振动均在同一个平面内，则此种光波称为平面偏振光。

双折射：当光波入射到各向异性的晶体如方解石、云母等时，一般会分解为两束折射光线，这种现象称为双折射。

从一块双折射晶体上，平行于其光轴方向切出一片薄片，将一束平面偏振光垂直入射到这薄片上，光波即被分解为两束振动方向互相垂直的平面偏振光，其中一束比另一束较快地通过晶体。于是，射出薄片时，两束光波产生了一个相位差。这两束振动方向互相垂直的平面偏振光，其传播方向一致，频率相等，而振幅可以改变。设这两束平面偏振光为：

11sin()u a t ω= （1）

22sin()u a t ωφ=+ （2）式中 1a 2a —振幅

φ—两束光波的相位差

将上述两方程（1）（2）合并，消去时间t ，即得到光路上一点的合成光矢量末端的运动轨迹方程式,此方程式在一般的情况下是一个椭圆方程，如果12a a a ==，2π

φ=，则方程式成为圆的方程：

光弹效应实验

1．前言

塑料、玻璃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。但是当他们受到应力的时候，就会变成各向异性而显示出双折射性质，这种现象称为光弹效应。

各向同向的介质在某一方向受压力时，在这个方向上就形成了介质的光轴。设应力为P ，设这时出现的o 光和e 光的折射率分别为n o 和n e ，则在一定范围内：

n o -n e =CP （1）

C 为常量。因此通过的厚度为L 的形变介质时，两偏振光的相位差为：

λπλπφ/2/2CPL L n n e o =-=∆）（（2）这两束光经过检偏器就产生了偏振光的干涉现象。我们将看到与应力分布相关的干涉花样。在白光照射下产生的干涉花样中，彩色的条纹称为等色线，它的疏密情况反映的是应力的大小；黑色的条纹称为等倾线，它反映应力的方向。我们可以用1/4波片消除等倾线，方法是：在光弹性材料的前后各插入一个1/4波片，两个1/4波片的取向正交，并与两个偏振片成45度。此时等倾线将消失。利用光弹效应，提供了一种检测材料应力分布的简单方法，目前已经发展成为一个专门的学科—光弹性学，它为工程设计解决了极其复杂的应力分析问题。

2. 自然光与偏振光理论

就偏振性而言，光一般可分为偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有规则变化的光称为偏振光。在传播过程中，光矢量的方向不变，其大小随相位变化的光是线偏振光，这时在垂直于传播方向的平面上，光矢量端点的轨迹是一条直线。圆偏振光在传播过程中，其光矢量的大小不变，方向呈规则变化，其端点的轨迹是一

个圆。椭圆偏振光的光矢量的大小和方向在传播过程中均呈规则变化，光矢量端点沿椭圆轨迹转动。任一偏振光都可以用两个振动方向相互垂直、相位有关联的线偏振光来表示[5]。

实验报告光弹性效应

光弹性效应

一实验原理

（一）光弹性效应

光弹性：某些介质，在自然状态下式各向同性的，没有双折射性质。但当受到机械力作用时，将成为光学各向异性，出现双折射现象。这种双折射是暂时的，应力解除后即消失。

我们称具有明显光弹性效应的物质为光敏物质；光弹性效应微弱的物质为非光敏物质。

光弹仪的原理：

，σ为内应力

（二）全息光弹法

两次曝光法当模型未加力时，让物光和参考光同时投到全息干板上作第一次曝光，模型加上力后，再做第二次曝光。将全息干板显影、定σk n n e =-0

影，得到全息图。放回原来位置，遮蔽物光，让参考光照射全息图，这时候迎着原物光方向观看，即可看到实验模型的立体虚像，通过望远镜可看到虚像中有明暗相间的干涉条纹，即为等和线。此方法适用于非光敏物质。

一次曝光法：只在模型受力时作一次曝光，其余操作和两次曝光法一致。将能看到等差线，该法适用于光敏物质。

（三）等和线&等差线

形成原因：两次曝光法得到的光强分布为：

若取非光敏物质做成模型做两次曝光，由于ηc ≈0，则上式成为：

那么，当ηρ=0，±1、±2….相应点成为亮条纹，即沿同一条纹各点有相同的ηρ。而ηρ与主应力之和（σ1+σ2）成正比，因此同一条纹各点主应力之和相等。称之为等和线。

