DE1295239B - Spannungsoptische Messeinrichtung - Google Patents

Spannungsoptische Messeinrichtung

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DE1295239B
DE1295239B DE1964C0033273 DEC0033273A DE1295239B DE 1295239 B DE1295239 B DE 1295239B DE 1964C0033273 DE1964C0033273 DE 1964C0033273 DE C0033273 A DEC0033273 A DE C0033273A DE 1295239 B DE1295239 B DE 1295239B
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DE
Germany
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stress
optically active
analyzer system
measuring device
optical
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Application number
DE1964C0033273
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English (en)
Inventor
Cernosek Jan
Miroslav Perla
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Czech Academy of Sciences CAS
Original Assignee
Czech Academy of Sciences CAS
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/168Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of polarisation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/241Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet by photoelastic stress analysis

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine spannungsoptische Meßeinrichtung mit einem Beleuchtungs- und Analysatorsystem und einem spannungsoptisch aktiven Körper, bei welchem auf beiden Seiten reflektierende Schichten vorgesehen sind.
  • Es ist bekannt, zur Messung der Deformationen von Hochbaukonstruktionen, Bergwerkseinrichtungen u. dgl. spannungsoptische Elemente zu verwenden.
  • Dies sind meistens Plättchen aus plastischen Stoffen, in welchen eine dauernde Doppelbrechung eingeprägt ist, die sich in Form eines oder mehrerer Interferenzstreifen senkrecht zur Längsachse des spannungsoptischen Plättchens manifestiert. Die Plättchen sind an der zu untersuchenden Konstruktion angeheftet. Die obere Fläche des Plättchens ist mit einer Polarisationsfolie, die untere Seite mit einer Reflexschicht versehen. Auf dem Plättchen ist sodann eine Skala angebracht, auf der die Lage des Interferenzstreifens, die von der Deformation des auszumessenden Konstruktionsteils abhängt, bestimmt werden kann. Der Lichtstrahl geht bei diesen bekannten Meßelementen zweimal durch den aktiven Körper.
  • Die Empfindlichkeit der geschilderten, bekannten Meßelemente ist im wesentlichen gegeben durch die optische Empfindlichkeit des Materials und dessen Stärke bzw. durch die eingeprägte Doppelbrechung.
  • Sie übersteigt nicht wesentlich die durch mechanische Deformationsgeräte erreichbare Empfindlichkeit. Insbesondere kann die Empfindlichkeit der geschilderten spannungsoptischen Elemente nicht ohne Einschränkung durch Vergrößern der Stärke erhöht werden, da die Ubertragung der Deformation des zu untersuchenden Objektes auf das spannungsoptische Plättchen dann Schwierigkeiten macht, und die Plättchen bei einer größeren Stärke insbesondere nicht mehr im ganzen Bereich durch gleichmäßige Spannung beansprucht würden.
  • Es ist nun bekannt (H. Wolf, »Spannungsoptik«, Springer-Verlag, 1961, S. 123 bis 127; Journal of Applied Physics, 30,5, Mai 1959, S. 785 und 786; Aircraft Engineering, 32, 380, Oktober 1960, S. 295), eine Verschärfung und Vervielfachung von Isochromaten durch mehrfache Reflexion zu erzielen. Dazu werden halbdurchlässige Spiegel verwendet, die auf beiden Seiten des zu untersuchenden Modells angeordnet sind. Wenn die Spiegel parallel sind und einen Durchlässigkeitskoeffizienten von T = 0,1 bis 0,2 haben, so ist eine Verschärfung der Isochromaten erreichbar. Wenn die Spiegel in einem kleinen Winkel zueinander geneigt sind, so kann eine Vervielfachung der Isochromaten erreicht werden. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht jedoch darin, daß beim Durchtritt durch die halbdurchlässigen Spiegel eine ganz erhebliche Herabsetzung der Intensität eintritt. Daraus ergibt sich aber, daß die Anzahl der Reflexionen begrenzt ist und damit auch nur eine begrenzte Verbesserung der beobachtbaren Isochromaten erreichbar ist. Überdies treten bei der bekannten Anordnung noch Schwierigkeiten bei der richtigen Ausrichtung und Scharfeinstellung auf.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sp annungsoptische Meßeinrichtung zu schaffen, welche bei einfacher und billiger Ausführung eine wesentliche Empfindlichkeitserhöhung gegenüber den bekannten Meßeinrichtungen erbringt.
