固体力学实验第五章
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2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
二、圆偏振光场中的光学效应（暗场）
Sp asint
S1 asint cos45
a sint
2
S3
a sin t 2 2
S2 asint sin45 a sint
2
S4
a sin t 2
S5 S3 cosS4 sin a cost
固体力学实验 第五章 光弹性基础
材料力学主要测试方法
常用的实验方法：
机械 电测 光测
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
常见的光测实验方法
光弹性法，云纹干涉法， 数字(电子)散斑法等。
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
光测法的传感元件
机械变量
物 体 本 身 的 光 学 特征 附 加 光 学 传 感 元 件
放置(暗场) 平行平面偏振布置——起偏镜与检偏镜的偏振轴互相平行
放置(明场)
正交平面偏振布置时，观察到的光场为暗场 ；平行平面偏 振布置，此时，观察到的光场为亮场。
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
偏振部分——平面偏振光场
实现：仅起偏镜P＋检偏镜A
PA 正交平面偏振光场 暗场 P//A 平行平面偏振光场 明场
行 光
偏 振
振 光
光
圆平 偏面平 振偏行 光振光
光
光 源
准 光 镜
起 偏 镜
¼
波 片
模 型
¼
波 片
检成 偏像 镜透
镜
屏 幕
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
光源部分
• 白色光 • 单色光
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
起偏镜与检偏镜
起偏镜——把来自光源的自然光变成平面偏振光 检偏镜——用来检验光波通过的情况 正交平面偏振布置——起偏镜与检偏镜的偏振轴互相垂直
确定零级的方法：用白光作光源，零级等差线在白光中总是呈 黑色的，并且只有零级等差线才呈黑色。同一颜色必定是同级等差 线，按颜色来就能确定级数了，这时的等差线又称为等色线。
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
在使用单色光源时，等倾线与等差线都呈黑色，不易辨 认，为了消除等倾线以获得清晰的等差线图，在光弹性 仪两偏振镜之间装上二块1／4波长片，形成圆偏振光场 进行检测。
•看演示（用单色光）
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
等差线级数
当等差线条纹级数n=0,1,2,······都满足消光条件，幕上都呈黑 线。
确定条纹级数的关键——找出零级，即1＝ 2包括1＝2＝0 和1＝2≠0 ，由于应力分布的连续性，等差线不仅是连续的，条纹
级数的变化也是连续的，只要确定了零级，则依次一级，二级也就 能确定了。
2020/ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
偏振部分——圆偏振光场
实现：仅起偏镜P＋2个1/4波片 ＋检偏镜A
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
4.2 平面应力—光学定律
实验证明：当平面偏振光垂直射入受平面应力的模型时，由于模型具 有暂时双折射现象，平面偏振光即沿两个主应力1和2方向分解成两束 平面偏振光。这两束偏振光在模型内的传播速度（或折射率）是不同 的。因此，透过模型后产生光程差与主应力差的数值有关。
其中变量：
θ──模型上任一点σ1与检偏镜偏振轴夹角。
σ1-σ2 ——模型上任一点应力差。
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
光强I为零时有以下四种情况 ：
① K=0，这与实际情况不符，因为只有在无光源时K才会 是零。
②δ=0，由公式 C(d 12)可知σ1=σ2，符合这些
条件的点称为各向同性点。如果σ1=σ2=0则称为零应力 点，这种点在模型上皆为黑点（因为光强等于零）， 例如纯弯曲梁上中性轴上各点σ==0，故模型中性层处 为一条黑线。
C d(12)n即1： 2C n dn df
上式表明，当模型中某点的主应力差值为f/d的整数倍时， 则此点在模型上呈黑点，当主应力差为f/d的某同一整数 倍的各个暗点，构成连续的黑线称为等差线（在此线上 各点的主应力差均相等）
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
区分等倾线与等差线
a、反复加载，等倾线不变，等差线改变。 b、同步旋转起偏镜与检偏镜，等倾线改变，等差线不变。 c、等倾线较粗，等差线较细。
n1 n0 A1 B2 n2 n0 B1 A2
n0、n1和n2分别代表模型不受力时、1和2方向的折射率。
透过模型后的光程差： d A B 1 2 C 1 d 2
CAB称为模型的光学常数。
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
4.2 平面应力—光学定律
透过模型后的光程差： d A B 1 2 C 1 d 2
S A S 3co S s4s i na si2 n si 2 n c o t s 2
I Kasin2sin2
2
P
P
IK2asi2 n2si2 n2
Sp S2
1
S1
A
2
S4
1
S3
A
SA
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
光经起偏镜后的强度：
IKsi2n 2 si2n C( d1 2)
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
③sin(2)=0，得 =(n/2) (n=0,1,2,3……)这说明模型上某 点主应力方向与偏振镜光轴重合，模型上也呈黑点，这 类黑点构成的连续黑线称为等倾线，等倾线上各点的主 应力方向都相同，而且偏振镜光轴的方向也就是主应力 的方向。
④ 令f=/c为材料条纹值，该值可用实验方法测定。
平面光弹性应力—光学定律也可以表示为位相差：
2 2 Cd 12
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
4.3 平面应力模型在偏振光场中的光学效应
一、在正交平面偏振光场中的光学效应
Sp asint
S1 asinsint S3 asinsint
S2 acos sint S4 acossint
光参量
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
光测与电测
光弹性实验和电测实验相比 则具有全场分析和直观性的 特点。
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
4.1 光弹性仪
• 光源部分 • 偏振部分 • 投影部分
