CN105675186A - 基于动态光弹性系统的应力测量方法 - Google Patents

基于动态光弹性系统的应力测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于动态光弹性系统的应力测量方法，在一个实施例中，包括：进行暗场成像，并获得应力测点处的第一光强值；进行明场成像，并获得应力测点处的第二光强值；进行暗场补偿场成像，并获得应力测点处的第三光强值；基于所述第一光强值、第二光强值和第三光强值，获得应力引起的双折射的相位差；基于所述相位差，求得应力测点处的各应力值。本发明通过激光测振仪验证了该方法测量的结果的准确性，这种测量方法是一种新的旋转偏振器件法，具有光学系统简便、操作简单、结果准确等特点。该方法是一种全新的测量透明固体内部应力的方法，亦可推广到小应力的测量。

Description

基于动态光弹性系统的应力测量方法
技术领域
本申请涉及声学技术领域，尤其涉及一种基于动态光弹性系统的应力测量方法。
背景技术
动态光弹成像系统可用来研究固体中声波的传播与散射问题，且具有直观、准确等特征。比如专利(CN103575381A)：基于动态光弹性法的超声换能器声场的测量方法，详细描述了利用动态光弹性法，直观地显示和测量透明固体中的超声换能器声场的信息，并利用对灰度化瞬态声场图像和灰度化稳态声场图像的处理，快速准确地获得超声换能器声场的信息。但是该方法仅能测量相对应力，并不能对绝对应力进行定量测量。
通过动态光弹系统所获得的图像只能体现出相对应力大小分布，而且光强值与应力值并非呈线性比例关系，对于要求精细判定应力的情况根本不适用，还需要通过特别的方法获取应力的绝对值。光弹精确定量始终是人们一直探索的问题。目前普遍采用的拉伸试件补偿法、石英楔块补偿法、检偏镜补偿法和光度计补偿法，但上述方法一般均操作复杂，需要一种设备简单、方便操作的一种全新测量方法。
发明内容
本申请的目的是针对内部存在声场的透明固体，提供一种新的旋转偏振器件法，以实现对辐射声场的绝对应力的定量测量，该方法具有光学系统简便，操作简单、结果准确等特点。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于动态光弹性系统的应力测量方法，该方法包括以下步骤：进行暗场成像，并获得应力测点处的第一光强值；进行明场成像，并获得应力测点处的第二光强值；进行暗场补偿场成像，并获得应力测点处的第三光强值；基于所述第一光强值、第二光强值和第三光强值，获得应力引起的双折射的相位差；基于所述相位差，求得应力测点处的各应力值。
优选地，所述进行暗场成像，并获得应力测点处的第一光强值，包括：调整动态光弹系统中起偏器和检偏器的两偏振轴至正交，对样品内部声场进行暗场成像，并获得选定应力测点处的第一光强值。
优选地，所述进行明场成像，并获得应力测点处的第二光强值，包括：将所述暗场成像时的检偏器的偏振轴转动90°角，对样品内部声场进行明场成像，并获得选定应力测点处的第二光强值。
优选地，所述进行暗场补偿场成像，并获得应力测点处的第三光强值，包括：将所述暗场成像时的起偏器和检测器同时同方向旋转45°角，对样品内部声场进行暗场补偿场成像，并获得应力测点处的第三光强值。
优选地，所述基于所述第一光强值、第二光强值和第三光强值，获得应力引起的双折射的相位差，包括:通过公式获得应力引起的双折射的相位差；其中，α为相位差，I1为第一光强值，I2为第二光强值，I3为第三光强值。
优选地，所述应力为透明固体内部的应力。
进一步优选地，所述应力为透明固体内部的小应力。
本发明提供了一种全新的测量透明固体内部应力的方法，对样品材料的内部声场分别进行暗场图像、明场成像以及暗场补偿场成像，并分别获得应力测点处的光强值；根据三种条件下获得的光强值求得相位差；通过相位差与应力的关系便可获得绝对应力值。该方法对于小应力均可使用，本发明的优点在于可快速获取样品材料内部的超声波绝对应力，且设备简单，方便操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要地介绍。显而易见地，下面附图中反映的仅仅是本发明的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得本发明的其他实施例。而所有这些实施例或实施方式都在本发明的保护范围之内。
