主要设备及材料及实验方法及操作步骤

1.实验目的

1）了解透射式光弹仪各部分的名称和作用，初步掌握光弹性仪的使用方法。

2）观察光弹性模型受力后在偏振光场中的光学效应。

2.主要设备及材料

1）光弹仪l台。

2）光弹性模型（圆盘、圆环、偏心拉伸试样、弯曲梁等）。

3.实验原理及装置

透射式光弹仪，一般由光源、一对偏振片、一对四分之一波片、透镜和屏幕等组成。靠近光源的偏振片称做起偏镜，它将来自光源的自然光变为偏振光；靠近起偏镜的第一个四分之一波片，将来自起偏镜的平面偏振光变成圆偏振光，模型后面的第二个四分之一波片，其快轴和慢轴恰好与第一个四分之一波片的快轴和慢轴正交，使得来自受力模型后的圆偏振光还原为自起偏镜发出的平面偏振光。靠近观察屏幕的偏振片称作检偏镜（又称作分析镜），它将受力模型各方向上的光波合成到偏振方向，以便观察分析。

光学元件布置，可分成平面偏振光场和圆偏振光场两种，如图3-8和图3-9所示，图3-10是光弹仪外形图。

图3-8　平面偏振光装置

图3-9　正交圆偏振光场布置简图

在平面偏振光场中，当检偏轴与起偏轴相互正交时，称为正交平面偏振光场，呈现暗场，光通过受力模型后，产生光程差δ，此光程差与模型厚度h及主应力差(σ1−σ2)成正比，即

图3-10　光弹仪

当光程差为光波波长λ的整数倍时，即δ=nλ(n=0,1,2,3,…)，产生消光干涉，呈现黑点，同时满足光程差为同一整数倍波长的诸点，形成黑线，称为等差线。

又因

ch(σ1−σ2)=nλ

所以

式中，f=λ/c称为材料条纹值，由此可知，等差线上各点的主应力差相同，对应于不同的n值则有0级、1级、2级……等差线。

当应力主轴与偏振轴重合时，也产生消光干涉，呈现黑点，模型上应力主轴与偏振轴重合的诸点，形成黑线，称为等倾线。等倾线上各点的主应力方向相同。

在平面偏振光场中，当两偏振轴相互平行时，称为平行平面偏振光场，呈现亮场。当平面偏振光通过受力模型后，所产生的光程差为光波波长的奇数倍时，产生消光干涉。呈现黑点，在亮场中所得等差线为0.5级、1.5级、……称为半级等差线。

为了消除等倾线以便获得清晰的等差线图，在两偏振片之间加入一对四分之一波片，且两波片和快轴之间及慢轴之间相互正交。当检偏轴相互正交时，称为双正交圆偏振光场，呈现暗场。产生等差线的条件同正交平面偏振光场。当检偏轴与起偏轴平行时，获得亮场，称为平行圆偏振光场，产生等差线的条件同平行平面偏振光场。

4.实验方法及操作步骤

1）观察光弹性仪的各组成部分，了解其名称和作用。

2）取下两块四分之一波片，将两偏振轴正交放置，开启白光光源，然后单独旋转检偏镜，反复观察平面偏振光场光强变化情况，分析各光学元件的位置和作用，并能正确地调整出正交和平行两种平面偏振光场。

3）调整加载杠杆，放入圆盘模型，使之对径受压，逐级加载，观察等差线与等倾线的形成，同步旋转两偏振轴，观察等倾线的变化及特点。(www.zuozong.com)

4）在正交平面偏振光场中，加入两块四分之一波片，先将一块四分之一波片放入并转动，使之成为暗场，然后转45°，再将另一块四分之一波片放入并转动，使之再成暗场，即得双正交圆偏振光场。在白光光源下，观察等差线条纹图，逐线加载，观察等差线的变化。再单独旋转检偏镜90°，形成平行圆偏振光场，观察等差线的变化情况。

5）熄灭白光，开启单色光源，观察等差线图。试比较两种光源下，模型中等差线的区别和特点。

6）换上其他模型，重复步骤3）～步骤5）。

7）关闭光源，去掉载荷，取下模型。

5.几种模型条纹值的测定

光弹性材料条纹值f=λ/c，只与材料的光学常数c和光波波长λ有关，而与模型的形状、尺寸及受力方式无关。因此，f可以通过应力有理论解的模型相同的材料取出的标准试样标定出来。

标定时，采用与模型实验相同的光源，在某一确定的外载荷下，测出标准试样已知应力点的条纹级数n，利用理论公式算出相应的主应力(σ1 −σ2)，并由下式计算出条纹值，即

（1）径向受压圆盘测定f

试样几何尺寸如图3-11所示。由弹性力学知，圆盘中心处的应力为

（2）偏心拉伸实验测定f

试样几何尺寸如图3-12所示。距试样中心为x处的应力为

从光弹性实验所得等差线，如图3-13所示。当受拉边缘的条纹级数为n+时，则有

图3-11　圆盘几何尺寸

图3-12　偏心拉伸

图3-13　偏心拉伸等差线

6.实验步骤

1）调整光弹仪光学元件，使其形成双正交圆偏振光场。

2）调整加载架，安装拉伸试样。

3）用白光光源，绘制等差线。

4）用仪器元件进行补偿，确定边缘处的分数条纹级数。

5）用钉压法，决定边缘上应力的符号。

6）用圆盘试样，重复步骤2）～步骤3），测出圆盘中心的条纹级数。