光弹性实验报告

光弹效应实验报告

光弹效应实验报告

光弹效应实验是由荷兰物理学家快活Ernst Florens Friedrich Chladni于1808

年发表的一项研究，它的出现引起了许多有关变温的争议。实验的目的是研究可能形成的熔化和冷却的情况，以解释其是否受到温度的影响。这项实验是通过一个带有红外热传感器,电荷传感器,温度传感器和试验室光纤等特定设备，使用一系列光源连续激发某种流体，通过变温器将其温度梯度控制在一定间隔的参数来实现的。

实验结果表明，当光辐射设备投射在某一定的温度范围内，，流体就会出现熔化，形成熔滴，而冷却的话也会表现出变化，温度的变化是跟光的热量及持续程度有关的，短而重复的光波在极短的时间内也可产生其物理和化学变化效应。这一结果证明，光能将其热量转换成物质运动，因此具有非常重要的意义。

当今，光弹效应实验在科学研究、光学、冶金等领域被广泛应用，它的发展丰

富了研究者的视景，领略了光的神奇力量，并且让人们意识到光的强大作用。此外，光弹效应也为我们提供了新思路，提高气体中物质运动的效率，大大改善了物理实验的质量以及工业仪器的使用效率。

总而言之，光弹效应实验已经发挥了重要作用，取得了巨大成就，它不仅提供

了重要的研究资料，也为我们提供了新思路，可以改善生产技术，实现更加高效的信息传递、精确的物质流动和高效的物质运行。同时，也可以帮助人们更好的理解光的秘密，不断探索它带来的新发现。

光弹实验报告

光弹实验报告

Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】

光弹性应⼒测试

实验报告

指导教师：王美芹

学院：

班级：

学号：

姓名：

⼀、实验内容与⽬的

1．了解光弹性试验的基本原理和⽅法，认识偏光弹性仪；

2．观察模型受⼒时的条形图案，认识等差线和等倾线，了解主应⼒差和条纹值得测量；

3．利⽤图像处理软件，对等倾线和等差线条纹进⾏处理。

⼆、实验设备与仪器

1．由环氧树脂或聚碳酸酯制作的试件模型⼀套；

2．偏光弹性仪及加载装置。

三、实验原理

光弹性实验主要原理是根据光的这⼀特性：光在各项同性材料中不发⽣双折射，⽽在各向异性的材料中发⽣双折射，且光学主轴与应⼒主轴重

合。模型材料在受⼒前为各向同性材料，受⼒后部分区域变成各向异性，然后再根据光的⼲涉条件可知，在正交平⾯偏振场中，当光程差为波长整数倍时（等差线）或者模型应⼒主轴与偏振轴重合时（等倾线）光的强度

为零，相应地显⽰出来的条纹为暗条纹，⽽在平⾏平⾯偏振场中，根据⼲涉条件可知，在正交平⾯偏振场中的暗纹条件恰好为平⾏平⾯偏振场亮纹的条件。然⽽，等倾线和等差线在⼀个图像上显⽰，难免会使图像不清晰，为了改进实验，我们在实验中把平⾯偏振场改为圆偏振场，这样就可以得到清晰的等倾线，它与平⾯偏振场的区别是在装置的模型两侧分别加了⼀个四分之⼀波⽚，当然了，也可以通过快速旋转正交偏振轴，快到应⼒模型上不同度数等倾线的取代过程⽤⾁眼分辨不出来来消除等倾线的影响。

应⼒模型所使⽤的仪器为偏光弹性仪，由光源(包括单⾊光源和⽩光光源)、⼀对偏振镜、⼀对四分之⼀波⽚以及透镜和屏幕等组成，其装置简图1。

光弹性效应

一实验原理

（一）光弹性效应

光弹性：某些介质，在自然状态下式各向同性的，没有双折射性质。但当受到机械力作用时，将成为光学各向异性，出现双折射现象。这种双折射是暂时的，应力解除后即消失。

我们称具有明显光弹性效应的物质为光敏物质；光弹性效应微弱的物质为非光敏物质。

光弹仪的原理：

，σ为内应力

（二）全息光弹法

两次曝光法当模型未加力时，让物光和参考光同时投到全息干板上作第一次曝光，模型加上力后，再做第二次曝光。将全息干板显影、定σk n n e =-0

影，得到全息图。放回原来位置，遮蔽物光，让参考光照射全息图，这时候迎着原物光方向观看，即可看到实验模型的立体虚像，通过望远镜可看到虚像中有明暗相间的干涉条纹，即为等和线。此方法适用于非光敏物质。

