云纹干涉法 摘要：本文介绍了云纹干涉法的实验原理和发展现状，并介绍了与可分离贴片技术结合的贴片云纹法，然后介绍了云纹干涉法的应用，并对关于云纹干涉法的展望，提出了一点个人意见。 关键词：云纹干涉法；贴片云纹干涉法；干涉云纹法的应用
1.云纹干涉法的原理和发展现状
最常见的云纹干涉法光路是由Post 等人倡导的双光束对称入射试件栅光路, 如图1所示.Post 最早对云纹干涉法进行了解释【1】 ：对称于试件栅法向入射的两束相干准直光在试件表面的交汇区域内形成频率为试件栅两倍的空间虚栅, 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, 该云纹图即为沿虚栅主方向的面内位移等值线, 并提出了类似于几何云纹的面内位移计算公式 图1：最基本的云纹干涉法光路
2x N U f = , 2y N V f
= Post 的这种最初解释借助了几何云纹的基本思想, 给云纹干涉法以简单描述, 这对建立概
念是有用的. 正像Post 所指出的一样, 云纹干涉法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【2】. 此后, 戴和Post 等人又从光的波前干涉理论出发对云纹干涉法进行了严格的理论推导和解释【3】
当两束相干准直光A,B 以入射角θ= arcsin (λ f ) 对称入射试件栅时, 则将获得沿试件表面法向传播光波A 的正一级衍射光波A ’和B 的负一级衍射光波B ’. 当试件未受力时, A ’和B ’均为平面光波
'exp[]'exp[]a b A a i B a i φφ=⎫⎬=⎭
式中φ a ，φb 为常数。
当试件受力变形后, 平面光波A ’和B ’变为和试件表面位移有关的翘曲波前，其位相也将发生相应的变化，翘曲波前可表示为 11'exp[((,))]'exp[((,))]a a b b A a i x y B a i x y φϕφϕ=+⎫⎬=+⎭
式中(,),(,)a b x y x y ϕϕ分别为变形引起的正负一级衍射光波的位相变化, 它们与试件表面x 方向的位移U 和z 方向的位移W 有如下关系
[][]2(,)(1cos )sin 2(,)(1cos )sin a b x y W U x y W U π
ϕθθλπϕθθλ⎫=+-⎪⎪
⎬⎪=++⎪⎭
正负一级衍射光波在象平面上发生干涉, 其光强分布为 }{21111('')('')21cos[(,)]I A B A B a x y αδ=++=++
式中a b a φφ=-为常数，
4(,)(,)(,)sin a b x y x y x y U π
δϕϕθλ=-=。
a 可等价于刚体位移产生的位相差，由此得到位移表达式
2x N U f
=
式中x N 为条纹级数。 此外，Shield 等人还提出了干涉云纹的衍射理论【4】
光测力学测定的力学量信息，包含在光学条纹中。传统的人工从光学条纹中提取力学量信息是一项十分复杂、费时、费力的工作，而且获得的数据不够准确。随着计算机的高速发展和广泛应用，人们开始把计算机引入光测力学领域。
云纹干涉法作为一种高灵敏度、高分辨率的全场位移测试方法【5】，近三十年来得到迅速发展。光电子和计算机技术的迅速发展推动了云纹干涉法的发展。 云纹干涉法是在经典云纹法基础上发展起来的一种光测力学新方法，它继承了经典云
纹法的简易性、全场性、实时性、条纹定域在表面及不受试件材料限制等的优点, 加之灵敏度高（可达0.25m μ）条纹反差好，而越来越受到实验力学工作者的重视。同时, 云纹干涉法综合了经典云纹法和全息干涉的概念和技术，尽管它的条纹形成机理和经典云纹的形成机理不同, 但它们在一定的数学公式解释下可以统一起来。所以说云纹干涉法和经典云纹法均是一个家族中的成员。云纹干涉法主要用于面内位移的测量。它可以给出透明及不透明物体的全场的位移信息，也可以用于应变场的测量。【6】
2.贴片云纹干涉法