二实验过程

1. 打开激光器，激光束打到分光镜有膜一面（中间的一块）；

2. 在模型后20cm 左右位置放置白屏，记录位置；

3. 调节反光镜，使物光光束透过模型中心，打到白屏上，调节参考光光路反光镜，使参考光光点和物光光点重合；

4. 测量两路光程，要做到差距在1cm 之内；

光弹性原理及实验方法

(1) 光程
单色光的频率 f （颜色）在不同介质中是相同的，但光速和波长不同。在折射率为n的介质中，光速v为真空中光速c的1/n。
在折射率为n的介质中，如光波通过的几何路程为x，那么同样的时间光在真空中通过的路程为：
x
ν
c
=
nx
将光波在某一介质中所经历的几何路程 x 与介质折射率 n 的乘积 nx，称为
依照光弹性原理，分析条纹算出模型内各点应力大小和方向（条纹分析）；实际构件的应力可依据相似性理论换算得到（构件应力）。
光弹性方法的特点：
直观、全场测量；直接测量模型受力后的应力分布，而不是变形分布；尤其适合理论计算困难、形状和载荷复杂的构件。
4
§3.1 光测弹性法简介
光测弹性法的发展历程： 1816年D.Brewster发现透明介质在应力作用下具有暂时
5
§3.1 光测弹性法简介
光测弹性法分类：
透射光弹法（光弹模型或某些材料的应力分析）
利用这些材料的暂时双折射现象，获得等差线和等倾线条纹
光弹贴片法（实际构件的应力分析）
将厚为1~3mm的光学灵敏度高的光弹性材料牢靠地粘贴在待测结构物表面的反光面上，当结构受力变形时，贴片也随之变形，使其产生暂时双折射效应。借助于反射式光弹仪，可测出光弹贴片的等差线和等倾线，然后通过计算可得到构件表面上任一点的主应变或主应力的方向和大小。

光弹实验报告总结归纳

光弹性应力测试

实验报告

指导教师：王美芹

学院：

班级：

学号：

姓名：

一、实验内容与目的

1．了解光弹性试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形图案，认识等差线和等倾线，了解主应力差和条纹值得测量；3．利用图像处理软件，对等倾线和等差线条纹进行处理。

二、实验设备与仪器

1．由环氧树脂或聚碳酸酯制作的试件模型一套；

2．偏光弹性仪及加载装置。

三、实验原理

光弹性实验主要原理是根据光的这一特性：光在各项同性材料中不发生双折射，而在各向异性的材料中发生双折射，且光学主轴与应力主轴重合。模型材料在受力前为各向同性材料，受力后部分区域变成各向异性，然后再根据光的干涉条件可知，在正交平面偏振场中，当光程差为波长整数倍时（等差线）或者模型应力主轴与偏振轴重合时（等倾线）光的强度为零，相应地显示出来的条纹为暗条纹，而在平行平面偏振场中，根据干涉条件可知，在正交平面偏振场中的暗纹条件恰好为平行平面偏振场亮纹的条件。然而，等倾线和等差线在一个图像上显示，难免会使图像不清晰，为了改进实验，我们在实验中把平面偏振场改为圆偏振场，这样就可以得到清晰的等倾线，它与平面偏振场的区别是在装置的模型两侧分别加了一个四分之一波片，当然了，也可以通过快速旋转正交偏振轴，快到应力模型上不同度数等倾线的取代过程用肉眼分辨不出来来消除等倾线的影响。

应力模型所使用的仪器为偏光弹性仪，由光源(包括单色光源和白光光源)、一对偏振镜、一对四分之一波片以及透镜和屏幕等组成，其装置简图1。

图1 光弹性仪装置简图

S —光源 L —透镜 P —起偏镜 M —四分之一波片

光弹性实验总结报告

光弹性实验是一种基于光的材料性能测试方法，通过测量材料在光作用下的力学响应来研究材料的弹性性质。在本次实验中，我们使用了一台光弹性仪，对不同材料进行了测试，并对实验结果进行了分析与总结。

首先，我们选择了五种常见材料（金属、塑料、橡胶、木材和陶瓷）作为实验样本，确定了它们的几何形状和尺寸，并在实验仪器中安装调整好样品。然后，我们使用了一束激光照射到样品表面，在测力传感器的作用下，实时记录样品的位移和力。

在实验过程中，我们发现不同材料在光照下会呈现出不同的弹性行为。金属材料在受到光照射后表现出较小的变形和较大的弹性恢复，这是因为金属具有较高的弹性模量和强度。相比之下，塑料和橡胶材料在光照下会有较大的变形，并且较低的弹性恢复，这是因为它们相对较低的弹性模量和强度。

