CN86100657A - 贴片云纹干涉法 - Google Patents
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Abstract
本发明的贴片云纹干涉法属于光测技术领域。该发明是采用专用的粘结剂，新的粘贴工艺和新分离工艺，控制栅频及测量精度的新方法。其工艺简易，成本低廉，试验周期短，灵敏度高，条纹对比度良好。使用贴片云纹干涉法可以测试物体表面的位移、变形，进行应变应力的分析。
Description
本发明属于光测技术领域。
云纹干涉法在国际上从1970年起开始研究。传统的普通云纹法灵敏度较低，一般栅频为（40-50）线/毫米，只能测10-2量级的应变，有不能测量小变形和弹性变形的局限性。云纹干涉法提高了灵敏度，但存在光路调节技术和制栅方法难度较大，整个试验过程较复杂成本较高等问题。
目前处于本领域世界最先进水平的美国stateuniversity工程科学与力学系教授D.post，他制栅时要求用价格昂贵的标准栅（尺寸100×100时每块1500元-6500元），作为调节光路的基准，使虚栅频率准确地达到600线/毫米，1200线/毫米，2400线/毫米等，难度是很高的，调制试件栅时要经过液状粘合剂，模压，固化，真空镀膜等过程;正式测试时又要重调光路，使虚光栅频率调到试件栅的一倍;试验周期需要一个星期左右。
我国清华大学与北京光学仪器厂合作，利用机刻的标准栅复制试件栅，断面尺寸仅为50×50mm时就要收费200元，国内其他光栅复制单位的价格大致也是这个水平，试验技术基本上与D.post相同。因此，云纹干涉法在国内外的推广应用受到极大的限制。为了克服上述缺点，发明了贴片云纹干涉法。
本发明的要点在于是利用物理光学和全息光栅原理，测量物体表面位移、变形的贴片云纹干涉法。该方法采用天津大学研制的特种化学粘结剂，TD-1L，TD-2L及TD-J型粘结剂，采用发明者研制成功的全息胶片的粘贴和分离工艺，与控制栅频及测量精度的方法相结合，发明了进行高灵敏度云纹干涉法试验的新方法。经检索七国15年专利文献，没有发现此项新技术。
本发明的贴片云纹干涉法，是采用天津大学研制的特种化学粘结剂TD-L型粘结剂，将全息胶片直接粘贴到测试对象的测试表面。图1是试件的示意图，被测件1，粘结剂2，分离层3，胶片4，感光药膜5。将试件置于光路图2中（光路中6位置）。图2是该方法的光路图，由激光器1发出的光束经过分光镜2分为两束，（全反镜3）分别经空间滤波器4滤波和扩束，再经准直镜5成为准直光束;两相干准直光束汇交时，形成一空间虚光栅系;与试件6测试平面相交时，在该平面形成明暗相间的虚光栅，使全息胶片感光药膜曝光;此光栅频率可用下式计算。
f＝ (2sina)/(λ) （1）
式中λ为所用光波波长，a为入射角，f即为该虚光栅或实光栅（感光膜上形成的光栅）的频率。调整a角即可改变光栅频率。
在测试对象不受载情况下曝光，感光层纪录的光栅，其频率、节距与虚光栅完全相同，相当于普通云纹法的基准栅;测试对象加载变形时，胶片再一次曝光，所纪录的光栅在卸载后将发生改变，此光栅的改变，量反映了测试对象的变形，因此加载时纪录的光栅相当于普通云纹法中的试件栅。加载和无载情况下两次曝光所纪录下来的试件栅和基准栅，在胶片上迭置而形成的云纹条纹，就是测试对象的等位移线。垂直栅线方向位移
u＝np （2）
式中n为条纹的级别，p为基准栅的节距，它等于光栅频率f的倒数、即
p＝1/f （3）
这种直接将全息胶片粘贴到测试对象上测取云纹条纹的方法，由于是可分离处理的，而且其虚光栅和实光栅是由两束相干准直光的相长干涉和相消干涉形成的，故我们称之为可分离处理的贴片云纹干涉法，简称为贴片云纹干涉法。
对不透明试件，采用分离处理法试验，可以使用TD-1L或TD-2L型粘结剂。它的特点是：既有足够的粘结力，能够将试件变形准确地传递给全息胶片;其强度极限又低于胶片本身的比例极限，能保证胶片曝光后不仅能完整地与试件分离，而且在分离后能恢复到无载时的原始状态。由于胶片刚度只有试件刚度的几十到几百分之一，粘结剂的弹性模量很低，增强效应基本上可以忽略;这种粘结剂在采取适当的工艺措施后还能排除使胶片变质和翘曲的因素。