用全息胶片直接粘贴到测试对象的测试表面（图2），由于粘结剂薄层能起到自动补偿作用，对测试表面的平面度和光洁度可以降低要求，一般机加工或压铸表面即可，不要求精磨和抛光。说采用的粘结剂是在常温下完成粘结和固化过程，不需要加热和保温，在18-25度室温下经过1-2小时即可进行试验。粘贴了全息胶片的试件，置于(图3)光路中6位置，激发器1发出的光束经过分束镜2分为两束，分别经空间滤波器4滤波和扩束，再经准直镜5成为准直光束；两相干准直光束汇交时，形成一空间虚光栅系；与试件测试平而相交时，在该平面形成明暗相间的虚光栅，使全息胶片感光药膜爆光；此光栅频率可用下式计算 2sin /f αλ=
图2：粘贴胶片 图3：光路图
式中λ为所用光波波长,α为入射角，f 为该虚光栅或实光栅（感光膜上形成的光栅)的频率，调整α角即可改变光栅频率。
在测试对象不受载情况下曝光，感光层记录的光姗，其频率、节距与虚光栅完全相同，相当于普通云纹法的基准栅；侧试对象加载变形时，胶片再一次曝光，所记录的光栅在加载后将发生改变，此光栅的改变量反映了侧试对象的变形，因此加载时记录的光栅相当于普通云纹法中的试件栅。
可分离贴片云纹干涉法的特点是经过两次曝光的全息胶片，采用作者研制的工艺，可以完好无损地与测试对象分离，然后将分离后的胶片进行显影、定形和再现等处理；加载和无载情况下两次曝光所记录下来的试件栅和基准栅，在胶片上叠置而形成的云纹条纹，就是测试对象的等位移线。垂直栅方向的位移u np =式中n 为条纹的级别，p 为基准栅的节距，它等于光栅频率f 的倒数，即1/p f =
两次曝光的胶片与测试对象分离后才进行各种后处理，使处理工作不受测试对象的尺寸和工作条件的限制；非透明测试对象也可以采用透视再现，不必真空蒸镀金属反射膜。 由于采用全息光栅原理直接在测试对象上制栅，而不依赖于价格昂贵的标准光栅，既免除
了在试件上复制光栅的复杂而又要求苛刻的操作，又不要求虚光栅频率严格调到某一预定标准光栅频
率值，而且制栅和加载试验使用的是同一光路，在一个很短的试验过程内完成；因此大大降低了试验的难度，人幅度缩短了试验周期并降低了成本。
这种直接将全息胶片粘贴到测试对象上测取云纹条纹的方法，由于是可分离处理的，而且其虚光栅和实光栅是由两束相干准直光的相长干涉和相消干涉形成的，故我们称之为可分离处理的贴片云纹干涉法，简称为贴片云纹干涉法，但正如后而所表明的，贴片云纹干涉法这一名称将包括更广的含义，它在进行透射式实时法试验时，胶片可以不分离处理；在进行反射式实时条纹观测时，还可以在粘贴的胶片上蒸渡金属膜。【7】
3．云纹干涉法的应用
我国对云纹干涉法基础技术的研究进展迅速，推广应用的条件已趋于成熟。但应用的开发，仅仅才开始。即使在国外，与应用的前景相比，也只能认为刚起步不久。以下举出部分应用实例。
3.1 断裂力学研究
由于云纹十涉法的高灵敏度和实时、全场的特点，适合于研究断裂问题。Post用以测定裂纹尖端的位移场和应变场，得到清晰的云纹条纹图【8】；文献【9】用于测定COD；文献【10】用以研究疲劳裂纹扩展速率；文献【11】通过三个方向的位移场计算J积分的方法。我国在这方面也已取得进展，云纹
干涉法还可以用以测定应力强度因子及裂纹尖端处位移场和应变场.用以测定裂纹张开位移的工作也已取得进展。
3.2 测定材料的某些力学性能
云纹干涉法可用以测定材料的弹性模量、横向变形系数、热膨胀系数等。由于它能给出位移全场，灵敏度较机械式引伸仪高，可有更高的精度，特别是对脆性材料、各向异性材料，有更明显的优点。用云纹干涉法测定单晶硅在不同晶体排列下某一方向变形性质也取得了成果。
3.3 研究某些结构和构件的弹塑性应力应变场
文献【12】研究了接头处的位移场；文献【13，14】研究了带孔板孔边弹塑性应变场及其在循环载荷下的变化；文献【11，15】研究了残余应力问题。
4．云纹干涉法的展望
云纹干涉法在其基础技术问题获得解决之后，正进一步向简化方法、相互渗透、扩大应用的方向发展。
4.1 将调制试件栅的光刻技术，几何法测定栅频，光路及其调节技术的简化以及全息胶片的粘贴和分
离工艺，在胶片上蒸镀金属薄膜技术等结合起来，使高灵敏度的云纹干涉法的技术、工艺变得简易，大大缩短了试验周期，测试费用也大幅度降低，还可直接用于测试不可拆卸的构件。当然，对细微变形和各种条件下的应用方面，还有不少需要探索的问题.目前应用开发研究的范围逐步扩大，实验技术的研究正在深入。
