电子散斑干涉技术在实验力学教学中的应用_徐香新.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 041电子散斑干涉技术在实验力学教学中的应用徐 香 新(东北大学 理学院，沈阳 110819)摘要:为了满足新工科背景下的教学需求，革新传统光弹性实验，在实验力学教学中增设了电子散斑面内变形测量实验项目。介绍了电子散斑技术的基本原理以及相应的实验设备，并以悬臂梁试件为例详细阐述了整个实验的操作流程。通过统计全班的实验平均相对误差，分析了由于载荷选取等因素造成误差产生的原因。实践表明，电子散斑面内变形测量实验项目实验自由度高、实验软件操作简单、实验结果直观、准确，在实验力学中不再拘泥于传统的光弹性实验，既完善了光测实验教学体系，又取得了良好的实验教学效果。关键词:电子散斑干涉;实验力学;光测实验;实验教学中图分类号:G 642.0文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0214 05Application of ESPI in Experimental Mechanics TeachingXU Xiangxin(College of Sciences，Northeastern University，Shenyang 110819，China)Abstract:In order to meet the requirements of teaching under the background of“new engineering”and innovate thetraditional photoelastic experiment，the project of“In Surface Deformation Measurement Experiment of ESPI”is addedin the teaching of experimental mechanics The basic principle of electronic speckle technique and the correspondingexperimental equipment are introduced，and the operation process of the whole experiment is described in detail with acantilever beam as an example By counting the average relative error of the whole class s experiment，the errors causedby factors such as load selection are analyzedThe practice shows that the project of“In surface deformationmeasurement experiment of ESPI”has high degree of freedom，simple operation of experimental software，intuitive andaccurate experimental resultsIt is no longer confined to the traditional photoelastic experiment in experimentalmechanics，by which not only the teaching system of optical measurement experiment is improved，but also experimentalteaching is excellentKey words:electronic speckle pattern interferometry(ESPI);experimental mechanics;optical measurementexperiment;experimental teaching收稿日期:2022-02-18基金项目:2018 年辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目(辽教函 2018 471 号)作者简介:徐香新(1990 )，男，辽宁沈阳人，实验师，主要从事力学实验的教学和新材料实验测试研究。Tel:15140245648;E-mail;xiangxin0424 mail 163 com0引言对于工程力学专业来说，实验力学是一门重要的专业课程。实验力学课程不仅注重理论教学，更注重对学生实践能力的培养，是实验理论向工程应用转化的重要桥梁1-2。实验力学实验教学中要求学生自己设计实验，完成实验，并对实验数据处理及分析，整个实验教学环节增强了学生的自主性以及创造性，而且实验力学还为学生日后进入研究生阶段学习，打下了良好的实验、实践基础3。实验力学课程中的教学内容涉及多个方面，一般包括数学、力学、光学、电学、图形学以及计算机科学等4-6，是一门综合性极强的课第 12 期徐香新:电子散斑干涉技术在实验力学教学中的应用程。光测法是一种光学与力学相结合进行力学性能测试的实验技术，被广泛应用于生物力学材料7-8、航空航天材料以及玻璃等材料的应力测量9-10，是实验力学的重要组成部分。近年来实验教学内容主要集中在光测弹性学方法(光弹性法)，这类实验主要是通过光学材料(环氧树脂等)制作成相似模型，进行相似实验。传统的光弹性实验可以进行一些应力测试分析，但实验结果处理相对繁琐，甚至部分光弹仪还需手绘等差线图等，实验误差也相对较大。在新工科的教育背景下，要求对传统的工科教学内容进行革新，以适应人工智能、智能制造等新兴学科的发展11-12，因此仅依靠传统的光弹性实验已无法满足新时代实验力学光测实验教学的需求。