此外，我们还观察到木材和陶瓷材料在光照射下的行为与金属、塑料和橡胶材料有较大的差异。木材在受光作用下表现出较小的变形和较大的弹性恢复，这是由于木材具有纤维状结构和较高的纤维间键合强度。陶瓷材料在光照下则显示出较大的变形和较低的弹性恢复，这是因为陶瓷的结构相对松散且易碎，容易发生永久性变形。

通过对实验结果的分析，我们可以得出结论：光弹性实验是一

种有效的材料性能测试方法，可以用于研究不同材料的弹性性质。不同材料在光照下会呈现出不同的弹性行为，这与材料的组成、结构和强度有关。金属材料具有较高的弹性模量和强度，而塑料和橡胶材料则具有较低的弹性模量和强度。木材具有纤维状结构和较高的纤维间键合强度，因此在光照下的弹性行为与金属、塑料和橡胶材料有所不同。陶瓷材料的结构相对松散且易碎，容易发生永久性变形。

光弹效应实验讲义

如果用光程差表示，则由于 2 ，得
I K (a sin )2
很清楚的由公式我们可以看到仅在
N
，即△=
N ( N 0,1,2,... )时才会出现暗点，这也表示利用圆偏振场的确可以消除等倾线
对条纹图形的影响。
这两束光经过检偏器就产生了偏振光的干涉现象。我们将看到与应力分布
相关的干涉花样。在白光照射下产生的干涉花样中，彩色的条纹称为等差线，它
的疏密情况反映的是应力的大小；黑色的条纹称为等倾线，它反映应力的方向。
我们可以使用1/4波片消除等倾线，方法是：在光弹性材料的前后给插入一个1/
4波片，两个1/4波片的取向正交，并与两个偏振片成45度。此时等倾线将消失。
利用光弹性效应，提供了一种检测材料内应力分布的简单方法，目前经发
展成为一个专门的学科——
2 通过试片后， u1 、 u 2 相对产生相位差，成为
u' 1 a cost
2
u' 2 a sint
2
同理，可知经过第二个1/4波片后，公式就成为
u'3 a cost cos sint sin (沿慢轴)
2
u'4 a cost cos sint sin
将数码相机拍照的图片输入计算机，首先转换成位图（BMP格式），然后再转换成灰度图，然后再使用专门的光弹数据处理软件进行计算处理。详情请参考《光

光弹性实验

一．实验目的

1.光弹性实验是一种光学的应力测量方法，是材料力学实验的重要组成部分。通过该实验熟悉光弹性等色条纹级次的判定方法。

2.理解材料条纹的力学意义二．实验原理

塑料、玻璃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。但是当它们受到应力的时候，就会变成各向异性而显示出双折射性质，这种现象称为光弹性效应。

光弹性法的光源有单色光和白光两种，单色光是只有一种波长的光；白光则是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种单色光组成的。发自光源的自然光是向四面八方传播的横振动波。当自然光遇到偏振片时，就只有振动方向与偏振轴平行的光线才能通过，这就形成平面偏振光，其振动方程为

A u λ

2sin

= （1）

式中A 为光波的振幅，λ为单色光的波长，v 为光波的传播速度，t 为时间。根据光学原理，偏振光的强度与振幅A 的平方成正比，即

KA I = （2）比例常数K 是一个光学常数。

用具有双折射性能的透明材料（如环氧树脂塑料或聚碳酸脂塑料）制成与实际构件相似的模型，并将它放在起偏镜和检偏镜之间的平面偏振光场中（见图1）。当模型不受力时，偏振光通过模型并无变化。如模型受力，且其某一单元的主应力为1σ和2σ，则偏振光通过这一单元时，又将沿1σ和2σ的方向分解成互相垂直，传播速度不同的两束偏振光，这种现象称为双折射。由于两束偏振光在模型中的传播速度并不相同，穿过模型后它们之间产生一个光程差∆。实验结果表明，∆与该单元主应力差()21σσ-和模型厚度h 成正比，即

()21σσ-=∆Ch （3）

光弹效应实验讲义

实验光弹性效应实验 (1)