一次曝光法：只在模型受力时作一次曝光，其余操作和两次曝光法一致。将能看到等差线，该法适用于光敏物质。

（三）等和线&等差线

形成原因：两次曝光法得到的光强分布为：

若取非光敏物质做成模型做两次曝光，由于ηc ≈0，则上式成为：

那么，当ηρ=0，±1、±2….相应点成为亮条纹，即沿同一条纹各点有相同的ηρ。而ηρ与主应力之和（σ1+σ2）成正比，因此同一条纹各点主应力之和相等。称之为等和线。

二实验过程

1. 打开激光器，激光束打到分光镜有膜一面（中间的一块）；

2. 在模型后20cm 左右位置放置白屏，记录位置；

3. 调节反光镜，使物光光束透过模型中心，打到白屏上，调节参考光光路反光镜，使参考光光点和物光光点重合；

4. 测量两路光程，要做到差距在1cm 之内；

分掰式卡瓦在工作时都处于复杂的应力状态，而且作用在油井多工况的介质中，这就给精确的理论分析与计算结果带来很大困难。因此，必须首先借助于较为精确的实验分析方法确定它的边界受力条件，然后再进行理论分析与计算，而光弹性正是其中比较理想的一种实验方法。它是目前研究结构和零部件应力分布的有效手段，具有直观、全面、实时等优点，对测定构件的边界应力和应力集中更具特色。从力学强度观点分析，本研究课题首先应采用光弹法确定分掰式卡瓦从坐封到贴紧套管内壁这个阶段其内部的应力分布及对套管内壁接触应力的大小，然后用理论计算进行校核。因此，利用光弹性原理对卡瓦模型进行冻结切片处理，根据光弹性和模型相似理论换算出实物卡瓦中各点应力大小和方向，是研究本课题的技术关键之一。

光弹性是一种利用偏振光进行应力测量的方法。它采用具有暂时双折射性能的透明

塑料(本实验使用环氧树脂材料)制成与实物形状几何相似，并使模型受力情况与实物载荷相似，在高温应力冻结后，根据三维应力分析的需要对应力冻结的模型进行切片，将各切片置于偏振光场中，可获得等差线和等倾线的干涉条纹图。这些条纹显示了模型边界和内部各点的应力情况，按照光弹性原理，即可计算出模型各点应力的大小和方向，实物上的应力可根据模型相似理论换算求得。以下是本课题光弹实验中所用的几个基本原理

[102]

。2.1.1 应力－光学定律

当光线进入具有暂时双折射效应的光弹性材料时，由于应力的存在，光线将沿主应

力方向分解为沿主轴方向偏振的平面偏振光。该偏振光的传播速度与该方向的折射率有关。无应力时材料的折射率N

光弹性实验

实验指导（for students）

一、实验目的

（一）认识光弹仪各部件的名称和作用，初步了解光弹性实验的基本原理和方法。

（二）观察光弹性模型受力后在偏振光场中的光学效应。

二、预习要求

在实验前，阅读教材中有关光弹性实验的内容，了解光弹性实验的基本原理。

三、仪器设备及工作原理

（一）实验设备：光弹仪（409—Ⅲ型）

（二）试件：

1. 带孔平板拉伸试件；

2.圆盘压缩试件；

3.纯弯曲梁试件；

4.伞齿轮三维切片试件。

（三）光弹仪构造及工作原理

1.光弹仪构造

光弹仪由光源、准直透镜、起偏振镜、1/4波片、加载架、1/4波片、检偏振镜、视场透镜、屏幕或相机等部件组成。

2.光弹仪工作原理

光源发出的单色光，经过起偏振镜后，变成一束平面偏振光，其振动方向与起偏振镜的偏振轴一致。此偏振光通过受力模型的某一点时将产生双折射现象，即入射的偏振光沿两个主应力（σ1，σ2）方向分解为两束相互垂直的偏振光，而且分解后的两束偏振光在模型内的传播速度不同，所以它们离开模型时就产生了光程差△，经推导可知，光程差△与主应力差σ1-σ2，模型厚度h，以及模型材料本身的光学常数C有关：△=Ch（σ1-σ2），此式称为应力——光学定律。

