剪切电子散斑干涉仪的实验应用
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1剪切电子散斑干涉术(ESSPI )测量物体离面位移导数(2学时,每次实验12人)一. 实验目的● 了解和掌握ESSPI 测量物体离面位移导数的方法和技术; ● 学会用ESSPI 测试周边固支圆板的离面位移导数。
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。
图1 电子剪切散斑干涉术光路图三. ESSPI 的基本原理在剪切散斑照相机镜头前放置一个小角度的玻璃光楔,光线通过此玻璃光楔将产生偏折,在像平面上产生与光楔的楔角相同方向的两个剪切像,由激光形成的这两个像在像平面上相互干涉而形成散斑干涉条纹。
对于整个物体来说,在像平面上形成两个互相剪切的像,它们的波前分别为[]),(exp ),(y x a y x U Φ=(2) []),(exp ),(y x x a y x x U δδ+Φ=+(3)这里a 表示光的振幅分布,Ф(x ,y )和Ф(x +δx ,y )分别表示为两个剪切像的相位分布,这样在像平面上两个像叠加结果为),(),(y x x U y x U U T δ++=(4)则光强为[]x T T a U U I φcos 12*2+==,),(),(y x y x x x Φ-+Φ=δφ (5)当物体变形后,光波将产生一个相位的变化量Δφx ,则变形后的光强为()[]x x a I φφ∆++=cos 12'2(6)2在剪切电子散斑干涉方法中,采用CCD 摄像机进行记录并存入计算机中,采用电子散斑干涉相同的图像相减处理方法,即变形前后两幅散斑图相减,即等式(6)和等式(5)相减可得2sin 2sin 4'2x x x T a I I I φφφ∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆+=-=(7)这种相减方式排除了背景光强的影响,突出了由于变形引起的相位变化Δφx 的结果。
该低频条纹取决于物体变形引起的光波相位改变。
电子散斑干涉实验报告电子散斑干涉实验报告引言:电子散斑干涉实验是一种经典的物理实验,通过电子的干涉现象展示了波粒二象性的特性。
本实验旨在通过观察电子的干涉图案,深入了解电子的波动性质,并探讨干涉现象的原理。
实验器材与原理:本实验所需的器材包括电子枪、狭缝、屏幕和电子探测器。
电子枪通过电子的发射,产生电子束;狭缝用于调节电子束的宽度和方向;屏幕用于接收电子束,并观察干涉图案;电子探测器用于测量电子的强度。
实验过程:首先,将电子枪与电子探测器连接,将电子枪的电压调至适当的值,以确保电子能够发射。
然后,将狭缝放置在电子枪和屏幕之间的适当位置,并逐渐调节狭缝的宽度,观察屏幕上的干涉图案的变化。
最后,使用电子探测器测量不同位置的电子强度,并记录下来。
实验结果与讨论:在实验中,我们观察到了明暗相间的干涉条纹,这些条纹是由电子的波动性质引起的。
当电子通过狭缝时,它们会发生衍射,形成一系列的圆环状干涉条纹。
这是因为电子的波长与狭缝的大小相当,导致电子在经过狭缝后发生干涉。
通过调节狭缝的宽度,我们可以观察到干涉图案的变化。
当狭缝较宽时,干涉条纹较模糊,圆环状的条纹不太明显。
而当狭缝较窄时,干涉条纹变得更加清晰,圆环状的条纹更加明显。
这是因为狭缝的宽度决定了电子波束的展宽程度,狭缝越窄,电子波束的展宽越小,干涉条纹就越清晰。
此外,我们还测量了不同位置的电子强度。
我们发现,在干涉条纹的暗纹处,电子强度较低;而在干涉条纹的亮纹处,电子强度较高。
这进一步验证了干涉现象的存在。
结论:通过电子散斑干涉实验,我们深入了解了电子的波动性质和干涉现象的原理。
