工程实验力学第10章-全息干涉法课件

工程实验力学工程实验力学1第10章全息干涉法10.1激光全息照相10.2全息干涉位移测量10.3测量振动的全息干涉术10.4全息光弹的两次曝光法10.5实验设备和实验技术第10章全息干涉法10.1激光全息照相10.2全息干210.1激光全息照相10.1.1激光全息照相原理10.1.2全息图的类型10.1激光全息照相10.1.1激光全息照相原理10.310.1.1激光全息照相原理图10-1全息图的形成及其衍射光波10.1.1激光全息照相原理图10-1全息图的形成及其衍410.1.1激光全息照相原理图10-2小狗模型全息照片再现后用不同角度拍摄(观测)的像10.1.1激光全息照相原理图10-2小狗模型全息照片再510.1.2全息图的类型1)按记录时参考光与物光所成的角度分类，有同轴全息图和离轴全息图。2)按所记录物光的特点分类，可分为菲涅耳全息图、夫琅和费全息图(傅里叶变换全息图)。3)按记录介质的厚度分类，有平面全息图和体积全息图。4)按透过率函数的特点分类，有振幅型和相位型两类，而相位型又可以分为表面浮雕型和折射率型两种。5)按记录时物和照明的特点，可分为透射型和反射型。6)按所显示的再现像的特征，有像面全息、彩虹全息、360合成全息和真彩色全息等。10.1.2全息图的类型1)按记录时参考光与物光所成的角度610.1.2全息图的类型图10-3菲涅耳全息图的记录与再现过程a)记录b)再现10.1.2全息图的类型图10-3菲涅耳全息图的记录与再710.2全息干涉位移测量1)对被测物体表面不需要做光学处理，可以获得任何材料、任何形状、任何表面的位移状况。2)同时得出任意方向的位移矢量的三个分量，是一个三维的方法，而迈克尔逊干涉法得到的是法向位移。3)对于光学元件的质量和调试方面也没有经典干涉仪那样严格。4)精度高。5)可得到在静载、振动、动载、冲击和受热等工作条件下表面各点的位移场或应变场。6)多重干涉，一张全息图上可以重叠记录很多图像，并能同时再现。10.2全息干涉位移测量1)对被测物体表面不需要做光学处理810.2全息干涉位移测量10.2.1两次曝光法10.2.2实时法10.2.3三维位移场的分析10.2.4条纹定域问题10.2.5位移测量中的几个问题10.2全息干涉位移测量10.2.1两次曝光法10.2910.2.1两次曝光法1.位移信息的记录2.再现像的波前分析3.相位差与位移量的关系分析10.2.1两次曝光法1.位移信息的记录2.再现像的波前101.位移信息的记录图10-4记录位移信息的光路图1.位移信息的记录图10-4记录位移信息的光路图112.再现像的波前分析1)当-0=2n时，n=0,1,2,为亮条纹，n为亮条纹级次，位移为零点处在0级条纹上。2)当-/2=时，n=0,1,2,，为暗条纹，n称为暗条纹级次。2.再现像的波前分析1)当-0=2n时，n=0,1,122.再现像的波前分析图10-5全息干涉法再现时的光路2.再现像的波前分析图10-5全息干涉法再现时的光路133.相位差与位移量的关系分析图10-6物体变形前后的位移与相位差的关系3.相位差与位移量的关系分析图10-6物体变形前后的位移143.相位差与位移量的关系分析图10-7四边固支方板受中心集中载荷时两次曝光后再现的全息图3.相位差与位移量的关系分析图10-7四边固支方板受中心集1510.2.2实时法1.光路布置2.再现波前分析3.条纹的解释10.2.2实时法1.光路布置2.再现波前分析3.条纹163.条纹的解释1)不易使感光处理后的全息底版精确复位。2)条纹的对比度差，不及两次曝光法的条纹清晰。3.条纹的解释1)不易使感光处理后的全息底版精确复位。2)1710.2.3三维位移场的分析1)条纹定位法(FL法)1966年由K.A.Haines和B.P.Hildebrand提出。2)条纹计数法(FC法)1967年由E.B.Aleksandrov及A.M.Bonch-Bruevich提出。3)零级条纹法(ZF法)1968年由A.E.Ennos提出。4)等倾干涉法1968年由J.W.C.Gates和迂内顺平(J.Tsujiuchi)提出。1.零级条纹法(ZF)的计算方法2.条纹计数法(FC法)的计算方法10.2.3三维位移场的分析1)条纹定位法(FL法)19181.零级条纹法(ZF)的计算方法图10-8用三张全息图分析位移矢量1.零级条纹法(ZF)的计算方法图10-8用三张全息图分析192.条纹计数法(FC法)的计算方法解此线性代数方程组即可求得dx，dy，dz和d。