为了测量△，需要把两束出射光波变成在一个方向上振动的光波，才能产生光的干涉，因此在模型后面放入另一个偏振镜，其偏振轴与起偏镜的偏振轴相互垂直，称为检偏振镜。这样，两束出射光波通过检偏振镜后将在一个面上振动(沿检偏镜的偏振轴方向)，当两束光波相位相同时，光强得到加强；当两束光波相位相反时，光强将减弱。因而形成明暗相间的干涉条纹。根据这些条纹（等差线、等倾线）可以得到该点的主应力差和主方向，再配合其他方法（如剪应力差法、斜射法）即可求得该点的两个主应力及对应的主方向。

光弹性实验总结报告

光弹性实验总结报告

光弹性实验是一种基于光的材料性能测试方法，通过测量材料在光作用下的力学响应来研究材料的弹性性质。在本次实验中，我们使用了一台光弹性仪，对不同材料进行了测试，并对实验结果进行了分析与总结。

首先，我们选择了五种常见材料（金属、塑料、橡胶、木材和陶瓷）作为实验样本，确定了它们的几何形状和尺寸，并在实验仪器中安装调整好样品。然后，我们使用了一束激光照射到样品表面，在测力传感器的作用下，实时记录样品的位移和力。

在实验过程中，我们发现不同材料在光照下会呈现出不同的弹性行为。金属材料在受到光照射后表现出较小的变形和较大的弹性恢复，这是因为金属具有较高的弹性模量和强度。相比之下，塑料和橡胶材料在光照下会有较大的变形，并且较低的弹性恢复，这是因为它们相对较低的弹性模量和强度。

此外，我们还观察到木材和陶瓷材料在光照射下的行为与金属、塑料和橡胶材料有较大的差异。木材在受光作用下表现出较小的变形和较大的弹性恢复，这是由于木材具有纤维状结构和较高的纤维间键合强度。陶瓷材料在光照下则显示出较大的变形和较低的弹性恢复，这是因为陶瓷的结构相对松散且易碎，容易发生永久性变形。

通过对实验结果的分析，我们可以得出结论：光弹性实验是一

种有效的材料性能测试方法，可以用于研究不同材料的弹性性质。不同材料在光照下会呈现出不同的弹性行为，这与材料的组成、结构和强度有关。金属材料具有较高的弹性模量和强度，而塑料和橡胶材料则具有较低的弹性模量和强度。木材具有纤维状结构和较高的纤维间键合强度，因此在光照下的弹性行为与金属、塑料和橡胶材料有所不同。陶瓷材料的结构相对松散且易碎，容易发生永久性变形。