实验结果表明,电子具有波粒二象性,可以通过狭缝发生衍射和干涉。
干涉条纹的形成与狭缝的宽度有关,狭缝越窄,干涉条纹越清晰。
此外,干涉条纹的亮暗变化也与电子的强度分布有关。
通过本实验的探索,我们对电子的性质有了更深入的了解,并且对光学干涉现象也有了更深刻的认识。
这对于进一步研究电子的行为和开展相关应用具有重要意义。
一、实验目的1. 了解剪切干涉的基本原理和实验方法。
2. 掌握使用剪切干涉仪进行测量和数据处理的方法。
3. 熟悉剪切干涉在材料力学、光学等领域中的应用。
二、实验原理剪切干涉实验是利用剪切干涉仪测量材料剪切变形的一种方法。
当材料受到剪切力作用时,材料内部产生剪切应变,从而引起光程差的变化,产生干涉现象。
通过观察干涉条纹的变化,可以计算出材料的剪切模量。
实验原理如下:1. 剪切干涉仪由光源、分光器、反射镜、剪切装置、光束合并器、探测器等组成。
2. 光源发出的光经过分光器分成两束光,一束光直接照射到反射镜上,另一束光通过剪切装置照射到反射镜上。
3. 两束光在反射镜上发生干涉,产生干涉条纹。
4. 通过调整剪切装置,改变光程差,观察干涉条纹的变化,从而计算出材料的剪切模量。
三、实验仪器与设备1. 光源:He-Ne激光器2. 分光器:半透半反镜3. 反射镜:平面镜4. 剪切装置:剪切干涉仪5. 光束合并器:分束器6. 探测器:光电探测器7. 计算机及数据采集系统四、实验步骤1. 将光源、分光器、反射镜、剪切装置、光束合并器、探测器等仪器连接好。
2. 打开光源,调整光路,使激光束垂直照射到分光器上。
3. 将反射镜放置在剪切装置的入射光路上,调整反射镜角度,使反射光束与入射光束垂直。
4. 将剪切装置固定在实验台上,调整剪切装置的初始位置。
5. 打开探测器,调整光束合并器,使两束光在探测器上合并。
6. 观察干涉条纹,记录干涉条纹的形状和间距。
7. 调整剪切装置,改变光程差,观察干涉条纹的变化,记录新的干涉条纹形状和间距。
8. 重复步骤7,至少测量5组数据。
五、实验数据及处理1. 记录每组数据中干涉条纹的形状和间距。
2. 根据干涉条纹的形状和间距,计算出光程差的变化量ΔL。
3. 根据光程差的变化量ΔL和剪切装置的剪切变形量Δx,计算出剪切模量G。
六、实验结果与分析1. 根据实验数据,绘制剪切模量G与剪切变形量Δx的关系曲线。
电子散斑干涉的最新发展和应用摘要电子散斑干涉是测量位移的全域非接触光学测量技术,基于表面生成激光散斑的光学物理。
自七十年代成立以来,电子散散干涉已经逐渐演变成不同的光学设计,并且已经被应用到一系列工程和非工程应用中。
电子散斑干涉的发展随着九十年代新的激光和光学技术引进到干涉仪中,继续进行,从而进一步优化和扩展该技术的开发潜力。
这次审查认为干涉仪的设计和应用是最值得注意的发展,它在九十年代已经出现并被广泛出版,还检查到科技研究的现在和近未来的发展方向。
关键词:散斑,干涉,电子散斑干涉,静态,动态,瞬态,全域1背景电子散斑干涉(又称全息电视,电子全息和电光全息)是一种非接触的全域雷达基础测量表面位移的光学计量技术,它采用了粗糙光学表面上激光散斑的形成。
几个不同的光学配置用于在条纹或干涉方面获取离散正常到表面(外平面)和平行于平面(内部平面)的位移分量。
作为一项实验技术电子散斑干涉的发展在全息干涉(1)有根源,来自物体表面的激光散斑在这里被视为测量系统的噪声源。
格罗(2)一般被认为是最早意识到激光散斑作为一个合理的基础在自己的权利计量技术方面的潜力,指引出散斑计量的广义领域。
这种广泛的措辞包括几种应用激光散斑并考虑到散斑物理学优势的不同思想,这种想法通常是分类或划分散斑照相和散斑相关技术。
