产品介绍：

名 称：新型光弹仪

应 用：在地质力学、水利和机械工程等学科的研究中，将研究对象以光弹材料做成模型并施加适当的机械载荷，采用光弹仪可以观察和测量模型内部的应力场和主应力方向场的分布，确定模型内部力的传递路径和强度薄弱点，对工程方案的确定以及安全性的评估提供实验依据。在基础力学的教学上，光弹仪可以将抽象的力学概念，如应力集中、圣维南原理等具体化、形象化，提升教学效率和趣味性，起到事半功倍的效果。

工作原理：

光弹材料（如玻璃，树脂等）受到外载或者内部存在残余应力时，会出现应力双折射现象：一束偏振光垂直入射后会分解成两束线偏振光，偏振方向分别沿着两个正交的主应力方向，这两束线偏振光在材料中的折射率不同（即双折射现象），出射后就会产生光程差。让这两束偏振方向正交的光再通过同一个线偏振片，就可以产生光学干涉，通过对干涉图像的分析，可以测量出它们之间的光程差。这个光程差与试件内部的主应力差线性相关，再通过主应力方向场的测量和一定的解算方法，最终得出光弹材料内部的应力场各分量。

新型光弹技术的优势：

相比于传统的光弹技术和设备，我们在光弹信息的获取和处理方面有了创新性的技术改进：

1. 采用像素偏振相机记录光弹图像并实现了动态相移。在小量程(相位差小于π/2)的情况下，只需一次拍照即可完成相位差场和主应力方向场的测试。在大量程情况下，通过计算机控制光源颜色的顺序变换，只需三次拍照，1分钟内即可完成试件内部主应力差场和主应力方向场的测试。全系统没有可旋转的光学元件，也因此避免了传统光弹法在定量测试时复杂而费时的操作（如六步相移法的前处理，以及各种复杂算法的解包裹后处理），测试效率大大提高，小量程情况下甚至可以做到实时且定量测试；

2. 非偏振的环境光对测试结果的干扰因为采集到的图像之间的相减运算被排除，使得应力测试可以在正常光环境下进行，无需避光（传统光弹法在这种情况下得到的光弹条纹的对比度很弱，需要避光观察和记录）；

3. 测试灵敏度比传统光弹法高一倍，另外，即使测得的相位差很小，也可以用最高的色彩对比度将结果呈现出来，便于观察分析。在此技术优势的支持下，我们的光弹系统可以测试材料的光弹系数，并且达到了很高的精度（见后面的例子）；

4. 结构集成度高，但又可以拆卸，使用灵活，方便应用在工业现场进行在线、实时测试；

主要技术参数：

l 测试面积（即光源尺寸）：常规尺寸70 x 70 mm - 600 x 500mm，更大尺寸可以定制；

l 光源颜色：红、黄、绿、蓝 四合一；

l 相位差量程：

n 基本型: π/2;

n 增强型：采用RGB法，最多可处理12级条纹，即相位差24π；

l 测试分辨率与精度：

n 应力测试分辨率（基于钙钠玻璃的四点弯曲实验）：0.05MPa，精度：0.1MPa；

n 主应力方向：精度优于1度；

仪器组成：

可根据客户要求，定制硬件和软件功能；

新型光弹技术用于测试钙钠玻璃的光弹系数

圆盘试件（直径D, 厚度d）受对径压缩载荷 F 的作用,，试件中心点的主应力分别是：

 （1）

根据应力-光学定律，应力双折射材料的主应力差与相位差（?）的关系如下：

 （2）

其中C 为待求的光弹系数，λ 为测试光的波长，这里使用黄光（波长590nm）。

将（1）（2）关联起来，有：

 （3）

通过光弹实验确定圆形试件中心点的位相差?，即可得到光弹系数。

实验中对试件逐级加载，在每一级载荷上采集试件中心点的相位差数据，见图2。采用增量法，获得载荷与中心点的相位差的关系如图3所示：

图2 对径压缩圆盘实验及中心点的相位差数据的提取

以y = k x 的直线函数拟合图中数据，得到直线斜率 k=462.52

图3 钙钠玻璃试件在波长590nm下的测试数据与数据拟合结果

对比公式（3）,即有：

经过简单计算可得：在590nm的波长下，钙钠玻璃的光弹系数为27.98 （nm/cm/MPa）。