光弹实验报告范文

一、实验目的：

1.通过实验观察光弹在空气中的运动规律。

2.测量光弹的实际发射速度。

3.了解光弹的形态特征。

二、实验原理：

光弹是一种轻型的抛射物，主要由光能产生的气体压力驱动。当光弹

从枪口发射出去时，由于光弹轻巧，其转动惯量相对较小，因此可以忽略

不计。光弹的发射速度主要由光能的转化效率决定。

三、实验材料与仪器：

1.光弹枪：用于发射光弹；

2. 光弹：实验中使用的光弹为直径为10mm，质量为0.1g的圆柱形；

3.光电探测器：用于测量光弹的实际发射速度。

四、实验步骤：

1.将光弹装入光弹枪，并调整光弹枪的角度和弹压，使得光弹能够飞

出实验区域；

2.将光电探测器放置在实验区域的一侧，并调整其位置，使得光弹飞

出后能够被光电探测器接收到；

3.准备好计时器，并将其置于实验区域的另一侧；

4.开始实验，观察光弹的发射及飞行过程，并通过计时器测量光弹从

发射到被光电探测器接收的时间。

五、实验结果与分析：

根据实验所得数据，我们可以计算出光弹的实际发射速度。假设光弹

的飞行距离为d，时间为t，则光弹的实际发射速度V可以通过V=d/t计

算得出。

同时，通过观察实验过程中光弹的形态特征，我们可以了解光弹的飞

行轨迹和旋转情况。光弹在空气中飞行时，由于空气阻力的存在，其飞行

轨迹会逐渐偏离直线，并且受到旋转力矩的作用，光弹会呈现出旋转运动。

六、实验结论：

1.光弹的实际发射速度与光弹的飞行距离和时间相关，通过计算可以

得到准确的数值。

2.光弹在空气中飞行时呈现出旋转运动，其轨迹逐渐偏离直线。

七、实验总结：

通过本次实验，我们观察了光弹在空气中的运动规律，并测量了光弹

平面光弹性实验

一：实验目的

（1）学会绘制等倾线图。

（2）用剪应力差法计算标准模型中某一截面上的应力分布。

二：实验步骤

（1）安装好数码光弹仪。

（2）调整好光弹仪各镜轴位置，使之成为正交平面偏振布置。

（3）调整加载架，安装标准试件。

（4）按一定角度间隔小心旋转加载架，观察等倾线图。

（5）绘制等倾线图，安装标准试件。

（6）调整光弹仪各镜轴位置，在双正交圆偏振布置下绘制等差线图，并确定条纹级数。

三：数据分析

1：绘制剪应力图。

第一步先跟据不同角度拍摄的图片，帮等倾线画出来。由于对径受压圆环对称轴是两条等倾线，我选这两条等倾线为坐标轴，我采取的方式是将在白光照射时应力很小时的图片都放在ps中，将所有的图片都旋转到同一个角度（由于做实验的时候模型在旋转），之后根据不同图片等倾线直接绘制等倾线图。

2：根据剪应力差法计算一截面上的应力分布。

在圆偏振布置红色光线照射下的图片上选取线OK作为要计算的截面，在OK 上等距的选取六个等分点从左到右分别为0，1，2，3，4，5，6填入下面剪应力差法计算表格第一列，再选取俩辅助截面AB，CD，与OK的距离都是dy/2。

其中dx/dy=2，且将AB，CD也5等分，如下图所示。

有上面等差线和等倾线条纹图，测量OK，AB，CD截面上各分点的等差线条

纹级数N和等倾线角度θ。不过θ是σ

1与x轴的夹角还是σ

2

与x轴的夹角还

是待定，不过由于竖直的等倾线上点θ=0.水平θ=90，则很容易判断θ的大

小。

τ

xy

=Nfsin2θ/2h

这里f是需要通过计算得到。

Δσ=σ

1-σ

2

=Nf/h，

光弹性实验

一．实验目的

1.光弹性实验是一种光学的应力测量方法，是材料力学实验的重要组成部分。通 过该实验熟悉光弹性等色条纹级次的判定方法。

2.理解材料条纹的力学意义 二．实验原理

塑料、玻璃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。但是当它们受到应力的时候，就会变成各向异性而显示出双折射性质，这种现象称为光弹性效应。

光弹性法的光源有单色光和白光两种，单色光是只有一种波长的光；白光则是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种单色光组成的。发自光源的自然光是向四面八方传播的横振动波。当自然光遇到偏振片时，就只有振动方向与偏振轴平行的光线才能通过，这就形成平面偏振光，其振动方程为

vt

A u λ

π

2sin

= （1）

式中A 为光波的振幅，λ为单色光的波长，v 为光波的传播速度，t 为时间。根据光学原理，偏振光的强度与振幅A 的平方成正比，即

2

KA I = （2） 比例常数K 是一个光学常数。

用具有双折射性能的透明材料（如环氧树脂塑料或聚碳酸脂塑料）制成与实际构件相似的模型，并将它放在起偏镜和检偏镜之间的平面偏振光场中（见图1）。当模型不受力时，偏振光通过模型并无变化。如模型受力，且其某一单元的主应力为1σ和2σ，则偏振光通过这一单元时，又将沿1σ和2σ的方向分解成互相垂直，传播速度不同的两束偏振光，这种现象称为双折射。由于两束偏振光在模型中的传播速度并不相同，穿过模型后它们之间产生一个光程差∆。实验结果表明，∆与该单元主应力差()21σσ-和模型厚度h 成正比，即

