传感器原理及应用-光弹效应.ppt

传感器原理及应用 光弹效应,杨广益,光弹效应,光弹效应（photo-elastic effect）：也称作光弹性效应，又作双折射效应。它是物质的弹性形变，产生双折射，引起其折射率发生变化的现象。当外力或振动作用于弹性体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质，这种有内应力的透明介质中o光和e光折射率不相等，它与应力分布有关。这种现象即为光弹性效应。,塑料、玻璃、环氧树脂等非晶体在通常情况下是各向同性而不产生双折射现象的，但当它们受到应力时，就会变成各向异性显示出双折射性质，这种现象称为光弹性效应。,例如,把塑料膜拉紧后夹在两块偏振片之间，通过白光观察可以看到彩色图样，拉图改变，彩色图样也发生变化，显示出双折射现象，其变化随应力变化。,又例如,玻璃在制造过程中，由于冷却不均匀，使内部受到不同程度的应力，导致其自行破裂。把玻璃放在两块偏振片之间观察应力引起的双折射现象，就可以检查出内部应力的分布情况，在单色光照射下可以看到明暗交替的花样；在白光照射下，则显示出彩色花样。为了消除光学玻璃的内部应力，在磨制光学元件例如天文望远镜的镜头等之前，必须进行缓冷处理和偏振光检查。,双折射现象,光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。他们为振动方向互相垂直的偏振光。光在非匀质体中传播时，其传播速度和折射率值随振动方向不同而改变，其折射率值不止一个。光波入射非均质体，除特殊方向以外，都要发生双折射，分解成振动方向不同，传播速度不同，折射率不等的两种偏振光，此现象称为双折射。,放置在方格纸上的方解石显示出双折射现象,双折射现象，光学现象的一种，可以用光的横波性质来解释。当光照射到各向异性晶体（单轴晶体）时，发生两个不同方向的折射；其中一个遵守折射定律的称为o光（寻常光），另一束不遵从折射定律的称为e光（非常光），这两束光都是偏振光。,光线从一个特殊的角度射入晶体是不会发生双折射现象，这一角度称为晶体的光轴。,o光寻常光（ordinary ray）e光非常光（extraordinary ray）,光弹效应的原理,各向同性介质在某一方向受压力或拉力作用时，在这方向上就形成介质的光轴，若这时出现的o光和e光的折射率分别为no 和ne，则它们通过厚度为 的物体后产生的光程差为=(no-ne)实验表明，在一定的应力范围内折射率之差与应力 P 成正比，即no-ne=C*p式中C为介质的材料系数，它和材料的性质有关。,这样，两束光经厚度为 的形变介质层后，所得的光程差为=(no-ne)=cp其位相差即为=2(no-ne)/=2cp/这两束光经形变介质后又射至检偏器，这时两束光都成为振动面平行于偏振器主截面的平面偏振光，因而能够通过检偏器，由于它们频率相同，有固定的相位差，振动方向又相同，因而能产生干涉，干涉的结果决定于它们的位相差。,如果形变介质受力是均匀的，那么观察到的彩色是相同的，如果形变介质受力是不均匀的，有的地方出现的颜色也就不同，如果应力分布相当复杂，那就会呈现出五彩缤纷的复杂图案。,利用这个方法来研究介质应力的分布，目前已发展成为一个专门的学科光测弹性学，它为工程设计解决了极其复杂的应力分析问题。,在外界动力作用的影响下，液体也能发生光学的各向异性，举例来说，液体在两个同轴圆筒（一个固定，一个转动）间流动而发生速度梯度时，即表现出双折射性能，折射率差值可达相当大的数值；液流方向和液体光轴之间的夹也很大。被超声振动激发的液体中，也发现了双折射现象，这也是由于在声波场中存在液体速度梯度的缘故。,光弹效应实验,1、观察光弹材料受力后由各向同性变为各向异性所引起的应力分布图样。2、区分等倾线和等差线。3、使用1/4波片消去等倾线。4、使用专用应力分析软件进行应力分析（需选购件）。仪器特点：压力数值显示光源 220V,30W偏振片的 有效通光孔径：58MM,1/4波片的 有效通光孔径58MM,光弹效应的应用,通过光弹性效应，研究材料内部的应力情况例如.设计大吊钩时，要知道实际使用时内部的应力分布情况。可用透明的环氧树脂制成模拟吊钩，通过光弹效应，了解内部应力的分布,Thats all!Thank you!,