2.条纹计数法(FC法)的计算方法解此线性代数方程组即可求得2010.2.4条纹定域问题1)刚体面内平移，条纹在无限远处。2)垂直表面移动，条纹在无限远处。3)当物体旋转或变形的一般情况时，条纹定域在物表面前或后。4)当物体绕在其本身平面内的轴旋转时，条纹是与旋转轴平行的平行线，且定域在物体表面。10.2.4条纹定域问题1)刚体面内平移，条纹在无限远处。2110.2.4条纹定域问题图10-9成像系统的光路图10.2.4条纹定域问题图10-9成像系统的光路图2210.2.4条纹定域问题10.2.4条纹定域问题2310.2.4条纹定域问题10.2.4条纹定域问题2410.2.4条纹定域问题图10-10再现像的几何分析10.2.4条纹定域问题图10-10再现像的几何分析2510.2.4条纹定域问题图10-11刚体位移的条纹照片a)作平面内移动的刚体的两次曝光全息图，在物体表面看不到条纹b)在透镜焦平面上看到的由刚体平移产生的条纹c)在透镜焦平面上看到的由刚体垂直移动产生的条纹10.2.4条纹定域问题图10-11刚体位移的条纹照片2610.2.5位移测量中的几个问题1.刚体位移2.大变形和高变形梯度3.测量精度问题10.2.5位移测量中的几个问题1.刚体位移2.大变形和272.大变形和高变形梯度1)条纹补偿，给一个相反方向的已知刚体位移。2)像平面全息图法，小区域放大。3)差分干涉法，瞬时、两次记录。2.大变形和高变形梯度1)条纹补偿，给一个相反方向的已知刚体283.测量精度问题1)部分误差是由测量本身带来的，如对方向、小级次条纹的测量、条纹读数误差等技术而引入的问题。2)因测量系统的布置所带来的误差。单张全息图中，由于全息图的尺寸有限，因此观察方向的改变是不大的，几乎是平行的。很小的读数误差也会引起很大的位移误差。多张全息图法应使k1、k2、k3的夹角较大且不共面。已有人用线性代数的方法做了估计，为了减少误差，可以采用多张全息图多方向观察，再用最小二乘法处理。一般称入射角与反射角的夹角平分线方向的向量为灵敏度向量，当安排光路系统时，若事先做好分析，尽可能使位移向量与灵敏向量一致，则可以大大提高位移测量的精度。3.测量精度问题1)部分误差是由测量本身带来的，如对方向、小293.测量精度问题 由于条纹定域问题而不清晰的条纹，应采用小孔径透镜成像。物与全息图的距离应合适，否则对每一点，照明激光的入射角和全息干板的接收角不同。3.测量精度问题 由于条纹定域问题而不清晰的条纹，应采用小3010.3测量振动的全息干涉术10.3.1概述10.3.2时间平均法10.3.3频闪法10.3测量振动的全息干涉术10.3.1概述10.3.3110.3.1概述用全息干涉法测量物体的振动，最早是Powell和Stetron在1965年提出的。经过几十年的努力，研究者们提出了适用于各种不同情况和各具特点的方法，已达十几种之多，可以说，在全息振动分析方面，一套比较完整的方法已经基本形成。全息测振和全息照相、全息干涉测位移法一样，对物体表面无特殊要求，测量是非接触式的。10.3.1概述用全息干涉法测量物体的振动，最早是Powe3210.3.2时间平均法1.一次曝光时间平均法2.二次曝光时间平均法3.实时时间平均法10.3.2时间平均法1.一次曝光时间平均法2.二次曝光331.一次曝光时间平均法(1)振动信息的记录对做稳态周期振动的物体，用比物体振动周期大得多的曝光时间进行记录，这样获得的全息图，在参考光束的照射下，可以给出附有干涉条纹的原物体像，这些干涉条纹带有物体振幅的信息，这种振动的记录方法就叫做时间平均法。(2)干涉条纹的分析为了便于说明问题，我们通过对一受横向正弦振动的板的振动的记录，来分析一次曝光时间平均法中条纹与物体振幅的关系。1.一次曝光时间平均法(1)振动信息的记录对做稳态周期振动34(1)振动信息的记录图10-12周边固支板受横向正弦振动(1)振动信息的记录图10-12周边固支板受横向正弦振动35(2)干涉条纹的分析(2)干涉条纹的分析36(2)干涉条纹的分析图10-13一次曝光法光强的贝塞尔函数分布图(2)干涉条纹的分析图10-13一次曝光法光强的贝塞尔函372.二次曝光时间平均法图10-14二次曝光法光强的分布图2.二次曝光时间平均法图10-14二次曝光法光强的分布图3810.3.3频闪法1.共振状态的正确判断2.三维振动状态振幅的计算3.振动时相位的测定10.3.3频闪法1.共振状态的正确判断2.三维振动状态391.共振状态的正确判断图10-15测振动模态时激振和监测系统1.