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Verfahren und Vorrichtung zur fotoelastischen Dehnungsmessung Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur fotoelastischen Dehnungsmessung
vermittels auf den zu untersuchenden Gegenstand aufgeklebter, durchsichtiger Folien,
deren optische Bigenschaften durch die Dehnungsverformung verändert werden, und
eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Das Verfahren dient dazu, den
durch Einwirkung von Kräften, beispielsweise fluider Druck oder Einzellasten in
einem diesen Kräften ausgesetzten Gegenstand hervorgerufenen Spannungszustand durch
das Sichtbarmachen der dadurch hervorgerufenen Dehnungsverformung zu untersuchen.
Das Verfahren eignet sich besonders zur Untersuchung von Gegenständen, die infolge
ihrer geometrisch komplizierten Form und/oder der Vielzahl der auf sie einwirkenden
Kräfte einer rein rechnerischen Beurteilung dieses Dehnungsverhaltens nicht zugänglich
sind. Verfahren zur fotoelastischen Dehnungsmessung sind an sich bekannt, beispielsweise
aus Mesmer: Spannungsoptik,
Berlin 1Y39. is ist gleichfalls bekannt,
statt eines aus Glas oder Kunstharz gefertigten, durchsichtigen Modells des zu untersucllenden
Gegenstandes, das mit richtiger Sparlnungsverteilung und geeigneter Beleuchtung
in polarisiertem Licht beobachtet wird, das Dehnungsverhalten des zu untersuchenden
Gegenstandes selbst zu beobachten, indem die Spannllngsverteilung in durchsichtigen
Kunstharzfolien sichtbar gemacht wird, die auf den Gegenstand geklebt sind und infolge
ihrer festen Verbindung mit diesem in gleicher Weise verformt werden. Durch die
Verwendung von lichtreflektierendem Kleber wird eine Reflektion des polarisierten
Lichtes erreicht, so daR die beim zweimaligen Durchdringen der Kunstharzfolie auftretende
optische Anisotropie zur Bestimmung der Spannungsverteilung benutzt werden kann.
Die Hauptdehnungsrichtung und der Betrag der Hauptdehnungsdifferenz werden mit einem
Reflektionspolariskop bestimmt, für die Ermittlung der Hauptdehnungsbeträge ist
jedoch eine Vorrichtung erforderlich, die das Licht schräg in die Kunstharzfolie
einspiegelt, und eine zweite Messung ist erforderlich. Dies setzt den bekannten
Verfahren bestimmte Grenzen, und zwar bewirkt der schräge Lichteinfall eine von
der Foliendicke (die zumeist mehrere Millimeter beträg-t) abhängige Streckung des
Messpunktes zu einer Linie, auf der ein Dehnungsmittelwert gebildet werden muß.
Dieser Effekt ist bei der Untersuchung inhornogener Dehnungsfelder von Nachteil.
Um einen weit auseinanderlaufenden Strahler.-gang des schräg in die Kunstllarzfolie
eingespiegelten polarisierten Lichtes zu vermeiden, ist es ferner erEorderlich,
diese Spiegel in unmittelbarer ge der Folie anzuordnen. Dies ist besonders bei der
Untersuchung von
innendruckbelasteten Bauteilen mit Berstrisiko
oder an -geometrisch beschränkt zugänglichen Flächen unvorteilhaft.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur fotoelastischen
Dehnungsmessung, das die erwähnten Nachteile vermeidet, und eine Vorrichtung, die
zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der zu untersuchende
Gegenstand mit kohärentem Licht beleuchtet wird und die Interferenz zwischen den
an der der Lichtquelle zugewandten und den an der von derselben J abgegandten Oberfläche
der Folie reflektierten Lichtstrahlen gemessen wird. Dabei erreichen alle Lichtstrahlen
phasengleich die Oberfläche der Folie. Hier wird ein Teil des Lichstrahles direkt
reflektiert und der andere Teil durch die Folie dringen und erst an deren Rückseite
reflektiert.
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Dabei kommt es an der Folienoberfläche zu Interferenzen, deren Phasenlage
sich in bekannter Weise durch dehnungsabhängige Dickenänderungen der Folie und Anderungen
ihrer optischen Eigenschaften verschiebt. Das Dehnungsverhalten des zu untersuchenden
Gegenstandes wird dann durch das Beobachten der durch die Interferenzen hervorgerufenen
Hell-Dunkelwechsel an der Oberfläche der Folie ermittelt.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen,
daß der zu untersuchende Gegenstand mit kohärentem, polarisiertem Licht beleuchtet
und die Polarisationsachse des Lichtes abwechselnd in die Richtung der Dehnungsachsen
des Gegenstandes geschwenkt wird. Hierdurch werden die zwei Dehnungshauptrichtungen
erfaßt, indem
diese dann mit den Lichtachsen übereinstimmen, wenn
die in Intervallen vorgenommene schwenkung der Polarisationsachse zwischen zwei
Richtungen die größte Interferenzverschiebung verursacht. Werden die im Verlauf
der Verformung an einem Punkte des Gegenstandes aufgetretenen Hell-Dunkelwechsel
gezählt, und zwar für jede Richtung der Polarisationsachse einzeln, lassen sich.
die absoluten Dehnungsbeträge aus folgenden Gleichungen ermitteln:
= =a (Ny - bNx) (3) = =a (Nx- bNy) (4) Darin sind: x, y = die Indizes der Richtungen
der Polarisationsachse a,b = Konstanten für eine gegebene Folie und eine Lichtquellenlänge
= Dehnung A =Querkontraktion der Folie k = optische Empfindlichkeit der Schicht
X = Lichtwellenlänge t = Dicke der Folie
N = die Anzahl der Hell-Dunkelwechsel
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Quelle kohärenten, polarisierten, monochromatischen
Lichtes (Laser-Gerät), einer Vorrichtung zur Umwandlung des Lichtes in elektrische
Energie (Fotozelle) oder zu seiner fotografischen Fixierung (Foto- oder Filmkamera)
und einer auf den zu untersuchenden Gegenstand aufgeklebten, durchsichtigen Folie
besteht, die an ihrer der Lichtquelle zugewandten Oberfläche mit einem teilreflektierenden,
an ihrer von der Lichtquelle abgewandten Oberfläche mit einem vollreflektierenden
Belag versehen ist.
