数字散斑剪切干涉法的演示实验

21.1 实验目的

通过挠曲线的导数场，观察周边固支圆盘受均布法向载荷作用各点的离面位移导数变化。

21.2 实验仪器和模型

剪切散斑干涉仪，微型电子计算机和操作软件，均匀受压圆盘及加载装置。

21.3 实验原理

上一节中介绍的散斑干涉法主要适用于面内位移和离面位移的测量，而在力学中，我们往往需要的是应变，即位移的导数，由Y.Y.Hung提出的剪切散斑干涉法，可以直接得到位移的导数，而且可以大大改善条纹的质量。

散斑剪切干涉法由准直激光照射物体，物面散射光聚焦于CCD相机的成像靶面（初始时M1、M2为相互垂直的两块平面反射镜），此时物面散射光一部分通过半反半透镜B直接到达CCD成像靶面，还有一部分经平面反射镜M1、M2反射后到达CCD成像靶面，二者干涉形成散斑场。再通过倾斜其中的一块平面反射镜M2引起像面上两个散斑场相互剪切，两个剪切散斑场相干叠加产生合成散斑场。散斑剪切干涉法可用于离面位移导数的测量。图21.1是数字散斑剪切干涉（Digital Speckle-Shearing-Pattern Interferometry，DSSPI）系统的光路图。

图21.1 数字散斑剪切干涉系统

变形前CCD靶面上的光强分布为：

式中：I1和I2分别为对应于两个剪切散斑场的光强分布，φ为两个散斑场之间的相位差。

同理，变形后CCD靶面上的光强为：

式中：为物面剪切量，为离面位移沿x方向的偏导数（斜率）。

I1和I2之差平方的系综平均为：

B＝＜（If－Ii）2＞＝4I1I2（1－cosδ）

显然，暗条纹将产生于δ＝2nπ，即：

亮条纹将产生于δ＝（2n＋1）π，即：

图21.2所示为周边固支圆盘受均布法向载荷作用变形前、后的两幅干涉散斑图相减后的条纹图。条纹密的地方斜率比较大，条纹稀疏的地方斜率变化比较小，位于同一条纹上的点x方向的斜率相同。(www.xing528.com)

图21.2 均布受压圆盘的离面位移导数等值条纹图

21.4 实验步骤

1.按图示方案布置光路。

2.将被测物放在仪器正前方，被测物中心线与仪器成像光路中心线一致；将CCD与电脑连接。

3.开启电源，打开电脑，打开图像采集软件。

4.用均匀的白光作为光源照射在被测物表面，在计算机中观察并同时调节镜头物距使CCD清晰成像。

5.关闭白光光源，打开激光器电源使得其出光。调节扩束镜，使光均匀照射在试件表面面。

6.采用图像采集软件采集图像，具体步骤如下：

（1）打开软件，进入实时采集状态；

（2）调节剪切镜，至图像产生水平错位（或竖直方向错位）；

（3）点击SBTRACT，进行实时相减，此时实时显示一般为全黑或半暗，无条纹出现；

（4）对圆盘试件中心加载产生离面位移（ω方向），此时图像采集窗口可观察到类似于图21.2的条纹出现，且条纹数量随载荷的增大而增多；

（5）点击STOP，获取离面位移导数图像，将图像存入计算机。。

21.5 实验数据及处理

根据测试图像，识别条纹级数填入下表。