实验光弹性效应实验

一: 实验设备

光学实验导轨1000mm 1根

白光光源（含电源）1台

二维+LD（含电源）1台

扩束镜1套

光弹性材料1块

1/4波片2套

偏振片2套

压力架1个

滑块8个

透镜1个

白屏1块

二：实验原理

各向同向的介质在某一方向受应力时，在这个方向上就形成了介质的光轴。设应力为P，设这时出现的o光和e光的折射率分别为no和ne ，则在一定的范围内：

n o–n e =CP

C为常量。因此通过的厚度为L 的形变介质时，两偏振光的相位差为：

L n n e o )(2-=λ

πφ

单色光通过起偏镜后成为平面偏振光 ()t a u ωsin =

u 到达第一个1/4波片后，沿波片分解成快、慢轴平面偏振光u1、u2 t a u ω45cos sin 1=︒= t a t a u ωωsin 245cos sin 2=︒=

通过1/4波片后，u1、u2相对产生向位差2/π，则成为

t a t a u ωπωcos 22sin 2'1=⎪⎭⎫ ⎝

⎛+= (沿快轴) t a

u ωsin 2'2= (沿慢轴)

u1、u2合成为圆偏振光。设受力模型上o 点的主应力1σ的方向与第一个1/4波片的快轴成β角。当u1、u2入射到模型o 点时，分别沿该点主应力1σ、2σ方向分解为

()βωββσ-=+=t a

u u u cos 2

sin 'cos '211 (沿1σ方向) ()βωββσ-=

光弹力学测试

光弹力学测试是一种实验应力分析方法，是采用具有特殊性质（暂时双折射现象）的透明材料制成研究对象的模型，用仪器测出模型在相似载荷作用下光学性质的变化，以达到分析模型中的应力分布之实验方法。

光弹性试验（photo elastic test）是航空航天器设计过程中检测零部件光效应的一种试验，是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。

光弹实验报告

光弹应力测试实验

一．实验原理：

1、暂时双折射：有些

各向同性的透明非晶体材

料在自然状态时不会产生

双折射，但是当其受到载荷

作用而有应力时，产生双折

射现象，当载荷卸去时，双

折射现象也消失，这种现象称为暂时双折射，也称为光弹性效应。光弹实验正是应用这种暂时双折射现象。

2、当一束平面偏振光Ep 垂直入射平面应力模型时，光波将沿模型上入射点的两个主应力、方向分解成两列平面偏振光。这两束光在模型内的传播速度不同，所以通过模型后就产生光程差R 。光程差R 与该点的主应力差

和模型厚度d 呈正比，即或相位差为，式中，c 为模型材料的相对应力光学常数。由此表明：平面偏振光沿模型上任一点两主应力方向分解的两平面偏振光，在透过模型之后产生的相对光程差或者相对相对位相差与该点的主应力差和模型厚度呈正比。这称为平面应力——光学定律。

1σ2σ()12-σσ()12

R=cd -σσα()122=-π

ασσλ

这样，把一个求主应力差的问题转变为一个求光程差或者位相差的问题。利用光弹性仪来测定光程差的大小然后根据应力——光学公式确定主应力差值，这就是光弹实验的理论基础。实验原理图如下：

二.实验过程

1. 打开激光器，激光束打到分光镜有膜一面（中间的一

块）；

2. 在模型后20cm左右位置放置白屏，记录位置；

3. 调节反光镜，使物光光束透过模型中心，打到白屏上，调节参考光光路反光镜，使参考光光点和物光光点重合；

4. 测量两路光程，要做到差距在1cm之内；

5. 加上准直镜，为保证激光束垂直通过其光心，调节其位置，使白屏上光点重合，并且使反射光沿原路返回；

光弹法的介绍原理和应用

1. 介绍

光弹法（Photomechanics）是一种利用光学原理和力学方法相结合的实验技术，用于研究材料的应力-应变和变形行为。它可以通过测量物体表面的光学特性来推

断物体受到的机械应力，并进一步研究物体的力学性质。

2. 原理

光弹法的原理基于材料的光学性质和光力学效应。当光线投射到物体表面时，

会发生折射、反射和散射等光学现象。而物体受到外力作用时，它的形状和表面的折射率也会发生变化，从而导致光学特性的变化。

通过测量光学特性的变化，比如光的偏振、透射能力的变化，可以推断物体受

到的应力和变形情况。基本的光弹法实验通常包括光弹性实验和光测变形实验。

3. 应用

光弹法在工程、材料科学和生物医学等领域都有广泛的应用。以下是一些常见

的应用领域：

3.1 工程应用

在工程实践中，光弹法常用于研究结构件的应力分布和变形情况。通过测量物

体表面的光学特性变化，可以推断结构件各处的应力状态，并在设计过程中优化结构和材料的选择。光弹法通常应用于航空航天、汽车、机械等工程领域。

3.2 材料科学应用

光弹法在材料科学领域中被广泛应用于研究材料的力学性质和应力-应变行为。通过测量材料表面的光学特性变化，可以推测材料受力的情况，并分析材料的强度、刚度、疲劳性能等。这对于材料设计和应用具有重要意义，特别是对于复合材料、薄膜材料和纳米材料等。

