利用激光全息干涉测量梁的微小位移.doc

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利用激光全息干涉测量梁的微小位移

物 理 实 验 第 26 卷 第 8 期 2006 年 8 月 Vol . 26 No . 8 A ug. ,2006 P H YSICS EXP ER IM EN TA T ION 利用激光全息干涉测量梁的微小位移 王秋芬 (中国民航大学 理学院 ,天津 300300) 摘 要 :全息干涉测量利用二次曝光记录物体在不同载荷状态下的相对位移场 . 通过在干板上记录和比较不同状 态产生的光波的干涉 ,可以得到在不同载荷时干涉条纹随物体位移的变化情况 ,实现对物体微小变形 、微小位移量的测 量 . 本文利用激光全息干涉技术测量了金属梁的微小位移量 ,计算得到金属梁的弹性模量和挠度 . 关键词 :激光全息干涉 ;微小位移 ;挠度 ;弹性模量 文章编号 :100524642 (2006) 0820008205 中图分类号 :O438 . 1 文献标识码 : A 52 y F ( l - x) d y 5 x2 = E I z x = 0 = 0 , = 0 . ( 1) 引 言 , y 1 d x x = 0 全息干涉是近代光测力学的主要方法之一 . 以激光技术为基础的现代光学的发展 ,扩展了光 测力学的研究和应用领域 ,形成了以现代光学方 法在力学测量中的应用为其主要研究内容的现代 光测力 学. 全息 干涉 计 量是 激光 全 息的 重要 应 用 ,特别适用于物体微小变形 、微振动的测量. 全 息干涉测量利用二次曝光把物体在不同载荷状态 下的相对位移场记录下来 ,通过在干板上记录和 比较不同状态产生的光波的干涉 ,以得到不同载 荷时干涉条纹随物体位移的变化情况 ,实现对物 体微小变形 、微小位移量的测量. 微小位移量的 测量越来越多的出现在各种检测和计量问题中 . 在大学物理实验中 ,微小位移量的测量一般多采 用光杠杆原理及相关的传感器 . 本文实验利用激 光全息干涉技术再现了金属梁的微小位移量 ,测 量并计算得到金属梁的弹性模量和挠度. 图 1 金属悬臂梁挠曲线的分布 当位移很小时 , 其位移分布的理论解 , 即金属梁挠 度分布为 2 3 F l x x d y = - ( 2) , 2 6 E I z bh3 其中 , I z = 12 , F 表示梁自由端受到的作用力 , E 表示金属梁的弹性模量 ; b , h , l 分别表示梁的宽 度 、厚度和长度. 由此可知 , 金属弹性模量 E 的测 量将取决于金属梁挠度的分布 , 当梁的弯曲度很 小时挠曲线及沿 y 方向上各点的位 移分 布 用常 规测量方法难以精确测量 , 可以利用激光全息干 涉技术进行测量 . 2 . 2 全息记录与再现的数学表达 设 x y 平面为全 息 感光 板平 面 , 进行 全 息照 相时物光和参考光在此平面的复振幅分布[ 2 ] 为 全息干涉二次成像的理论分析 2 2 . 1 问题的提出 若在一金属悬臂梁的自由端施加力 F , 梁将 产生微小弯曲 , 如果只考虑梁的中心线 ( x 轴) 上 各点沿 y 方 向 的 变 形 , 变 形 后 的 轴 线 称 为 挠 曲 线 , 金属悬臂梁挠曲线示 意 图见 图 1 , 其 数学 表 示[ 1 ] 为 收稿日期 :2006202213 ;修改日期 :2006205225 作者简介 :王秋芬 (1953 - ) ,女 ,北京人 ,中国民航学院理学院副教授 ,研究方向为应用物理及光学计量检测 . 波之间的光程差δ[ 5 ] 为 U O ( x , y) = A O ( x , y) e xp [ iφO ( x , y) ] , U R ( x , y) = A R ( x , y) e xp [ iφR ( x , y) ] . 梁发生位移前物光和参考光的合成光强[ 3 ] 为 δ= A B + A C = d y ( co s θ1 + co s θ2 ) , ( 4) 由于 A 和 A 两点出射的光波不同时 , 因此当再现 光照射时 , 2 个全息图将同时再现出梁在 2 个不 同状态下的物光波前 , 并发生干涉 , 形成了由式 ( 4) 决定的干涉条纹. 由这簇等光程线构成的干 涉条纹可以计算出 梁在 不 同位 置处 的微 小 位移 量 . I ( x , y) = ( U R + U O ) ( U 3 R + U 3 = O ) U R U 3 R + U O U 3 O + U R U 3 O + U 3 U O = R A 2 2 3 3 R + A O + U R U O + U R U O , 式中 U 3 O 和 U 3 R 分别为 U O 和

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