《云纹干涉测试技术》PPT课件

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1、云纹干涉测试技术一、云纹干涉法的定义及发展：－八十年代初（自1979PostD最早提出）兴起的一种具有非接触测量、可进行全场、实时进行位移分析的高灵敏度大量程的光学测量方法。－创始人PostD开始以传统的几何云纹为基础去解释云纹法，并没能真正揭示其物理本质，并阻碍了其进一步发展；－由于该方法是以被测试件表面高灵敏度云纹光栅作为变形传感器，因此，高质量的云纹光栅的制作和复制成为影响该技术应用的关键；－近年来，严格的理论基础的建立、制作已日益成熟，使得该技术已成功被应用于材料、力学等研究领域，特别是应用于近代力学实验的精确测量中。目前，通常使用频率为600－2400线/mm的高密度光栅

2、，其测量位移灵敏度比传统的测量方法提高至几十、甚至上百倍。云纹干涉法在实验技术和应用方面迅速发展使得：-由对面内位移的测量推广到测量离面位移,进而实现三维位移场同时测量;－已实现直接测量三维位移场的导数场和变形板的曲率场;－通过汞灯加滤波等方法可使白光云纹干涉法得以实现,放松了云纹干涉法对光源的苛刻要求。－其关键技术制栅水平的不断提高,如高温和零厚度高频光栅相继出现,使云纹干涉法的应用范围日益扩大；－云纹干涉法对应的测量灵敏度的理论上限为λ/2的条纹位移,可见云纹干涉法是一种高精度测量方法；－－－最近已被应用研究微电机机械系统（MEMS）内表面位移的测量中；In－planedisp

3、lacement:面内位移Out－planedisplacement:离面位移Moireinterferometry:云纹干涉测量法MEMS－microelectromechanicalsystem:微电机系统云纹干涉法的定义及发展当一束单色准直光入射试件栅表面时,光线将从不同角度以集中能量的形式产生多级衍射波。由D.Post首先提出的双光束对称云纹干涉法光路的概念：当两束相干准直光A、B以入射角：对称入射试件栅时，则将获得沿试件表面法线方向传播光波A的正一级衍射光波A’和B的负一级衍射光波B’，且试件未受力时，A’和B’均为平面光波。二、基本原理Diffraction:衍射如果试

4、件受载产生变形,其变形信息就会载入各级衍射波中,试件表面位移的变化一一对应着衍射波的位相变化，则可根据衍射波干涉条纹形状及变化测量出试件表面的变形分布及其变化。当对称入射的两准直相干光A和B的入射角α为:θ=arcsin(λf)f：试件栅的频率λ：波长由光栅的衍射方程:sinφ=mλf–sinθm:衍射波级次（m=1,2,..n）可知,它们一级衍射光的衍射角为:φ1=0,即其±1级衍射光波A′、B′均沿试件栅法线方向行进。如果试件栅非常平整,试件亦未受力,则两个正、负一级衍射波A′、B′可视为平面波,并分别表示为：A′=AeiφaB′=Aeiφb式中:A－振幅,对于平面波位相φa和

5、φb皆为常数当试件受载发生变形时,平面波变为和表面变形相关的翘曲波前A″和B″,可分别表示为:A″=Aei[φa+φa(x,y)]B″=Aei[φb+φb(x,y)]式中φa(x,y)和φb(x,y)是由于试件表面位移变化而引起的位相变化。当试件表面具有三维位移时,位相变化φa(x,y)和φb(x,y)与x、z方向位移u和w有关,且由变形几何分析可知:φa(x,y)=2π/λ[w(x,y)(1+cosθ)+u(x,y)sinθ]φb(x,y)=2π/λ[w(x,y)(1+cosθ)-u(x,y)sinθ]两束衍射波前经过成像系统后在像平面上形成干涉条纹的光强分布可表示为:I=(A″

6、+B″)(A″+B″)*=2[(φa-φb)+φa(x,y)-φb(x,y)]=4A2cos21/2[m+δ(x,y)]m=φa–φbδ(x,y)=φa(x,y)-φb(x,y)m-两束平面波A′和B′的初始位相差,为一常数,并可等效于试件平移产生的均匀位相;δ(x,y)－试件变形后两束翘曲衍射波前的相对位相变化。最后求出：δ=4π/λu(x,y)sinθ当δ(x,y)=2Nxπ-m时,干涉光强最大即是亮条纹,代入上式中得u(x,y)sinθ=λ/4π(2Nxπ-m)若入射光满足sinθ=λf,则:u(x,y)=1/4πf(2Nxπ-m)式中f—试件栅频率;因m可等效于刚体平移所产

7、生的均匀位相,或理想地设m=0,则:u(x,y)=Nx/2fu(x,y)－任意点x方向位移;Nx－该点条纹级数,即干涉条纹是位移沿x方向分量u(x,y)的等值线。为了Y和Z方向的等值线（位移场）可用四光束云纹干涉法制栅技术－云纹光栅的制作是云纹干涉法的重要内容，它是影响和制约云纹干涉法的推广应用的关键技术。制备方法：机刻－昂贵、成本高，且光栅频率受限，已基本不用。光刻－采用激光全息干涉系统和光致抗蚀剂（光刻胶）。旋转电光源全息光栅制作系统：－根据全息干涉原理，全息光栅