图1为本发明实施例提供的应力测量方法流程图；
图2为动态光弹性成像系统；
图3为本发明实施例提供的暗场成像示意图；
图4为本发明实施例提供的明场成像示意图；
图5为本发明实施例提供的暗场补偿场成像示意图；
图6为本发明实施例提供的超声纵波瞬态声场图像示意图；
图7为本发明实施例提供的应用激光测振仪测量对应力的验证结果。
具体实施方式
下面通过附图和具体的实施例，对本发明进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。
在一个实施例中，本发明的应力测量方法，可快速获得绝对应力值，是利用动态光弹系统，首先对样品的内部声场分别进行暗场图像、明场成像以及暗场补偿场成像，并分别获得应力测点处的光强值；然后根据三种条件下获得的光强值求得相位差；最后通过相位差与应力的关系便可获得绝对应力值。在本实施例中，应力以超声应力为例进行描述。
图1为本发明提供的应力测量方法流程图，如图所示，该方法包括以下步骤：
步骤10，进行暗场成像，并获得应力测点处的第一光强值。
图2为动态光弹性成像系统，由图2所示，动态光弹系统的器件可以包括换能器、起偏器、检偏器、样品、延时系统、凸凹透镜以及激光器等。将超声换能器固定在样品上，然后调整动态光弹系统中偏振系统(起偏器和检偏器)的两偏振轴的偏振方向，至两偏振轴正交，对样品内部声场进行光弹成像，此时为暗场成像，此处获得的光弹图像称之为暗场图像，然后获得超声应力测点处的第一光强值。需要说明的是，暗场图像已进行了灰度化处理，获得超声应力测点处的第一光强值，即为利用计算机读取所述暗场图像中的灰度值。还需要指出的是：所选样品为透明材料。
步骤20，进行明场成像，并获得应力测点处的第二光强值。
将步骤10中的检偏器单独旋转90°角，对样品内部声场进行光弹成像，此时为明场成像，此处获得的光弹图像称之为明场图像，然后获得超声应力测点处的第二光强值。需要说明的是，明场图像已进行了灰度化处理，获得超声应力测点处的第二光强值，即为利用计算机读取所述明场图像中的灰度值。
步骤30，进行暗场补偿场成像，并获得应力测点处的第三光强值。
首先将步骤20中的检偏器恢复至步骤10中的状态，然后将偏振系统(起偏器和检偏器)同时同方向旋转45°角，对样品内部声场进行光弹成像，此时为暗场补偿场成像，此处获得的光弹图像称之为暗场补偿场图像，然后获得超声应力测点处的第三光强值。需要说明的是，暗场补偿场图像已进行了灰度化处理，获得超声应力测点处的第一光强值，即为利用计算机读取所述暗场补偿场图像中的灰度值。
步骤40，基于所述第一光强值、第二光强值和第三光强值，获得应力引起的双折射的相位差。
具体的，通过公式获得应力引起的双折射的相位差；其中，α为相位差，I1为第一光强值，I2为第二光强值，I3为第三光强值。
步骤50，基于所述相位差，求得应力测点处的各应力值。
根据相位差与不同方向应力的关系便可获得应力测点处的不同方向对应的绝对应力值，具体为，结合纵波x方向主应力公式获得测点x方向的主应力值σxx；结合纵波y方向主应力公式获得测点y方向的主应力值σyy。其中，f为样品的条纹值，l为样品厚度，λ、μ为拉梅系数，α为相位差。
下面结合一个具体实施例，来对本测量方法做进一步的说明，为进行应力测量验证，通过旋转偏振片法测定的是靠近样品表面处的声应力值，同样的，再通过激光测振仪测量表面应力值进行测量结果验证，可忽略在这极短距离内的声应力衰减。本测量实施例以K9玻璃作为承载声场的样品。需要说明的是，该实施例中所提到的暗场成像、明场成像以及暗场补偿场成像均进行了灰度化处理。具体测量步骤为：
(1)暗场成像：调整动态光弹系统中的偏振系统(起偏器和检偏器)的两偏振轴至正交，对样品内部声场进行成像，获得测点处的光强值I1＝195，如图3所示。
(2)明场成像：将(1)中的检偏器旋转90°角，对样品内部进行成像，获得测点处光强值I2＝178，如图4所示。
(3)暗场补偿场成像：将检偏器恢复至步骤(1)中的状态，将起偏器和检偏器同时同方向旋转45°角，对样品内部进行成像，获得测点光强值I3＝5，如图5所示。