4.2 采用尽可能简单的光路和设备，获得二维以至三维位移及应变场的研究，正在取得进展。
4.3光弹法、全息干涉法、散斑干涉法和云纹法中某些方法和技术引入云纹干涉法后，已使后者得到推动和发展，今后仍将给它带来新的活力。但新方法的生命力还在于它的实用性，要经得起实践的筛选。
4.4把云纹干涉法与数值分析的边界元方法结合起来，会使某些复杂的应力分析问题以比较经济的费用和较短周期得到解决。
4.5由于云纹干涉法可直接应用于工程材料，包括各向异性和非线性弹性材料，因此对
复合材料和组合结构也是有效的。
4.6云纹干涉法可以测实时条纹，也可以两次曝光或者两个瞬态底板叠置办法，得到某一载荷间隔或某一时间间隔条纹；因此可望在动态测量，包括振动，应力波传播等领域的研究中取到应用。
4.7云纹实时条纹的自动采集和处理，将使云纹干涉法数据处理的精度和效率得以提高，便于新技术的应用，以及工程人员掌握。
5 参考文献
【1】Post D. Optical Inter ference for Deformation Measurement classical, Holographic and Moire Interferometry in Mechanics of Non Destructive T est, Ed, W. W. Stinchcomb, Plenum press, NY, 1980, 1~ 53
【2】Post D. 毛凯弘, 罗至善译. 云纹干涉测量法进展. 力学进展, 1983, 13 ( 3) 【3】戴福隆, 傅承颂, 吴岫原. 中国力学学会第四届实验力学学术会议文集, 武汉, 1984] [Dai F L, Mckelvie J, Post D. Op tics and Laser in Eng, 1990, 12: 101~ 118 【4】Shield T W, Kim K S. Exp , Mech, 1991, 31 ( 2) : 126~ 134
【5】Post．D，“Moire Interferometry”，<<Handbook of Experimental Mechanics>>chap 7，A．S．Kobayashl，Prenticd·Hall，Engle wood cliffs，NJ，l987，Post．D，“Moire interferometry：Advances and Applications”，<<Exp．Mech>>：V01．3l，No．3，276-280，199l
【6】云纹干涉法天津大学实验力学 , Journal of Experimental Mechanics, 1990年 01期
【7】贴片云纹干涉法及其应用罗至善袁福湘张桂琴肖为实聆力学 1986年九月第一卷第3期
【8】Post D Observation of elastic-plastic displacement fields around crack by moiré interferometry.Proc.V Exp.Mech.（1984）：224-229 【9】Smith C W, Post D,Hiant G, Nicoletto G. Exp. Mech 23，1 （1983）；15-20 【10】Otha A.Kosuge M.Sasakl E. J.Fracture,13.3(1997):289-300
【11】Medonach A，Mekelvie J，Maekenzie P，Walker C A.Exp，Teck ，(June 1983)：20一24
【12】Post D.Opt，Engin.，24，4(1985):663一667
【13】钟国成，周春田，勾秋静，用高灵敏度云纹干涉法测定弹塑性应变场.第4届全国实验应力分析学术会议论文汇编，武汉(1984):J73
【14】周春田，钟国成，勾秋静.高灵敏云纹干涉法测定循环载荷下有限宽度带孔板的弹塑性应变场.(1984):J65
【15】傅承诵.云纹干涉法用于盲孔释放法测定残余应力.（1984）:J70
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议