我校力学实验中心，对实验力学光测实验内容进行了革新，在保留传统光弹性实验项目的基础之上，增设“电子散斑面内变形测量实验”，将激光散斑干涉法应用于实验教学，既丰富实验教学内容，又增强计算机图像处理技术在实验力学教学中的应用。1电子散斑干涉的基本原理通过相干光源照射到物体的粗糙表面，在表面前方空间形成随机分布的明暗点，这些明暗相间的点，即为散斑。物体受力发生变形以后，散斑会随着受力物体的变形而发生改变，分析物体变形前后的散斑图，即可获得物体表面各点的位移或者应变，这种方法即为散斑干涉法13。电子散斑干涉术(Electronic specklepattern interferometry，ESPI)最早是由英国科学家 JA Leenderts、J N Butters 以 及 美 国 科 学 家 AMakovisiki 使用14，3 位科学家使用摄像机、监视器等电子元器件记录、显示物体变形前后的散斑图，进而完成变形分析。经典的双光束电子散斑干涉光路图如图 1 所示。整个光路由激光源、扩束镜、准直镜、分光棱镜、反射镜(M1、M2、M3)、被测物以及 CCD 摄像机组成。激光源发射激光，经过扩束镜、准直镜照射到分光棱镜，再由图 1面内位移双光束电子散斑干涉光路图分光棱镜将激光分解成两束光 U1与 U2，并分别通过反射镜 M1与 M2照射到被测物，经过漫反射再通过反射镜 M3，由 CCD 摄像机采集干涉形成的散斑图，并记录到计算机中。1 1干涉条纹的形成经过被测物表面反射的两束光 Er和 E0可分别表示为:Er=areir(1)Eo=aoeio(2)式中:a 为振幅;为相位。当上述两束光到达靶面时发生干涉，其中某一点的光强 I1为:I1=Ir+Io+2IrIocos(3)式中:Ir为 Er的光强;I0为 Eo的光强;=r o为两束光波之间的相位差，为随机量。当被测物受力变形后，该点处的光强 I2可以类似地表示为:I2=Ir+Io+2IrIocos(+)(4)其中，为由于物体变形而引起的相位差，反映了被测物变形的大小。通过 CCD 摄像机记录下被测物变形前后的图像，并进行相减，相减后光强 I3为:I3=I2 I1=2IrIocos(+)cos()=4IrIosin(+/2)sin(/2)(5)取绝对值后为:I3=4IrIo sin2(+/2)sin2(/2)1/2(6)式(6)反应了由于物体变形引起的光强变化。式中sin2(+/2)为随机噪声，即为散斑背景;sin2(/2)反应了面内位移的分布，当 sin(/2)=0 时为暗条纹;当sin(/2)=1 时为亮条纹。1 2面内位移计算当被测物受力产生变形，被测物变形后的光程图如图 2 所示。其中被测物 P 点移动到 P点，因是面内位移，没有离面情况产生，所以 U1与 U2各自的光程差1和 2分别为:1=usin(7)2=usin(8)其中 u 为 p 点在 x 方向的位移。U1与 U2之间的光程差为:=1 2=2usin(9)此时被测物的面内位移为:u=2sin=12sin 2=4sin(10)式中角度 与被测物摆放位置有关，可以通过测量、计算得出;波长 也可以通过光源确定，而相位 需要经过相移法确定。512第 41 卷图 2被测物变形后的光程1 3相移法确定相位相位 的计算，可以通过相移法确定。参考式(3)、(4)，散斑的强度分布一般表达形式为:I=a+bcos(11)I=a+bcos(+)(12)式中:I 和 I分别表示被测物变形前与变形后的散斑光强分布;为散斑的随机相位;为被测物变形后引起的附加相位，即为式(10)中所需求的相位。计算该相位时，需要采集变形前与变形后的散斑图，变形前采集4 幅光程差各相差 1/4 波长的散斑图，变形后亦采集 4幅光程差各相差 1/4 波长的散斑图。变形前散斑图的光强为:I0=a+bcos I1=a+bcos(+/2)I2=a+bcos(+)I3=a+bcos(+3/2)(13)变形后散斑图的光强为:I0=a+bcos(+)I1=a+bcos(+/2+)I2=a+bcos(+)I3=a+bcos(+3/2+)(14)与 +的表达式分别为:=arctanI3 I1I0 I2(15)+=arctanI3 I1I0 I2(16)将式(16)与式(15)相减后得到 为:=arctanI3 I1I0 I2 arctanI3 I1I0 I2(17)2实验设备介绍我校力学实验中心采用苏州利力升公司生产的一维面内相移电子散斑干涉仪(TS-SI-1XP)进行电子散斑面内变形测量实验。整套实验系统包括激光光源、CCD 摄像机、隔振平台、压电陶瓷适配器、相移器、悬臂梁模型、圆盘模型、主机、分析软件等。该套实验系统实物图及光路图分别如图 3、4 所示。图 3一维面内相移电子散斑干涉仪实物图 4一维面内相移电子散斑干涉仪光路该套实验系统采用了两个激光光源，去除了经典光路中的分光棱镜、准直镜、反射镜等元器件，不仅使实验设备安装更便捷，同时简化了光路，降低了误差，提升了实验的准确性。3实验教学过程由于电子散斑实验原理较难，实验课程安排一定要密切配合理论课进度进行，并要求学生在实验课前做好充分预习。实验教师在实验课前首先布置实验任务，要求学生在实验课前首先做好分组，每组人数不超过 4 人，然后小组成员根据实验任务制定实验方案，实验方案通过后即可来实验室完成实验内容。实验室现场操作过程中，小组成员根据自身制定的实验方案完成实验。课后学生还需计算被测物的理论变形，并与实验测试结果相对照，分析误差产生的原因。由于“电子散斑面内变形测量实验”整个实验项目，课前课后所需时间较多，因此整个实验项目分配 2 学时。3.1课前实验方案设计学生在实验课前需要制定实验方案，实验制定方案过程中应按照如图 5 所示的 3 步进行。(1)选择实验试件。“电子散斑面内变形测量实验”实验项目实验室可提供两种被测物试件分别为圆盘试件与悬臂梁试件，每组同学任选一种试件测量即可，但