(4)求相位差：将I1＝195，I2＝178，I3＝5带入公式获得应力引起的双折射的相位差α＝94.20°。
(5)求应力值：对于纵波，图6为动态光弹系统所拍摄到的纵波瞬态声场图像示意图，如图所述坐标轴，根据求得的相位差值，结合纵波x方向主应力公式获得测点x方向主应力值σxx＝2.45*106Pa；结合纵波y方向主应力公式获得测点y方向主应力值σyy＝6.08*105Pa。
本发明采用Polytec激光测振仪对x方向主应力值测量结果进行验证，在与以上测量方法在材料相同载荷相同的条件下，选择电压-振幅档(仪器本身设定)位为100mm/s/V。如图7实验结果所示，示波器电压值为1.72V，根据设定档位可得振速为172mm/s。根据应力-振速关系式代入测量获得的振速值，可得测点x方向主应力值为σ′xx＝2.60*106Pa。本发明提供的基于动态光弹系统的应力测量方法得到的结果与Polytec激光测振仪测的结果误差为100％*(σxx-σ′xx)/σxx＝5.76％，因此可知本发明提供的测量方法是可行的。
附K9玻璃相关参数：
拉梅系数λ＝2.2825×1010、μ＝3.308×1010，纵波声速cl＝5957m/s，K9玻璃的条纹值f＝208kg/cm，K9玻璃厚度l＝3cm。
同样的原理，对于横波，我们也可以结合xy方向的主应力公式最终获得xy方向的主应力值σxy，其中，f为样品的条纹值，l为样品厚度，λ、μ为拉梅系数，α为相位差。
在本发明实施例中，应力以超声纵波应力为例，描述了动态光弹系统中应力测量方法，通过暗场成像、明场成像以及暗场补偿场成像，分别获得对应声场下应力测点的光强值，根据三种情况下获得的光强值便可得到相位差，最后通过相位差与应力的关系便可获得绝对测点处的绝对应力值。最后并通过激光测振仪验证了该方法测量的结果的准确性，这种新的旋转偏振器件法具有光学系统简便、操作简单、结果准确等特点。该方法是一种全新的测量透明固体内部应力的方法，亦可推广到小应力的测量。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于动态光弹性系统的应力测量方法，其特征在于，所述方法包括：
进行暗场成像，并获得应力测点处的第一光强值；
进行明场成像，并获得应力测点处的第二光强值；
进行暗场补偿场成像，并获得应力测点处的第三光强值；
基于所述第一光强值、第二光强值和第三光强值，获得应力引起的双折射的相位差；
基于所述相位差，求得应力测点处的各应力值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行暗场成像，并获得应力测点处的第一光强值，包括：
调整动态光弹系统中起偏器和检偏器的两偏振轴至正交，对样品内部声场进行暗场成像，并获得选定应力测点处的第一光强值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行明场成像，并获得应力测点处的第二光强值，包括：
将所述暗场成像时的检偏器的偏振轴转动90°角，对样品内部声场进行明场成像，并获得选定应力测点处的第二光强值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行暗场补偿场成像，并获得应力测点处的第三光强值，包括：
将所述暗场成像时的起偏器和检测器同时同方向旋转45°角，对样品内部声场进行暗场补偿场成像，并获得应力测点处的第三光强值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一光强值、第二光强值和第三光强值，获得应力引起的双折射的相位差，包括:
通过公式获得应力引起的双折射的相位差；
其中，α为相位差，I1为第一光强值，I2为第二光强值，I3为第三光强值。
6.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于，所述应力为透明固体内部的应力。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述应力为透明固体内部的小应力。
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