  • Dies wird bei einer Meßeinrichtung der eingangs geschilderten Art dadurch erreicht, daß die Fläche einer der beiden Schichten kleiner ist als die ihr zu- gewandte Oberfläche des optisch aktiven Körpers und sie dieser Oberfläche derart zugeordnet ist, daß jeweils zwei durch die Schicht voneinander getrennte freie Abschnitte entstehen, und daß das Beleuchtungs- und Analysatorsystem derart angeordnet sind, daß das Einfallslichtbündel durch den einen freien Abschnitt in den Körper einfällt und nach mehreren Totalreflexionen an den Schichten durch den anderen freien Abschnitt in das Analysatorsystem gelangt.
  • Statt der halbdurchlässigen reflektierenden Schichten bei den bekannten Meßinstrumenten werden also nunmehr total reflektierende Spiegel verwendet, bei welchen lediglich ein Intensitätsverlust durch Absorption auftritt, welcher nur in der Größenordnung von 1 bis 20/0 liegt. Durch die Parallelität der Schichten kann die Anzahl der Reflexionen je nach Bedarf beliebig groß gewählt werden. Außerdem ist die Doppelbrechung im spannungsoptisch aktiven Plättchen über den ganzen Querschnitt konstant, so daß der Strahl in beliebigen Winkeln verlaufen kann. Daraus ergibt sich, daß die Beobachtungsrichtung und Scharfeinstellung im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen keinerlei Schwierigkeiten macht.
  • Der spannungsoptisch aktive Körper besteht vorzugsweise aus plastischem Stoff. Er kann nur mit der unteren Reflexschicht versehen sein, in welchem Fall die kleinere Reflexionsschicht an einem auf dem sp annungsoptisch aktiven Körper unmittelbar aufsetzbaren optischen Element des Analysatorsystems angebracht ist. Das optische Element des Analysatorsystems ist vorzugsweise ein Kontaktprisma. Natürlich kann die obere Reflexschicht auch direkt auf der Oberfläche des spannungsoptisch aktiven Körpers angebracht sein, wobei dann das Analysatorsystem kein Kontaktprisma mit Reflexschicht aufweist.
  • Meßeinrichtungen nach der Erfindung sind nachstehend an Hand von Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigt F i g. 1 den spannungsoptisch aktiven Körper ohne Beleuchtungs- und Analysatorsystem im Längsschnitt, F i g. 2 einen Schnitt gemäß C-C der F i g. 1 mit Beleuchtungs- und Analysatorsystem, jedoch ohne Kontaktprisma, und F i g. 3 einen Schnitt entsprechend F i g. 2, jedoch mit Kontaktprisma.
  • Der spannungsoptische Körper ist mit 10 bezeichnet. Er weist eine obere Reflexionsschicht 4 und eine untere Reflexionsschicht 5 auf. Er ist an zwei gegenüberliegenden Seiten mit Hilfe eines Klebemittels 11 auf einer zu untersuchenden Konstruktion 12 angeklebt.
  • Das Beleuchtungssystem umfaßt eine Lichtquellen, deren Lichtstrahlen durch einen Kollimator 2 und ein Polarisationsfilter 3 verlaufen, wobei die Polarisationsebene des Polarisationsfilters 3 zur Längs- und Querachse des spannungsoptisch aktiven Körpers 10 unter 450 geneigt ist.
  • Die Lichtbündel fallen dann auf den von der oberen Reflexionsschicht nicht bedeckten Teil der Oberfläche des Körpers 10 und dringen dann unter dem Winkel in den Körper ein. Anschließend erleiden die Lichtbündel an den beiden Reflexionsschichten 4 und 5 vielfache Reflexionen, bis sie am von der oberen Reflexionsschicht nicht bedeckten Teil der Oberfläche des optisch aktiven Körpers 10 wieder austreten.
  • Die aus dem Körper 10 austretenden Lichtbündel gelangen dann in das Analysatorsystem, welches gemäß F ig. 2 eine Blende 6, einen Ordnungskompensator 9, den Analysator 8 und das Okular 7 umfaßt.
  • In F i g. 3 ist an dem optisch aktiven Körper nur die untere Reflexionsschicht 5 angebracht. Die obere Reflexionsschicht 13 befindet sich an einem Kontaktprisma 14, welches auf die Oberfläche des Körpers 10 aufgesetzt ist. Die optische Verbindung zwischen dem Kontaktprisma 14 und dem optisch aktiven Körper 10 wird durch eine Kontaktflüssigkeit mit dem Brechungskoeffizienten des Körpers 10 hergestellt.