()21σσ-=∆Ch （3）

光弹效应实验

1．前言

塑料、玻璃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。但是当他们受到应力的时候，就会变成各向异性而显示出双折射性质，这种现象称为光弹效应。

各向同向的介质在某一方向受压力时，在这个方向上就形成了介质的光轴。设应力为P ，设这时出现的o 光和e 光的折射率分别为n o 和n e ，则在一定范围内：

n o -n e =CP （1）

C 为常量。因此通过的厚度为L 的形变介质时，两偏振光的相位差为：

λπλπφ/2/2CPL L n n e o =-=∆）（ （2） 这两束光经过检偏器就产生了偏振光的干涉现象。我们将看到与应力分布相关的干涉花样。在白光照射下产生的干涉花样中，彩色的条纹称为等色线，它的疏密情况反映的是应力的大小；黑色的条纹称为等倾线，它反映应力的方向。我们可以用1/4波片消除等倾线，方法是：在光弹性材料的前后各插入一个1/4波片，两个1/4波片的取向正交，并与两个偏振片成45度。此时等倾线将消失。利用光弹效应，提供了一种检测材料应力分布的简单方法，目前已经发展成为一个专门的学科—光弹性学，它为工程设计解决了极其复杂的应力分析问题。

2. 自然光与偏振光理论

就偏振性而言，光一般可分为偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有规则变化的光称为偏振光。在传播过程中，光矢量的方向不变，其大小随相位变化的光是线偏振光，这时在垂直于传播方向的平面上，光矢量端点的轨迹是一条直线。圆偏振光在传播过程中，其光矢量的大小不变，方向呈规则变化，其端点的轨迹是一

个圆。椭圆偏振光的光矢量的大小和方向在传播过程中均呈规则变化，光矢量端点沿椭圆轨迹转动。任一偏振光都可以用两个振动方向相互垂直、相位有关联的线偏振光来表示[5]。

光弹性效应实验报告

实验原理：

1. 光弹性效应：有些光学介质在自然状态下没有双折射性质，但当

受到机械力作用时，出现双折射现象，应力解除后现象随之消失，这种现象称为光弹性效应。

把具有明显光弹性效应的物质称为光敏物质，其他称为非光敏物质。

在实际应用中，可以用光敏物质做成与待分析部件相似的模型，按部件实际受力情况施加相应的应力。模型的各受力点产生相应的双折射，即o光与e光折射率n o与n e不同，各点折射率差与改点内应力成正比，即

n o-n e=kς

K为常数。利用此原理制成的仪器称为光弹仪。

2.全息光弹法

全息光弹法是利用全息干涉原理研究光弹性效应的技术。光路图如图4-1-1

在一个全息照相用的防震台上，让激光束经分束镜分为两束。一束经扩束镜，准光镜成为平行光，再通过偏振片和四分之一波片成为圆偏振光，经毛玻璃散射后照射待测模型，透过模型投射于全息干板上，这束光称为物光；另一束光经另一套扩束镜，准光镜，偏振片和四分之一波片，成为一束圆偏振光的平行光束，直接投射于全息干板上。物光与参考光须同时左旋或右旋的圆偏振光。在模型未加外力时，让物光和参考光同时投射于全息干板上做第一次

曝光，记录一次全息条纹；然后给模型加上适当应力，在做第二次曝光。经两次曝光记录了两套干涉条纹的全息干板显影，定影后，成为全息图。放回拍摄的位置，撤去实验模型，遮掉物光，以参考光束照射全息图。迎着原物光方向看，可看到原模型位置有一个所用实验模型的立体虚像，透过望远镜可看到虚像中有明暗相间的干涉条纹。以ς1表示模型受力最大方向的应力，ς2表示受力最小方向的应力，称ς1与ς2为主应力。由于沿一个干涉条纹各点有相同的主应力和（ς1+ς2），称此条纹为等和线。二次曝光法适用于非光敏物质，用于观察等和线。