对试件是透明的，要在胶片不分离情况下进行条纹再现及拍摄，可以采用TD-2L型粘结剂，它的透明度较好，能在带粘结层情况下透射再现并拍到足够清晰的条纹。也可以进行透射式实时条纹的观测。
试件是不透明体，要用反射法进行实时条纹的观测，这时需要通过蒸镀金属膜提高实光栅的对比度和清晰度;为了保证在真空蒸镀过程及以后不发生胶片与试件脱落现象，则需采用TD-1L或TD-2L与TD-J粘结剂按3∶1比例混合调匀使用。
在需分离胶片时（用FGY-I型全息胶片）采用的粘贴工艺为：用丙酮或无水酒精对粘贴表面进行清洁处理;在粘贴表面均匀的涂布薄层粘结剂;在保护全息胶片感光药膜不受污染和曝光的条件下，使其背面与粘贴表面平整地粘合;驱除气泡并在压块下固化;在室温为（18-25）℃条件下，固化时间为1-8小时;在粘结剂失去流动性但又未固结前（一般半小时至3小时之内）用手术刀对多余外溢粘结剂进行清理。
光路的调整和检验：光路调整的质量，将极大地影响光栅和云纹的质量，如衍射效率，条纹对比度和清晰度等。一般应满足以下要求，两光束都有良好的准直性，相互间的光程差较小，光强比接近1等等，至于入射角a只要接近于预定值即可;整个光路的防震要求，不象全息干涉法那样苛刻，甚至在激光器与试验台分离时，使用木质试验台，没有防震垫的情况下，也能得到相当清晰的云纹条纹。
光路调整的质量，可以用检查该光路下所制全息光栅的质量来判断，一般是观察全息光栅的衍射效率;这可以通过目测白光照射下的彩带或激光束照射下±1级，衍射束的亮度和宽窄来判断，必要时可以定量地测定±一级衍射束的光强，若能达到原总光强的（5-10）%即可满足使用要求。
分离工艺：完成了两次曝光并记录了云纹信息的胶片，即可进行与测试对象分离的操作;对于可拆卸的小尺寸试件，也可以在完成显影和定影以后再进行分离。胶片背后没有分离层时，分离应在粘结剂没有完全固化时进行，胶片背后有分离层时，粘结剂的固化使胶层的内聚力远超过分离层与胶片之间的结合力，故有利于胶片与试件的分离。分离应在稍许施加不大的、在整个胶片截面接近均布的拉力作用下进行，防止局部施加过大的拉力，使胶片产生变形：分离操作尽可能在胶片浸入显影液条件下进行;胶片分离后仍粘有少量残余粘结剂时，可用醮洁净酒精的脱脂棉花或用软胶刷在酒精溶液中轻轻拭去，再放入显影液中至少2-10秒钟;直至完成显影为止。
如果做实时云纹干涉法实验，在胶片一次曝光后即进行显影和定影等操作，胶片不与测试对象分离。
显影、定影和漂白处理：曝光后的全息胶片，根据光源和胶片的类型选定相应的显影液和定影液配方，对全息I-型，采用D-19显影液配方;为了防止与渗入胶片表面的粘胶成份发生化学反应，导致胶片硬化和翘曲，不允许采用F-5定影液，而改为以下配方的定影液，该配方为：50℃ 800毫升蒸馏水，50-100克硫代硫酸钠，钾矾5-10克，全部溶解后，加蒸馏水至1000毫升。漂白处理可以成倍以至数倍地提高光栅的衍射效率并增加云纹条纹的清晰度;但对不同型号的全息胶片，要精细地挑选相应的漂白液。漂白后的胶片，用自来水冲洗2分钟后，再用蒸馏水冲洗2遍，然后依次在50%，75%，100%乙醇水溶液中进行脱水及清洁处理各2分钟;用激光束照射时，其±1级衍射束光强能达到总光强10%以上。
镀膜处理：对不透明试件要求观测实时条纹时，粘贴到试件上的胶片在无载条件下受虚光栅曝光后，即与试件一起进行显影、定影和漂白处理，而不与试件分离。漂白时黑白相间的振幅型光栅转变为凸凹相间的相位型光栅，因此可以采用蒸镀一层半透明的铝或铬薄膜的方法，增强其反射率，使光栅±1级衍射束的光强提高2-3倍从至十几倍。真空炉蒸镀铝膜时，应将胶片背面紧贴并固定在平面玻璃板上，在炉温等于室温时入炉，升温速度不得过快。铝膜层厚度不要超过8μm。
对已预制好的试件栅进行反射式实时云纹干涉法试验，可根据D.post提出的衍射倍增原理，采用的光路如图3，他比图2增加了一个物镜7和屏幕或照像机8，其余部分同图2。
