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[!--downpath--]光弹实验报告 一、实验目的 1.了解光弹仪各部分的名称和作用，掌握光弹仪的使用技巧。 2. 观察光弹模型在受力后在偏振场中的光学效果。 3、掌握平面偏振光场和圆偏振光场的产生原理，以及调框（起偏器、检偏器、1/4波片）的技巧。 4、通过圆盘直径的压缩检测物料的白色系列，通过实验得到两端压缩方块中心截面的挠度。 5、用理论公式估算方块中心截面的挠度，并与实验数据进行比较，判断实验数据的准确性。 2、实验原理与方法首先介绍了极化的概念。 如果光波只在垂直于传播方向的平面内的某一方向振动，并且光波传播方向上所有点的振动都在同一平面内，则这种光波称为平面偏振光。 双折射：当光波入射到长石、云母等各向异性晶体上时，通常会分解成两束折射光线。 这些现象称为双折射。 从双折射晶体平行于其光轴切出薄片，一束平面偏振光垂直入射到该片上，光波分解为两束振动方向相互垂直的平面偏振光，其中一个比另一个大。 一束光束相对较快地穿过晶体。 因此，当薄膜发射时，两束光波形成相位差。 这两个振动方向的平面极化相互垂直，它们的传播方向相同，频率相等，振幅可以改变。 假设这两束光的平面偏振为： (1) (2) 式中-振幅-两束光波的相位差 结合以上两式(1)和(2)，消去时间t，即合成光路上一点 光矢量末端的运动轨迹方程，这个方程通常是一个椭圆多项式，如果 ，那么这个方程就变成了一个圆的方程： (3)合成光矢量的末端轨迹在光路上任一点的偏振称为圆偏振，在光路的每一点，合成光矢量的末端轨迹为螺旋线.
因此，要形成圆极化，必须有两个平面极化，其振动面相互垂直，但频率相同； 等振幅； 和 π/2 的相位差。 例如，当平面偏振光入射到具有双折射特性的薄片上时，会分解成两束振动方向相互垂直的平面偏振光。 当入射平面偏振的振动方向与两束平面偏振光的方向成45°时，分解出的两束平面偏振光的振幅相等。 由于两束光在薄片中的传播速度不同，穿过薄片后，就形成了相位差。 只要适当选择薄片的长度，使相位差为π/2，即可满足形成圆偏振的条件。 因为相位差π/2相当于光程差λ/4（λ—波长），所以这种薄板被称为四分之一波片。 在波片上，平行于行进速度较快的偏振光片振动面的方向线称为快轴，垂直于快轴的方向线称为慢轴。 平面偏振光排列中的光弹效应：光弹法的本质是借助光弹仪检测光程差的大小，然后根据偏转光学定理（式4）确定主偏转差。 . (4) 如图1所示，符号P和A分别代表起偏器和检偏器的偏振轴。 将受平面偏转的模型置于两个镜框之间，以单色光为光源，让光线垂直穿过模型。 设模型上o点主偏斜σ1与偏振轴P的倾角为ψ（图2）。 图 1 正交平面偏振光排列中的力模型 图 2 偏振轴与偏转轴的相对位置 圆偏振光排列中的光弹效应：在平面偏振光排列中，如果单色光作为光源 力模型中同时出现两种黑线，即等倾线和等比例线。 这两种黑线同时形成，相互影响。
为了清除等斜线并获得清晰的等距线图案以提高实验精度，在光弹性实验中经常使用双正交圆偏振光排列。 各镜轴与偏转主轴的相对位置如图（3）所示。 图 3. 力模型排列成双正交圆极化排列 in a 。 消光（即）发生的条件是光程差是波长的整数倍，所以形成的白色等高线是整数级。 ，即分别为 0 级、1 级、2 级……。 平面元件偏振光排列的消光条件是光程差是半波长的质数倍，所以形成的白色轮廓线是半阶的，即分为0.5级、1.5级、2.5级、 ....轮廓线白层元素的确定：在双正交圆偏振光排列中，力模型呈现以暗场为背景的等高线图，每一个白层的级数为整数层，即即，N=0, 1 , 2.... 首先确定N=0的点（或线）。 属于N=0的点称为各向同性点，即模型上主挠度差为零的点（即σ1=σ2或σ1=σ2=0）。 该点的光程差为Δ=0，所以对于任何波长的光都熄灭产生黑点，对应的白电平为零电平。 只要模型的形状不变，载荷的点和方向不变，黑点或黑线的位置就不会随着外载荷的变化而变化。 零级白的判断方法如下： 1）使用白光源弹力大小的实验报告单，在双正交圆偏振光排列下模型上出现的蓝色横条纹（点或线）属于零级白。 由于光程差为零，对任何波长的光都会发生消光，从而产生黑色和白色。 对于其他非零白色（N≠0），光程差不为零，所以都是有色的。 2）在模型的自由方角上，由于σ1=0和σ2=0，对应的白色系列N=0。 3）在拉伸挠度和压缩挠度的过渡处必须有一个零级的白色。由于挠度分布是连续的，所以在拉伸挠度到压缩挠度的过渡之间必须有一个挠度为零的区域，并且它的白色系列 N = 0。 确定零级白色，根据偏转分布的连续性可得到其他白色系列。