共振状态的正确判断图10-15测振动模态时激振和监测系403.振动时相位的测定图10-16汽车轮辐不同振动模态的全息条纹图3.振动时相位的测定图10-16汽车轮辐不同振动模态的全息4110.4全息光弹的两次曝光法10.4.1简介10.4.2光路安排和纪录过程10.4.3波前分析10.4全息光弹的两次曝光法10.4.1简介10.4.4210.4.1简介全息光弹性是全息干涉法在光弹性中的应用。受力物体由透明双折射材料制成,运用全息干涉法,可以获得主应力和的信息。在光弹性中采用的全息干涉法,最常用的是两次曝光法。10.4.1简介全息光弹性是全息干涉法在光弹性中的应用。受4310.4.2光路安排和纪录过程图10-17全息光弹性的光路图a)记录光路b)再现光路10.4.2光路安排和纪录过程图10-17全息光弹性的光4410.4.3波前分析1.两次曝光2.再现像的光强分析3.等和线条纹的分离10.4.3波前分析1.两次曝光2.再现像的光强分析3453.等和线条纹的分离(1)用两种模型材料法分离条纹比较方便易行的方法是使用光学不灵敏材料用两次曝光法单独获得等和线，而等差线用光学灵敏材料一次曝光获得。(2)用旋光法分离条纹在定量计算中，用两种材料制作模型是不方便的，采用旋光法，可以将在两次曝光法得到的同时呈现的等和线条纹与等差线条纹进行分离，因此是更理想的方法，不过缺点是要求更多的设备和更复杂的光路调试。3.等和线条纹的分离(1)用两种模型材料法分离条纹比较方便463.等和线条纹的分离图10-18圆环对径受压等和线与等差线混合条纹图3.等和线条纹的分离图10-18圆环对径受压等和线与等差47(2)用旋光法分离条纹图10-19旋光法分离条纹的光路图1外腔激光器2快门3分光镜41/4波片5扩束镜6准直径7受力模型8旋光元件9全反镜10全息底片11输出透镜12屏幕(2)用旋光法分离条纹图10-19旋光法分离条纹的光路图48(2)用旋光法分离条纹图10-20对径受压全息光弹条纹图a)等和线b)等差线(2)用旋光法分离条纹图10-20对径受压全息光弹条纹图4910.5实验设备和实验技术10.5.1实验设备10.5.2实验技术10.5实验设备和实验技术10.5.1实验设备10.55010.5.1实验设备1.防震台2.激光器3.主要光学元件4.记录材料10.5.1实验设备1.防震台2.激光器3.主要光学元511.防震台图10-21迈克尔逊干涉仪测试的光路1.防震台图10-21迈克尔逊干涉仪测试的光路522.激光器(1)He-Ne激光器是全息技术中最常用的激光器。2.激光器(1)He-Ne激光器是全息技术中最常用的激光器532.激光器图10-22激光器振荡及输出2.激光器图10-22激光器振荡及输出542.激光器图10-23激光输出横模类型2.激光器图10-23激光输出横模类型552.激光器图10-24调整激光器出光示意图2.激光器图10-24调整激光器出光示意图56表10-1常用气体激光器的一般性能表10-1常用气体激光器的一般性能表10-1常用气体激光器的一般性能表10-1常用气体激光57表10-2气体激光的主要波长表10-2气体激光的主要波长表10-2气体激光的主要波长表10-2气体激光的主要波长583.主要光学元件(1)准直镜与扩束镜要采用通光直径大的透镜作为准直镜，焦距要尽量地短。(2)分光镜由于全息照相中物光与参考光的光强要求一定的比例，而在拍摄不同物体时往往由于物体透明度或反光率不同，光场大小也不一样，因此需要很方便地调节分光镜，以达到合适的光强比。(3)快门激光器的功率愈大，全息片的感光速度愈快，照相曝光时间就愈短。(4)曝光表为了测取参考光与物光的光强比，并决定照相曝光时间，可以用一只硅光电池作为光接收器，将光能转换为电能。3.主要光学元件(1)准直镜与扩束镜要采用通光直径大的透镜593.主要光学元件(5)加载装置全息实验需要在加载前、后进行两次曝光以获得信息。(6)针孔滤波器在用显微物镜扩束时，由于尘埃等原因，扩束后的光带有斑点、圆环等噪声会影响照片质量。3.主要光学元件(5)加载装置全息实验需要在加载前、后进行60(1)准直镜与扩束镜图10-25扩束镜与准直镜的匹配(1)准直镜与扩束镜图10-25扩束镜与准直镜的匹配61表10-3常用全息干板性能一览表表10-3常用全息干板性能一览表表10-3常用全息干板性能一览表表10-3常用全息干板性6210.5.2实验技术1.光强比的选择2.底片冲洗3.反拍及复制10.5.2实验技术1.光强比的选择2.底片冲洗3.反63