栅线频率f的测定：由于调整光路时入射角a值只是大致接近预定值，故测量精度很大程度上取决于栅线频率测定的精确度。采用分光光度计测定衍射角，可以足够精确地确定栅线频率;也可以采用以下几何法测定光栅频率f.装置简图如图4所示，利用激光器1发出的光束打至半透镜2，再将待测栅板3调至与激光束垂直位置（零级衍射束沿入射方向返回），然后测量零级衍射束至屏幕4（也可以是一面墙）的距离a，+1，-1级衍射束至屏幕4的距离C1、C2及相应的距离b1、b2，即可根据余弦定理
b2 1＝a2+c2 1-2ac1Cosθ+1
得到θ+1＝arcCOS（ (a2+c1 2+b1 2)/(2ac1) ）
同理θ-1＝arcCOS（ (a2+c2 2-b2 2)/(2ac2) ）
则栅线频率f＝ (sinθ+1+sinθ-1)/(zλ)
实测结果表明，几何法测量结果与分光光度计测量结果的相对误差＜1%，显然，当距离a越大时，测量的相对误差越小。几何法的优点是不需要添置专用设备。
本发明的贴片云纹干涉法与国内外同类技术比较，有工艺简易，成本低廉（降低至 1/10 - 1/30 ），试验周期短（缩短至 1/10 - 1/20 ），灵敏度较传统云纹法提高30-40倍，试件栅频率，可按需要灵活调节等优点其条纹对比度良好，试验精度能满足工程试验要求。使用贴片云纹干涉法，一是可以较快实现贴片，二是可以在金属和陶瓷试件上贴片，经过两次曝光，很方便撕下贴片，进行各种后处理，三是也可以在试件上制造飞交栅，镀铝后进行实时观察。运用贴片云纹干涉法，可以测量物体表面位移、变形，并进行应变应力的分析。本项研究的成果，对云纹干涉法在我国的应用和普及将是一个有力的推动。
Claims (5)
1、本发明是利用物理光学和全息光栅原理。测量物体表面位移。变形的贴片云纹干涉法。其特征是采用专用的粘结剂。新的粘贴工艺，新分离工艺，控制栅频及测量精度的新方法，以及在制有全息光栅的胶片上真空蒸镀金属膜的技术。
2、根据权利要求1所说的贴片云纹干涉法，其特征在于对不透明对象采用TD-1L或TD-2L可分离粘结剂，对要求进行透射的实时观测对象采用TD-2L粘结剂，对要求胶片不分离及蒸镀金属膜的对象，采用TD-1L或TD-2L与TD-J粘结剂，按3∶1比例混合调匀使用。在需分离胶片时（用FGY-I型全息胶片）采用的粘贴工艺为：用丙酮或无水酒精对粘贴表面进行清洁处理;均匀的涂布薄层粘结剂;在保护全息胶片感光药膜不受污染和曝光的条件下，使其背面与粘贴表面平整地粘合;驱除气泡并在压块下固化;在室温为（18-25）℃条件下，固化时间为1-8小时;在粘结剂失去流动性但又未固结前，再用手术刀对多余外溢粘结剂进行清理。
3、根据权利要求1所说的贴片云纹干涉法，其特征是对测试对象在无载及加载条件下实行两次曝光后，采用了新的分离工艺，使胶片与试件完好并干净的分离，胶片与粘结剂接触后，应避免胶片与粘贴表面之间的相对移动;应在规定的固化时间和固化程度范围内进行加载试验及分离操作;应在整个胶片截面接近均布的不大的拉力作用下，使胶片与试件分离;分离操作尽可能在胶片浸入显影液条件下进行;胶片分离后仍粘有少量残余粘结剂时，可用醮洁净酒精的脱脂棉花或用软胶刷在酒精溶液中轻轻拭去，再放入显影液中至少2-10秒钟;直至完成显影为止。
4、根据权利要求1所述的贴片云纹干涉法，其特征是粘贴并接受变形信息的I型胶片，应在所研制的定影液配方中定影;定影液配方为：50℃800毫升蒸馏水，50-100克硫代硫酸钠，钾矾5-10克，全部溶解后，加蒸馏水至100毫升。
5、根据权利要求1所述的贴片云纹干涉法，其特征是对已制有全息光栅的胶片，可在下述条件下，真空蒸镀铝薄膜，和对胶片进行漂白处理;在自来水中冲洗2遍，顺序在50%，75%，100%乙醇水溶液中进行脱水处理各2分钟;用激光束照射时，其±1阶衍射束光强能达到总光强10%以上;真空炉蒸镀铝膜时，应将胶片背面紧贴并固定在平整的玻璃板上，在炉温等于室温时入炉，升温速度不得过快，铝膜层厚度不要超过8μm。
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