连续性按顺序计算出来。 白色系列的增加方向（或减少方向）可以通过使用红色光源并观察其等色线的颜色变化来确定。 当颜色变化为黄、红、蓝、绿时，就是级数递减的方向，反之就是级数递减的方向。 三、实验装置及模型 1、实验装置 本实验采用平行光光弹仪，如图4所示。 图4 平行光光弹仪光路1—光源2、6—透镜3—偏光片4 —模型5—分析仪 7—光屏 8、9—四分之一 波片与光弹仪配合使用前，必须检查调整各框的位置以满足实验要求。 调整步骤如下： (1) 调整光源、各镜框、镜片的高度，使它们的中心线在同一水平线上。 (2) 正交面偏振排列的调整：首先，取下两个四分之一波片，旋转一个偏振片，使暗场出现，说明它们的偏振轴相互正交。 然后，打开白光源，将标准试件放在加载架上，使试件所在平面与光路垂直，并使其在垂直方向上承受径向压力。 同步旋转偏振器和分析器，直到磁盘幻影上出现正交黑色十字。 这表明两帧的偏振轴是正交的，但一个偏振轴在水平位置，另一个在垂直位置。 此时两框的指示刻度分别为0度和90度。 (3)双正交圆偏振光排列的调整：在调整后的正交平面偏振光排列中，先放一个四分之一波片，旋转它，使分析仪看到的光场最大。四分之一波片的慢轴分别平行于起偏器和检偏器的偏振轴。
然后将四分之一波片向任意方向转动45度，将第二个四分之一波片放入，旋转使光场再次最黑。 此时，两个四分之一波片的轴线相互正交，四个镜框形成所谓的双正交圆偏振光排列。 此时四分之一波片的指示刻度应为45度。 二、实验模型 模型材料为多氯脂，模型为带孔的正方形薄片，如图5所示。 图5 实验模型 四、实验步骤 1、模型白度值的测定 1) 测量原理 几何结构径向压缩圆盘的规格如图6所示。根据弹性热理论，圆盘中心的挠度为公式（5） (5) 从光弹性实验的等值线图中，白色系列N在中心测量圆，计算材料的白度值如式(6) ( 6) 图6 圆盘几何规格 2) 实验步骤及估算 a) 依次对模型施加不同载荷，但相差9.5N，观察不同负载下圆心的白色系列，记录数据。 （重复多次） b) 计算ΔN，ΔN=0.8125水平。 c) 检查模型的半径D和长度h弹力大小的实验报告单，D=44mm，h=5mm。 d) 将式(6)改写为式(7)，将值带入式(7)得=0.667N/mm·级。 (7) 2.得到试验模型的等高线图 1)将试验模型固定在试验装置中，并在试验模型上加280N的载荷。 2) 模型上出现等高线图，用单反相机拍照，如图 7 所示。 图 7 模型等高线图 五、实验估计 1. 在模型中间的横截面上，只有拉压挠度和弯曲挠度受到影响，所以中间横截面的挠度是两者之和。
拉压挠度估算公式如式(8)所示，弯曲挠度估算公式如式(9)所示。 (8)(9)2。 根据等高线图，在截面上的一些点上画出级数，最后根据这个点拟合出一条直线。 如图8所示。 图8 实验数据处理结果 3. 根据图8，模型受力后，中性层产生偏斜。 从图中可以明显看出，在没有受力的情况下，中性层与实际中性层的距离为4.06mm。 在实际中性层=+=0N/mm2。 =1.77N/mm2，所以=-1.77N/mm2。 4. 通过估算剪切力，=4.06mm，==1575.8mm4，所以=0.69N•m。 6. 理论估算 首先根据理论公式估算方块中心截面的挠度 图9 给出了模型解：沿水平半径切割方块。 从荷载的对称性可以看出，截面上的弯矩为零，只有轴力和挠度。 借助平衡条件很容易求得，所以只针对冗余约束，记为 。 正方形的纵横方向对称，只能研究正方形的四分之一（如图9）。 由于对称截面A和B的角点为零，这样可以以截面A为固定端，截面B的角点为零作为修正协调条件，记为(10). 时，B段角为 ，单独行动时，B段角。今天的估计和。 根据单独加图作用下的挠度图，得到单位质心矩下的挠度图(11) (12)，所以(14)中的(13)最终得到(15)，并将其带入参数估计。 最后的中段也受到压缩挠曲，所以中性层偏斜了一定距离，现在我们从理论上估计中性层的位置。 估计压缩挠度 (16)(17) 以便中性层与中点的距离。 7、实验评价 偏差估计值： (18) (19) 计算偏差在10%以内，实验结果符合要求。