3.3 生物医学应用

光弹法在生物医学领域中也有重要的应用。通过测量生物体表面的光学特性变化，可以推断生物体受到的应力和变形情况，进而研究组织和器官的力学性质。这对于理解生物体的力学行为、研究疾病和进行医学诊断具有重要意义。

光弹性实验

实验讲课提纲

一、自然光与平面偏振光

（一）自然光

我们日常所见的光源，如太阳和白炽灯，所发出的光波是由无数个互不相干的波组成的，在垂直于光波传播方向的平面内，这些波的振动方向可取任何可能的振动方向，没有一个方向较其他方向更占优势。也就是说，在所有可能的方向上，振幅都是相等的。这种光称为自然光。

（二）平面偏振光

如光波在垂直于传播方向的平面内只在某一个方向上振动，且光波沿传播方向上所有点的振动均在同一平面内，则此种光波称为平面偏振光。

二、光弹性实验原理

将具有双折射性能的透明塑料，制成与零件形状几何相似的模型，使模型受力情况与零件的载荷相似。平面偏振光透过受有外力作用的模型时，分解成两束相互垂直的偏振光，分别在两个主平面上振动，且传播速度不等，其结果从模型上每一点透出的振动方向相互垂直的两个光波间产生光程差。如果再使它通过偏振镜，则产生光的干涉现象，得到等倾线和等差线两种干涉条纹。由等倾线可以求得主应力方向，由等差线可以求得主应力差σ1-σ2，再配合其他方法则可以求解出模型上一点的主应力σ1和σ2。根据模型相似理论可以由模型应力换算求得真实零件上的应力。

三、光弹性实验装置

（一）光弹仪的基本构造

光弹仪由光源、准直透镜、起偏振镜、1/4波片、加载架、1/4波片、检偏振镜、视场透镜、屏幕或相机等部件组成。

（二）光弹仪的调整

1.平面偏振光场

（1）正交平面偏振光场（暗场）；

（2）平行平面偏振光场（亮场）。

2.圆偏振光场

（1）双正交圆偏振光场（暗场）；

（2）平行圆偏振光场（亮场）。

四、等倾线与等差线

光弹性测量技术的原理与实践指南

光弹性测量技术的原理与实践指南引言

光弹性测量技术是一种通过光的干涉和衍射原理来测量物体形变和应力分布的

非接触式测试方法。这种技术在材料科学、工程结构、生物医学等领域有着广泛的应用。本文将介绍光弹性测量技术的原理以及实践指南，为读者提供更深入的了解和应用指导。

一、光弹性测量技术的原理

光弹性测量技术是基于光的干涉和衍射原理来进行测量的。当光束通过物体时，会发生折射、反射、透射和散射等现象，这些现象可以用干涉和衍射来解释。

1. 干涉原理

当光束通过物体时，由于物体的形变或应力分布，光束的路径会发生改变，从

而导致光程差的变化。如果光束经过的两条路径的光程差为光波长的整数倍，就会出现干涉现象。通过测量干涉条纹的移动，我们可以得到物体形变或应力分布的信息。

2. 衍射原理

衍射是当光波通过一个孔或绕过障碍物时，光波会发生弯曲和扩散的现象。通

过观察衍射条纹的形状和位置，我们可以得到物体形变或应力分布的信息。光弹性测量技术一般使用激光作为光源，因为激光的相干性和方向性可以提高测量的精度和稳定性。

二、光弹性测量技术的实践指南

1. 实验器材

进行光弹性测量实验需要准备一些基本的器材，包括激光器、光学元件（如透镜、偏振片、干涉仪）、相机、光敏材料等。这些器材的选择应根据实验目的和精度要求来确定。

2. 校准和标定

在进行光弹性测量之前，需要进行系统的校准和标定。校准是为了确保测量结

果的准确性和可靠性，可以通过对已知形变或应力的标准样品进行测量来进行校准。标定是为了确定光程差和位移之间的关系，可以通过加权法或多次观测法来确定标定曲线。