电子散斑干涉散斑相干技术的发展可以归结为七十年代的Leendertz (3),Macovski et al. (4),巴斯特和Leendertz (5)同时证明了电视摄像机作为录音设备(生产“实时”结果(25Hz))的使用。
七十年代这项工作在英国拉夫堡大学继续进行,集中与光学配置的优化,确保技术的发展对工程应用是合适的。
进一步的研究工作在七十年代被挪威科技研究所(特龙海姆)的一个小组完成,该小组由Løkberg带领,他也开发了电子散斑干涉的振动面分析。
条纹类型分析的介绍和增长的高能、便宜、快速的计算机在八十年代中期给作为有潜力的新型工程工具的电子散斑干涉加入了新的说明。
剪切干涉仪的应用和原理什么是剪切干涉仪剪切干涉仪是一种测量光学路径差的仪器,通过分析干涉条纹来测量光学元件的表面形状、薄膜厚度等参数。
它主要由波前分离器、偏振分束器、空间频率滤波器、干涉仪和检测器等组成。
剪切干涉仪的原理剪切干涉仪的原理是利用了光波的干涉现象。
当两束光线经过不同的路径到达一个点时,如果它们之间的光程差为波长的奇数倍,两束光线就会发生相长干涉,形成明暗条纹。
而剪切干涉仪通过控制光的相位差,使得明暗条纹发生移动,从而可以推断光学元件的参数。
剪切干涉仪的应用剪切干涉仪在工程和科学研究中有着广泛的应用,下面列举了几个常见的应用场景:1.光学元件表面检测–使用剪切干涉仪可以对光学元件的表面形状进行高精度测量,如透镜、反射镜、光栅等。
–通过分析干涉条纹的形态,可以检测出光学元件表面的凹凸不平、误差等问题,保证光学系统的质量。
2.光学薄膜厚度测量–剪切干涉仪可用于测量各种光学薄膜的厚度,如镀膜玻璃、反射镜薄膜等。
–通过分析干涉条纹在不同光学波段上的变化,可以计算出薄膜的厚度,判断薄膜的均匀性和质量。
3.形状检测和变形分析–剪切干涉仪可用于测量各种形状的物体的三维形貌,如工件、雕塑、生物组织等。
–通过分析干涉条纹的变化和形态,可以获取物体表面的形状信息,用于质量检测、变形分析等。
4.微小物体位移测量–剪切干涉仪可用于测量微小物体的位移,如微动部件的振动、材料的膨胀等。
–通过分析干涉条纹的位移距离,可精确计算出物体的位移量,用于研究微观运动和变形情况。
剪切干涉仪的优势剪切干涉仪相比其他测量技术具有以下优势:•非接触性测量:剪切干涉仪的测量过程不需要物理接触,对被测物体没有任何损伤。
•高精度测量:剪切干涉仪能够实现纳米级甚至亚纳米级的高精度测量,适用于各种精密工艺和科学研究。
•宽波段测量:剪切干涉仪的光学系统可以适配不同的波段,可测量多种材料和薄膜的厚度。
•实时测量:剪切干涉仪采用光学干涉技术,测量结果可以实时显示和记录,方便操作和分析。
1剪切电子散斑干涉术(ESSPI )测量物体离面位移导数(2学时,每次实验12人)一. 实验目的● 了解和掌握ESSPI 测量物体离面位移导数的方法和技术; ● 学会用ESSPI 测试周边固支圆板的离面位移导数。
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。
图1 电子剪切散斑干涉术光路图三. ESSPI 的基本原理在剪切散斑照相机镜头前放置一个小角度的玻璃光楔,光线通过此玻璃光楔将产生偏折,在像平面上产生与光楔的楔角相同方向的两个剪切像,由激光形成的这两个像在像平面上相互干涉而形成散斑干涉条纹。