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Für die folgende Erläuterung der erfindungsgemäßen Vcrrichtung wird
auf die Zeichnung hingewiesen, in der Figur 1 den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispieles
der Vorrichtung, zeigt, und Figur 2 ein vereinfachtes Beispiel eines mit Hilfe der
Vorrichtung gewonnenen Meßdiagramms.
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Figur 3 zeigt, ebenfalls schematisch, ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung.
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In Figur 1 ist Teil 1 der Gegenstand, dessen Dehnungsverhalten untersucht
werden soll, und auf dessen Oberfläche eine hier übertrieben dick dargestellte,
lichtdurchlässige Folie (2) geklebt ist. Die Folie (2) itst an ihrer dem Gegenstand
zugewandten Seite mit einem vollreflektierenden Belag (3) und an ihrer vom Gegenstand
(1) abgewandten Seite mit einem -teilreflektierenden Belag (4) versehen. Die
Beläge
(3 und 4) können beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsprühen hergestellt sein.
Die Meßvorrichtung selbst besteht aus einem Laser-Gerät (5), bei dem in nicht näher
beschriebener Weise die Polarisationsachse geschwenkt werden kal-ln, aus einer Fotozelle
(6), einem Verstärker (7) und einem Anzeigegerät (8), das unter der Bezeichnung
x,y-Schreiber bekannt ist. Der vom Laser-Gerät (5) erzeugte Strahl kohärenten, polarisierten
und monochromatischen Lichtes wird auf den zu untersuchenden Punkt des Gegenstandes
(1) gerichtet und je zum Teil von den Belägen (3 und 4) reflektiert.Hierdurch entstehen
Interferenzen, die in bekannter Weise auf der dem Laser-Gerät (5) zugekehrten Oberfläche
der Folie (2) als Hell-Dunkelwechsel sichtbar werden. Das von den Belägen (3 und
4) reflektierte Licht trifft auf die Fotozelle (6), die auf den gleichen Punkt des
Gegenstandes (1) ausgerichtet ist, wie auch das Laser-Gerät (5). Wird der Gegenstand
(1) verformt, und mit ihm die Folie (2), tritt in dieser eine Dickenkontraktion
und eine Anderung ihres Brechungsindexes auf. Die Interferenz der reflektierten
Lichtstrahlen und die von ihnen auf der Oberfläche der Folie (2) hervorgerufenen
Lichtmuster ändern sich gleichfalls. Die Änderung in der Intensität des zur Fotozelle
(6) reflektierten Lichtes bewirkt eine Änderung des in ihr erzeugten elektrischen
Stromes, der über den Verstärker (7) dem Anzeigegerät (8) zugeführt wird, Dieses
Gerät macht, wie aus der Figur 2 ersichtlich, die Intensität (I) des zur Fotozelle
(6) reflektierten Lichtes in Abhängigkeit von der Belastung (P) sichtbar, der der
Gegenstand (1) unterworfen wird.
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Wird das Laser-Gerät (5) in bestimmten Intervallen um z.B.
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900 um seine Polarisationsachse geschwenkt, können bei
entsprechender
Steuerung des Anzeigegerätes (8) in diesem die Intensitäts-Belastungskurve für jede
der beiden Dehnungsrichtungen sichtbar gemacht werden, was in der Figur 2 durch
die mit x und y bezeichneten Kuren dargestellt'ist.
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Bei ausreichender optischer Qualität der Folie (2), die verhindert,
daß die Interferenzlinien vom Zentrum des Lichtstrahles ausgehend schnell in ein
gemischtes Grau übergehen, ist es möglich, Dehnungen über einen gewissen Flächenbereich
zu erfassen. Die-Figur 3 zeigt ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, in der die Fotozelle (6) durch eine fotografische Kamera (9) ersetzt
ist. Mit Hilfe der Kamera (9) werden die Hell-Dunkelwechsel in dem Bereich der Folie
(2), in dem noch unterscheidbare Interferenzlinien auftreten, im Rhythmus zum Polarisationsrichtungswechsel.
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und zur Änderung der Belastung des Gegenstandes (1) fotografisch festgehalten.
Werden die mit Hilfe der Kamera (9) hergestellten Bilder in hier nicht dargestellter
Weise beispielsweise auf eine Leinwand projiziert, kann jeder Punkt dieses Bereiches
untersucht werden. Um die Parallaxe zwischen dem Laser-Gerät (5) und der Kamera
(9) auszuschalten, weist die in der Figur 3 beschriebene Vorrichtung einen halbdurchlässigen
Spiegel (10) auf, der in bekannter Weise bewirkt, daß der .von den Belägen (3 und
b) in entgegengesetzt gleicher Richtung zurückgeworfene Lichtstrahl teilweise in
Richtung auf die Kamera (9) abgelenkt wird.