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
平圆
平 面偏
固体力学实验 第五章 光弹性基础
二、圆偏振光场中的光学效应（暗场）
Sp asint
S1 asint cos45
a sint
2
S3
a sin t 2 2
S2 asint sin45 a sint
2
S4
a sin t 2
S5 S3 cosS4 sin a cost
固体力学实验 第五章 光弹性基础
材料力学主要测试方法
常用的实验方法：
机械 电测 光测
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
常见的光测实验方法
光弹性法，云纹干涉法， 数字(电子)散斑法等。
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
光测法的传感元件
机械变量
物 体 本 身 的 光 学 特征 附 加 光 学 传 感 元 件
放置(暗场) 平行平面偏振布置——起偏镜与检偏镜的偏振轴互相平行
放置(明场)
正交平面偏振布置时，观察到的光场为暗场 ；平行平面偏 振布置，此时，观察到的光场为亮场。
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
偏振部分——平面偏振光场
实现：仅起偏镜P＋检偏镜A
PA 正交平面偏振光场 暗场 P//A 平行平面偏振光场 明场
行 光
偏 振
振 光
光
圆平 偏面平 振偏行 光振光
光
光 源
准 光 镜
起 偏 镜
¼
波 片
模 型
¼
波 片
检成 偏像 镜透
镜
屏 幕
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
光源部分
• 白色光 • 单色光
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
起偏镜与检偏镜
起偏镜——把来自光源的自然光变成平面偏振光 检偏镜——用来检验光波通过的情况 正交平面偏振布置——起偏镜与检偏镜的偏振轴互相垂直
确定零级的方法：用白光作光源，零级等差线在白光中总是呈 黑色的，并且只有零级等差线才呈黑色。同一颜色必定是同级等差 线，按颜色来就能确定级数了，这时的等差线又称为等色线。
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
在使用单色光源时，等倾线与等差线都呈黑色，不易辨 认，为了消除等倾线以获得清晰的等差线图，在光弹性 仪两偏振镜之间装上二块1／4波长片，形成圆偏振光场 进行检测。
•看演示（用单色光）
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
等差线级数
当等差线条纹级数n=0,1,2,······都满足消光条件，幕上都呈黑 线。
确定条纹级数的关键——找出零级，即1＝ 2包括1＝2＝0 和1＝2≠0 ，由于应力分布的连续性，等差线不仅是连续的，条纹
级数的变化也是连续的，只要确定了零级，则依次一级，二级也就 能确定了。
2020/ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
偏振部分——圆偏振光场
实现：仅起偏镜P＋2个1/4波片 ＋检偏镜A
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
4.2 平面应力—光学定律
实验证明：当平面偏振光垂直射入受平面应力的模型时，由于模型具 有暂时双折射现象，平面偏振光即沿两个主应力1和2方向分解成两束 平面偏振光。这两束偏振光在模型内的传播速度（或折射率）是不同 的。因此，透过模型后产生光程差与主应力差的数值有关。
其中变量：
θ──模型上任一点σ1与检偏镜偏振轴夹角。
σ1-σ2 ——模型上任一点应力差。
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
光强I为零时有以下四种情况 ：
① K=0，这与实际情况不符，因为只有在无光源时K才会 是零。
②δ=0，由公式 C(d 12)可知σ1=σ2，符合这些
条件的点称为各向同性点。如果σ1=σ2=0则称为零应力 点，这种点在模型上皆为黑点（因为光强等于零）， 例如纯弯曲梁上中性轴上各点σ==0，故模型中性层处 为一条黑线。
C d(12)n即1： 2C n dn df
上式表明，当模型中某点的主应力差值为f/d的整数倍时， 则此点在模型上呈黑点，当主应力差为f/d的某同一整数 倍的各个暗点，构成连续的黑线称为等差线（在此线上 各点的主应力差均相等）
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
区分等倾线与等差线
a、反复加载，等倾线不变，等差线改变。 b、同步旋转起偏镜与检偏镜，等倾线改变，等差线不变。 c、等倾线较粗，等差线较细。
n1 n0 A1 B2 n2 n0 B1 A2
n0、n1和n2分别代表模型不受力时、1和2方向的折射率。
透过模型后的光程差： d A B 1 2 C 1 d 2
CAB称为模型的光学常数。
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
4.2 平面应力—光学定律
透过模型后的光程差： d A B 1 2 C 1 d 2
S A S 3co S s4s i na si2 n si 2 n c o t s 2
I Kasin2sin2
2
P
P
IK2asi2 n2si2 n2
Sp S2
1
S1
A
2
S4
1
S3
A
SA
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
光经起偏镜后的强度：
IKsi2n 2 si2n C( d1 2)
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
③sin(2)=0，得 =(n/2) (n=0,1,2,3……)这说明模型上某 点主应力方向与偏振镜光轴重合，模型上也呈黑点，这 类黑点构成的连续黑线称为等倾线，等倾线上各点的主 应力方向都相同，而且偏振镜光轴的方向也就是主应力 的方向。
④ 令f=/c为材料条纹值，该值可用实验方法测定。
平面光弹性应力—光学定律也可以表示为位相差：
2 2 Cd 12
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
4.3 平面应力模型在偏振光场中的光学效应
一、在正交平面偏振光场中的光学效应
Sp asint
S1 asinsint S3 asinsint
S2 acos sint S4 acossint
光参量
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
光测与电测
光弹性实验和电测实验相比 则具有全场分析和直观性的 特点。
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固体力学实验 第五章 光弹性基础
4.1 光弹性仪
• 光源部分 • 偏振部分 • 投影部分
2020/10/7
固体力学实验 第五章 光弹性基础
平圆
平 面偏