对于整个物体来说,在像平面上形成两个互相剪切的像,它们的波前分别为[]),(exp ),(y x a y x U Φ=(2) []),(exp ),(y x x a y x x U δδ+Φ=+(3)这里a 表示光的振幅分布,Ф(x ,y )和Ф(x +δx ,y )分别表示为两个剪切像的相位分布,这样在像平面上两个像叠加结果为),(),(y x x U y x U U T δ++=(4)则光强为[]x T T a U U I φcos 12*2+==,),(),(y x y x x x Φ-+Φ=δφ (5)当物体变形后,光波将产生一个相位的变化量Δφx ,则变形后的光强为()[]x x a I φφ∆++=cos 12'2(6)2在剪切电子散斑干涉方法中,采用CCD 摄像机进行记录并存入计算机中,采用电子散斑干涉相同的图像相减处理方法,即变形前后两幅散斑图相减,即等式(6)和等式(5)相减可得2sin 2sin 4'2x x x T a I I I φφφ∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆+=-=(7)这种相减方式排除了背景光强的影响,突出了由于变形引起的相位变化Δφx 的结果。
该低频条纹取决于物体变形引起的光波相位改变。
实验二 剪切散斑干涉
Pb10005083 刘波
实验目的
1. 熟悉剪切散斑干涉的基本光路。
2. 掌握剪切散斑干涉的基本原理。
3. 掌握应用剪切散斑干涉测量离面位移技术。
实验光路
实验原理:
剪切干涉是利用被测波面和将它沿空间某一方向错位的波面相干涉,比较波面相邻部分的差异。
Ua=U ,Ub=U+ΔU ,Ka=Kb=K.
条纹方程为,ΔU*K=m λ。
若再受载荷的薄平板试件上建立笛卡尔而坐标系,其O-xy 平面为试件平面,剪切方向为x 方向。
上述条纹方程变为:
Δw*Kz=m λ,即 X
W
∂∂*Kz =m λ
实验结果:
思考题:
1.条纹解释。
由公式可知,ΔU*K=mλ。
条纹为位移增量在灵敏度矢量方向的等值线,反映了沿剪切方向位移导数的分布信息。
2.剪切光路的优点。
剪切散斑干涉特别是用于检测离面位移导数。
通过检测离面位移导数的异常分布,剪切散斑干涉在无损检测方面发挥了很重要的作用。
3.调研其他可实现剪切散斑的方案,选一种方案,给出光路图并简要说明实验原理。
较成功的是用光楔。
典型光路如图。
在摄像机接收平面上的一点(x,y)接收的光波来自于[-(x+τ)/M,-y/M],[-(x-τ)/M,-y/M].。
在物体变形前后各曝光一次,就可得到错位散斑干涉图。
此时;Ua=U,Ub=U+ΔU,Ka=Kb=K.
则,ΔU*K=mλ。
散斑干涉技术在测量中的应用散斑干涉技术是一种基于光学干涉原理的测量技术,利用光波的干涉现象来实现对物体表面形貌、位移、振动等参数的测量。
该技术具有测量精度高、非接触性强、适用范围广等优点,在工业、科研等领域得到了广泛的应用。
本文将重点介绍散斑干涉技术在测量中的应用,包括表面形貌测量、位移测量和振动分析等方面。
一、表面形貌测量散斑干涉技术在表面形貌测量中具有独特的优势,可以实现对物体表面微小形貌的高精度测量。
通过散斑干涉技术,可以获取物体表面的三维形貌信息,包括表面的高程、曲率等参数。
这对于工件的质量控制、表面质量评估具有重要意义。
在实际应用中,散斑干涉技术常常与数字图像处理技术相结合,利用计算机对采集到的干涉图像进行处理和分析,从而得到物体表面的形貌信息。
通过对比不同时刻的干涉图像,可以实现对物体表面的形貌变化进行实时监测和分析,为工艺控制和质量检测提供重要依据。
二、位移测量散斑干涉技术在位移测量领域也有着重要的应用。
通过测量物体表面的位移信息,可以实现对物体运动、变形等参数的监测和分析。
散斑干涉技术可以实现对微小位移的高灵敏度检测,广泛应用于微位移传感、振动分析等领域。
在位移测量中,散斑干涉技术可以实现对物体表面微小位移的实时监测,具有高灵敏度和高分辨率的特点。
通过对散斑图像的处理和分析,可以获取物体表面的位移信息,并实现对物体运动状态的精确控制。
这对于机械系统的振动分析、结构健康监测等方面具有重要意义。
三、振动分析散斑干涉技术在振动分析领域也有着广泛的应用。
通过对物体表面的散斑图像进行采集和处理,可以实现对物体振动状态的实时监测和分析。
