电子散斑-ESPI实验指导书-离面位移

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电子散斑干涉术（ESPI ）测量物体离面位移

(2学时，每次实验12人)

一． 实验目的

1． 了解和掌握ESPI 测量物体离面位移的方法和技术； 2．

学会用ESPI 测试周边固支圆板的离面位移。

二． 实验器材和装置

试件为铝箔中心固支圆板。试验器材有：激光器、反射镜、分光镜、扩束镜、透镜、CCD 、图象卡、计算机及软件。实验装置和光路如图1所示。

B1：分光镜 B2：半透半反镜 M ：反射镜 L1：扩束镜 L2：成像透镜

图1 电子散斑干涉术光路图

三． ESPI 的基本原理

电子散斑干涉术对物体离面位移测量比较敏感。由激光器发出的单束光经分光镜分成物光和参考光。这两束光相互干涉，形成合成光强。

物光的光强分布：

)(exp )()(r r u r U O O O φ=

其中)(r u O 是光波的振幅，)(r O φ是经物体漫射后的物体光波的相位。

参考光的光强分布：

)(exp )(r r u U R R R φ=

两束光的合成光强为：

2

)cos(2)(2

2R O R O R O u u u u r I φφ-++=。

当物体发生变形后，物体表面各点的散斑场振幅)(r u O 基本不变，而相位O φ改变为

)(r O φφ∆-，既)]()(exp[)()('r r r u r U O O O

φφ∆-=，变形前后的参考光波维持不变。这样，

产生位移后的合成光强为：

)](cos[2)(22'r u u u u r I R O R O R O φφφ∆--++=。

对变形前后的两个光强相减处理：

2)(sin 2)()(sin 4)()('r r u u r I r I I R O R O φφφφ∆⎥⎦⎤⎢⎣

⎡

∆+-=-= 可见，得到的光强包含有高频载波项和低频条纹。该低频条纹取决于物体变形引起的光波相位改变。当πφk 2=∆时，I =0，及出现暗条纹。

由光波相位改变与物体变形的关系：

[]θθλ

π

φsin )cos 1(221d d ++=

∆

其中λ是所用激光波长，θ是照明光与物体表面法线的夹角，d 1是物体变形的离面位移，d 2是物体变形的面内方向位移。在照明角度较小的情况下，既cos θ≈1，sin θ≈0，相位变化可简化为：

14d λ

π

φ=

∆

当φ∆=2k π（出现暗条纹）时，

2

1λ

k d =

即，黑条纹处的离面位移是半波长的整数倍。

四． 实验步骤

1．

按图1摆好光路。调整光路时要求物光光程和参考光光程近似相等；光强大致相等。并且要求挡住参考光时，物光的成像要清楚，得到的散斑场要均匀，不能有特别亮的地方。而且，所拍的图像要求包括一定的试件边缘。

2． 把万用表的正负极连在试件上的传感器上。

3． 打开采图软件（如图2所示），点击工具栏中Capture Image ，弹出一个实时监控的窗口。

4．

预实验。点击窗口中的Real Time 按钮，施加一定气压，软件开始连续采集散斑

图，并自动把每一幅散斑图都和第一幅进行相减处理，形成的条纹图显示在窗口

中。要求形成清晰的条纹图。

5．开始做实验。在初始状态时，点击Real Time按钮后，开始施加气压，当监测到一幅清晰的条纹图时，再按Real Time钮，使之弹起，固定条纹图。同时，读出

万用表的压差Δq值。然后把条纹图保存起来（*.bmp文件）。

图2 ESPI测量离面位移的软件操作窗口

五．实验结果分析处理

实验参数记录及数据处理

六．实验报告要求

1．求试件中心点的离面位移d1。

2．另外，利用测得的压差Δq，根据周边固支的圆板的挠度公式：

3

4

3

4

2max

16)1(3Et q r w ∆-=

μ

从理论上求出max w 值，与测试值d 1相比，求出两者的误差。