  • Die Deformationsmessung beruht nun auf der Messung der relativen optischen Doppelbrechung, die im optisch aktiven Körper 10 entsteht. Die weißes Licht liefernde Lichtquelle 1 ist im Brennpunkt des Abbildungssystems des Beleuchtungssystems angeordnet, so daß ein Bündel paralleler Strahlen erzeugt wird. Der Einfallwinkel oc wird so gewählt, daß der Strahl zwischen den beiden Reflexionsschichten 4 und 5 vielfach reflektiert wird. Infolge dieser Vielfachreflexion (Totalreflexion) wird der Weg im optischen Körper erheblich vergrößert, wodurch die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung gegenüber spannungsoptischen Elementen mit nur einer Reflexion um n + 1 erhöht wird.
  • C0s cos oc Die aus dem Körper 10 austretenden Lichtstrahlen treten durch die Blende 6 in das Objektiv, dessen Zweck darin besteht, den mittleren bzw. Längsschnitt des spannungsoptisch aktiven Körpers 10 in der Brennebene des Okulars 7 abzubilden.
  • Das Licht wird beim Durchgang durch den optisch aktiven Körper 10 elliptisch polarisiert. Die Analyse des Lichtes geschieht dann mit dem Kompensator 9, der aus der Kombination eines Ordnungskompensators, in welchem sich die Doppelbrechung um ganze Vielfache einer Wellenlänge ändert, mit einem elliptischen Analysator, wie z. B. den Senarmontanalysator, besteht. Der Senarmontanalysator entsteht durch die Kombination einer Vietelwellenplatte mit einem Polarisator, welche gegeneinander um eine gemeinsame Achse gedreht werden können. Mit Hilfe eines Ordnungskompensators kann die relative Doppelbrechung mit einer Genauigkeit ganzer Ordnungen vorkompensiert werden, während mit dem elliptischen Analysator die eigentliche Doppelbrechung mit einer Genauigkeit von 0,02 bis 0,01 im Bereich 1 bestimmt werden kann. Der Kompensator 9 ist in der Bildebene des Okulars angeordnet.
  • Der Ordnungskompensator besteht aus einem System von Plättchen mit dauernder Doppelbrechung, wobei die Plättchenstärke in einem solchen Verhältnis abgestuft ist, daß die relativen Phasenverschiebungen des Lichtstrahls beim Durchgang durch zwei be- nachbarte Plättchen sich gerade um eine Wellenlänge unterscheiden. Im Gesichtsfeld des Apparates befinden sich immer zwei solche Plättchen. Wird ein Satz von Plättchen derart ausgewählt, daß die gesamte relative Phasenverschiebung beim Durchgang durch den spannungsoptischen Körper 10 und den Ordnungskompensator im Intervall 0-1 liegt, so kann durch Drehung des Polarisationsfilters des elliptischen Analysators, der aus einer Viertelwellenplatte und einem Polarisationsfilter gebildet ist, eine maximale Verdunkelung im Gesichtsfeld des Apparates erreicht werden. Auf der Skala des Ordnungskompensators können die ganzen Ordnungen der relativen Doppelbrechung, und auf der Kreisskala des elliptischen Analysators die Bruchteile der Ordnung der relativen Doppelbrechung des Strahls abgelesen werden.
  • Ist der Ordnungskompensator nicht so eingestellt, daß die relative Doppelbrechung nach dem Durchgang durch den spannungsoptischen Körper 10 und den Kompensator 9 im Intervall 0-1 liegt, dann kann durch Drehung des Polarisationsfilters des elliptischen Analysators keine Verdunkelung erreicht werden; vielmehr wird das Gesichtsfeld immer verfärbt sein.
  • Mit dem Kompensator 9 kann die relative Doppelbrechung mit einer Genauigkeit von etwa 0,02 gemessen werden.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Spannungsoptische Meßeinrichtung mit einem Beleuchtungs- und Analysatorsystem und einem spannungsoptisch aktiven Körper, bei welchem auf beiden Seiten reflektierende Schichten vorgesehen sind, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Fläche einer (4) der beiden Schichten (4, 5) kleiner ist als die ihr zugewandte Oberfläche des optischen aktiven Körpers (10) und sie dieser Oberfläche derart zugeordnet ist, daß jeweils zwei durch die Schicht (4) voneinander getrennte freie Abschnitte entstehen, und daß das Beleuchtungs- und Analysatorsystem derart angeordnet sind, daß das Einfallslichtbündel durch den einen freien Abschnitt in den Körper (10) einfällt und nach mehreren Totalreflexionen an den Schichten (4, 5) durch den anderen freien Abschnitt in das Analysatorsystem gelangt.
  2. 2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinere Reflexionsschicht (13) an einem auf dem spannungsoptisch aktiven Körper (10) unmittelbar aufsetzbaren optischen Element (14) des Analysatorsystems angebracht ist.
DE1964C0033273 1963-07-02 1964-06-30 Spannungsoptische Messeinrichtung Pending DE1295239B (de)

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