散斑干涉技术可以实现对物体振动的高精度测量,为振动分析和结构动力学研究提供了重要手段。
在振动分析中,散斑干涉技术可以实现对物体振动模式、频率等参数的准确测量,为结构的动态特性分析提供重要数据支持。
通过对散斑图像的时域和频域分析,可以获取物体振动的频谱信息,进而实现对振动源的诊断和分析。
电子剪切散斑干涉技术F o r p e s n a u s e o n y s u d y a n d r e s a c h n o f r c m me r c a u s e3章剪切散斑干涉技术虿第螅3.1 剪切散斑干涉技术的概念芃剪切散斑干涉技术(Shearography)因其快速准确的检测能力在航空航天领域得到广泛认可,它与红外热成像检测技术(Thermography)一样,都是一种高效率的无接触无损检测技术,可以用于进行大面积的检测,在检测同时可以提供被测构件的完整图像的即时成像功能。
与Thermography 不同的是Shearography是一种光学传感技术,它利用激光照射在构件身上产生的散斑,对构件的表面破损、变形进行全面检测,所以它也是一种散斑干涉测量技术。
莈Shearography源自1971年诺贝尔物理学奖得主Dennis Gabor发明的全息干涉技术(Holography),可以说Shearography 属于Holography系列,是Holography的一个简化版本。
膈由于Holography需要在宁静、避震的环境下才能发挥出功效,香港大学机械工程学系教授洪友仁于1980年将Holography改良,于是发明了Shearography,之后便将其应用于检测汽车轮胎上,不久洛杉矶发生飞机爆胎意外,FAA开始强制要求所有航空公司必须用Shearography检测飞机轮胎,自此之后,因轮胎问题而引起的飞机意外很少有发生。
蒅近年来美国LTI(Laser Technology Inc.)公司开始将Shearography用于飞机无损检测。
他们开发出基于Shearography的标准无损检测系统,可以用来检测部件的分层、脱胶、裂纹、空隙、冲击损伤、损坏的修补部位以及任何对结构完整性造成影响的缺陷。
它可以应用于许多不同材料的检测,包括碾压材料,复合材料,蜂窝结构以及泡沫材料等,尤其对蜂窝结构的检测得心应手。
万方数据
图1是剪切散斑的光路图
L:扩束镜;M:反射镜;W:Wollaston棱镜;P:偏振镜。
楔块的楔角为a,肛是折射率,在像平面上被测量物体的剪切量:
觑’=Dl(肛一1)口
同样地,如折合到物体表面的剪切量为
n
既=甄7is.--0=Do(p—1)口(1)
其中D。
和D。
分别为透镜到物体表面和到成像平面的距离。
这里假设楔块的楔角是沿x方向。
图2为剪切散斑记录光路。
同样,如楔块的楔角是沿Y方向的则剪切也是沿,,方向。
图2剪切散斑记录光路
对于整个物体来说,在像平面上形成了两个互相剪切的像,它们的波前分别为:
U(X,y)=otexp[O(x,,,)](2)
U(菇+舐,Y)=aexp[o(x+舐,Y)](3)
这里a表示光的振幅分布,p(菇,,,)和p(z+缸,Y)分别表示为两个剪切像的相位分布。
这样,在像平面上两个像叠加结果为:
Ur=re(茗,Y)=ty(菇+舐,y)(4)
其光强则为:
,=UrUr‘=2a2[1+cos∥_]r]
∥x=秒(菇+融,),)一日(茁,,,)(5)
当物体变形后,光波将形成一个相位的相应变化△∥。
变形后的光强将变为:
,’=2a2[1+1308(∥x+△∥j)](6)
在剪切电子散斑干涉中,采用光电子元件(通常CCD摄像机)进行记录并直接输入计算机。
它采用与电子散斑干涉法相同的信息表征模式,即用变形前后两幅散斑图像相减,其合成的记录光强为式(5)和现代科学仪器20081(6)相减:
