光测应变测量

应变测量是材料和结构力学性能试验中的一项基本任务，是了解材料在力学载荷等因素作用下的变形、损伤和失效行为的基础，对于确定结构设计许用值、结构寿命预测和评估等均有重要价值。

其中光测力学是由光学和力学的交叉、结合而形成的一门实验科学，它采用现代光学测量技术和数字图象处理技术对力学参数进行测量。其主要的方法有：

•云纹及云纹干涉法

•光弹性法

•散斑干涉及剪切散斑干涉法

•数字图象相关法

•全息/数字全息干涉法

•其它

而光测力学的主要特点有以下几点：

•全场性

•非接触性

•高精度、高分辨率

•以（数字）图像，特别是条纹图像为信息载体

•操作和信息的提取较为复杂

一、几何云纹法

基本原理

云纹源自法语，意思是从中国传入的丝绸的“耀眼的光泽”或“波形图案”。在实验力学中，它指的是两个空间频率相差不大的振幅型光栅叠加在一起时所产生的明暗交错的条纹图案。通过分析云纹图案和条纹间距，可以测量物体的面内变形和应变以及三维形貌，这种方法成为云纹法。

如图1.1所示，云纹实际上是两个光栅间的互相遮挡与透过现象。云纹中的亮条纹是由两个光栅的白线相交形成的（源于互不遮挡）。而暗条纹是由两个光栅的白线与黑线相交形成的（源于互相遮挡）。由于人眼的分辩率或低通滤波性，白条纹中的黑线干扰被忽略了。

图1.1 云纹示意图

适用范围

云纹法是可以测定位移场及应变场的实验应力分析方法。用它来测量构件的位移和应变

有很多优点。可用于各种材料，包括常用工程材料以及有特殊性能的材料，如低弹性模量的、各向异性的、复合或聚合材料等。可以应用于静荷与动荷，包括测定瞬时冲击或长期蠕变等，可以用于测定较大量程的变形——弹性、塑性直至破坏的大变形，还可以用于测定裂纹附近的弹塑性变形场，板、壳，以及二维和三维稳定等问题。

优缺点

用于测量构件的位移和应变有很多优点。它测量时所使用的设备简单，应用范围广。云纹法的不足之处是在测量弹性范围的微小应变时，还缺乏足够的灵敏度与准确度，但是近年来在这方面已有不少进展。

分辨率

云纹法测平面位移的分辨率为（参考栅的）一个栅距。一般为10-1000 微米

二、云纹干涉法

基本原理

云纹干涉是近20年来产生的现代光测力学中的一部分。由D. Post将高密度衍射光栅技术引入光测力学中，戴福隆利用波前理论科学解释了云纹干涉法原理，进一步完善了云纹干涉理论。云纹干涉具有高灵敏度、大量程、极好的条纹质量、非接触、实时全场观测等优点，从其诞生之日起就受到高度重视。目前云纹干涉的理论与方法研究已经基本完善，并在材料科学、无损检测、断裂力学、细观力学、微电子封装等许多领域应用广泛。

D. Post最早提出云纹干涉的解释，并概括为：云纹干涉发的本质在于从试件栅衍射出的翘曲波前相互干涉，产生代表位移等值线的干涉条纹。当试件受载变形时刻制在试件表面的试件栅也随之变形，变形后的试件栅与作为基准的空间虚栅相互作用形成云纹图。

适用范围

云纹干涉法可以测定全场面内位移。

在断裂力学中的应用为裂尖位移场/应变场的测量，塑性区的确定，断裂力学理论的验证等方面。在电子器件热，机械可靠性评价方面的应用包括：焊球热变形及疲劳寿命的确定，塑料封装材料吸湿膨胀系数的测量等。

优缺点

不仅克服了通常的全息干涉法不能直接获取面内位移场的困难，比较云纹法、散斑照相法更具有灵敏度，而且其量程也不像散斑干涉那样受到极严格的限制。此外，这一方法还可以对面内位移进行全场实时观测，这也是其他光学干涉方法是难以实现的。但是需要贴光栅，并且进行条纹处理，过程较为繁琐。

分辨率

测试分辨率都决定于光栅的空间频率（两入射光干涉形成的干涉条纹的空间频率是物理光栅空间频率的2 倍！），可以达到波长量级

几何云纹法与云纹干涉法的异同

•条纹形成机制不同，几何光学干涉与物理光学干涉；

•测试分辨率相差很大；

•测试分辨率都决定于光栅的空间频率；

•云纹干涉法的条纹成因可借助云纹法的条纹成因理解（交叉入射光的干涉条纹可视为参考栅，但注意其频率问题）；

•变形的正负都可用相同方法判断（转动参考栅）；

•条纹处理方法相同；

•实现相移方法相同（试件栅与参考栅之间的相对移动）。

三、光测弹性法

基本原理

应用偏振光干涉原理对应力作用下能产生人工双折射材料做成的力学构件模型进行实验应力测试的仪器，简称光弹仪。应用它可以通过模型在实验室内进行大型建筑构件、水坝坝体、重型机械部件的应力和应力分布的测试，并可以在模型上直接看到被测件的全部应力分布和应力集中情况。

分类

光测弹性力学方法的发展，使该类仪器已有十余个品种，它们用于不同的范畴，可分静态应力分析仪及动态应力分析仪两大类。

静态应力分析仪中包括上述经典光弹性仪及其变形产品；如用于一般试验的简单型漫射式光弹性仪；用于现场的反射式光弹性仪及多种光弹性仪附件，如石英补偿器、条纹倍增器、斜射器等。在经典方法之外，还发展了全息光弹性仪、云纹仪、激光散斑仪等。这一类仪器都可用于测量模型或物体的表面形变。

在动态应力分析仪器中，发展了如多火花动态光弹性仪、多脉冲激光全息照相机等，它们可用于拍摄高速动载荷作用下的模型光弹性条纹分布的变化过程。以上已形成仪器系列。正在发展中的尚有自动光弹性仪、光弹性实验数据自动采集及处理系统，它们进一步简化实验操作，缩短了实验周期和提高了实验精度，是今后发展的方向。

适用范围

1、弹性力学实验，单向受力试件中园孔的应力集中系数测定

2、断裂力学实验，裂纹在两种材料界面附近的扩展行为

3、细观力学实验，位错在晶界运动、塞积造成的局部应力场

优缺点

光测弹性法的缺点是只能在模型材料上进行试验，优点可以测定主应力方向，应力场。

四、散斑干涉法