Ir=I,7(r)一,(r)I
=|4Ⅱ2sinh学】sin学I(7)这种相减方式把本底光强或背景光强去除,而突
出了由于变形引起的相位变化△矽。
的结果。
当△勿。
=2nor+儡r/2,其中,l=0,4-1,4-2…时,,,为极大值,即为亮条纹,从(7)可以看出,通过计算机可以很快地、直接地获得表示物体位移导数的条纹图。
但是由于其存在的高频散斑的调制,图像质量较差,所以,必须采用滤波以及相位处理的方法进一步处理。
3实验设备
我们实验所采用的剪切电子散斑干涉仪是由同济大学与上海71l研究所联合研制的。
剪切电子散斑干涉大多使用剪切棱镜,棱镜是由两个直角棱镜组成,当一束光垂直人射到棱镜表面上时,在后表面形成两束互相分开的,振动方向互相垂直的平面偏振光。
这两束光互为参考光和物光而干涉,但其振动方向互相垂直,所以需要在棱镜后加一块偏振片,使其振动方向相同。
图3为ESSPI的内部构造,图4为整套设备。
它的优点在于光路布置简单,两束相干光波强度基本相等,因而可达到等光强的要求。
:
图3仪器内部构造
图4整套设备
万方数据
光源采用固体泵浦绿激光器,其特点是发光功率大,体积小,便于携带,激光性质是偏振光,可以加上光学调节机构使之应使用要求表现不同的偏振方向性。
采用压电陶瓷(PZT)相移器,电源是专用精密调节电压相移器电源。
载波器最小偏转角度为:每给一个脉冲转1.80。
4实验方法与结果
将标准试件放在ESSPI仪器的前方,利用附带软件系统。
可以对试件的三维位移及应变的测量图像数据进行处理分析,从干涉条纹图中提取三维位移信息及应变信息。
采用基于MeteorII图像采集卡的图像处理软件,在试件未加载情况下,所显示的图像应为全黑;对试件加载离面位移后,可以在计算机上看到实时相减的相关条纹。
再次点击Pause菜单命令或相应的按钮,使实时相减采图过程暂停;此时计算机显示的图像冻结,可以选用ImageExport菜单命令或相应的按钮,将当前冻结的图像保存到计算机里。
图5是采用等4步相移法获得的图片。
图5四步相移图
通过软件将以上图像解包裹,用相关软件处理后6,图7所示。
获得标准试件变形后的三维和平面示图。
分别如图
图6三维图
ESSPI仪以前是依靠进口,成本比较贵。
ESSPI仪器的研制成功,可以降低投入,测量精度非常高,使电子剪切散斑技术向三维、高精度和自动化方向发展,具有灵敏度高并可调节、非接触测量等优点;结合有限元计算可以形成实验和有限元相结合的方法,将成为无损检测的有效方法之一。
70参考文献
图7平面图
[1]赵清澄.光测李学教程.高等教育出版社.1996.12
[2]张熹.ESSPI仪实验教案.上海711研究所.2003
ModemScientificInstruments2008
l 万方数据
剪切电子散斑干涉仪的实验应用
作者:曾伟明, 朱启荣, 章彰, 王东方, 杨国标, Zeng Weiming, Zhu Qiming, Zhang Zhang, Wang Dongfang, Yang Guobiao
作者单位:曾伟明,朱启荣,章彰,Zeng Weiming,Zhu Qiming,Zhang Zhang(同济大学航空航天与力学学院,上海,200092;同济大学国家力学实验教学示范中心,上海,200092), 王东方,杨国标
,Wang Dongfang,Yang Guobiao(同济大学航空航天与力学学院,上海,200092)
刊名:
现代科学仪器
英文刊名:MODERN SCIENTIFIC INSTRUMENTS
年,卷(期):2008(1)
1.张熹ESSPI仪实验教案 2003
2.赵清澄光测李学教程 1996
本文链接:/Periodical_xdkxyq200801021.aspx。