数字(剪切)散斑干涉实验教学的多功能加载装置

马 杭 吴 鸿 陈彩凤

（上海大学理学院力学系，上海200436）

A multi-functional loading frame for teaching purpose with digital

(shearing) speckle pattern interferometry

Ma Hang Wu Hong Chen Caifeng

(Department of Mechanics, College of Sciences, Shanghai University, Shanghai 200436)

摘要：设计了一种简单的数字（剪切）散斑干涉实验教学的多功能加载装置，利用该装置可实现多种加载方式且加载位置能够调节。将加载条件、试样类型（内含各种缺陷或不含缺陷）和实验方法（离面位移、不同剪切方向的离面位移梯度）进行不同的组合，可以实现散斑干涉实验教学的多样化和个性化，有利于启发学生思考，激发学习兴趣，实现创新意识的培养并提高他们的动手能力。

关键词：数字散斑干涉，剪切散斑干涉，实验教学，多功能加载装置，缺陷识别

用激光照射物体表面，在物体表面前方的空间形成随机分布的明暗斑点—散斑，这些散斑随着物体表面的位移或变形而运动，记录物体变形过程中的散斑图并结合具体的光路布置加以分析处理，可以实现物体表面位移或位移梯度的高精度测量，即散斑测量法。在光测力学的各种方法中[1-2]，由于散斑法对被测物表面无特殊要求，灵敏度的数量级大约为光的波长量级，对于隔振的要求相对较低，能够直接应用于工程构件的现场测试，具有发展成为实验分析领域内较为理想的测试方法的潜力。散斑法分为散斑干涉（双光束散斑干涉）和散斑照相（单光束散斑干涉）两大类，是激光技术、计算机数字图像、全息干涉技术相结合的产物。在两大类散斑方法中，双光束法的灵敏度较高，量程较小，其上限为散斑颗粒尺寸，而单光束法的灵敏度较低，量程较大，其下限为散斑颗粒尺寸，两大类方法在测量精度和范围上正好互补。近年来，单光束法逐渐发展为图像相关技术。本文主要介绍以双光束散斑干涉技术为基础的实验教学改革。

实验教学在本科生和研究生的培养中占有不可替代的重要地位，在力学的实验教学中引

入散斑干涉实验有利于学生接触和了解现代测试技术，拓宽视野。但在以往的实验教学中，由于加载条件单一，实验获得的条纹图像单一，学生动手的机会较少，主动性不易发挥，实验以后的印象不深。为了克服这个缺点，加强素质培养，我们结合本科生的毕业设计工作，设计了一种简单的数字（剪切）散斑干涉实验教学的多功能加载装置，利用该装置，可以自由选择加载条件，选择或设计新的试样，如果结合各种实验光路如离面位移或离面位移梯度等进行组合搭配，即可实现条纹图像的多样化，避免了实验结果的千篇一律，大大增加了学生动手的机会，有利于激发学生的学习的兴趣，实现创新意识的培养。

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图1 散斑干涉实验教学的多功能加载装置

加载装置如图1所示，其主体为正方形框架（4），平板试样（1）采用中空的正方形压框（5）和框架周边的螺钉（3）加以固定，平板试样的有效工作区域面积为60×60mm。用安装在滑块（6）上的测微尺（8）从试样的背面对试样进行加载，产生离面位移。滑块（6）可以沿正方形框架后部的导杆（2）滑动从而实现加载位置的调节，位置调节好以后，用紧定螺钉（7）将滑块固定。通过加载装置下部的插杆（9）和套筒（图中未画出）可以调节主体框架的高度，套筒与下部的磁性表座（图中未画出）连接。

利用该加载装置很容易实现多种支撑与加载方式的组合，例如周边固定（固支）、对边

2

固定（简支）、邻边固定、单边固定（悬臂）等等。试样采用2mm厚的铝板制作，为了模拟构件中隐藏的内部缺陷，可在试样背面按一定方向刻出深度约为1mm的槽。

以下结合图2给出的几个典型的含缺陷试样的数字散斑干涉的条纹图象对缺陷识别做简要的定性讨论，其中拍摄图像使用的激光波长为532.8nm。一般而言，散斑干涉离面位移测量对缺陷不敏感，这是由于含缺陷试样的离面位移虽然不光滑，但反映离面位移的条纹仍然是连续的（位移场连续），如图2（a）所示。仅在某些特殊条件下可以利用离面位移的条纹进行缺陷识别，如图2（b）所示，产生该图像的试样是右端悬臂支撑左端加载，缺陷两侧的位移差别较大，因而条纹的疏密程度不同。

与离面位移相反，试样缺陷处的离面位移梯度将产生间断，反映位移梯度的条纹一般是不连续的，因此剪切散斑干涉的图像对于缺陷十分敏感，十分适于进行结构物的缺陷识别，但要求剪切方向与缺陷的走向成一定的角度，换言之，剪切散斑干涉的方位对于缺陷仍然存在着盲区。图2（c）和（d）给出的剪切散斑条纹图像分别与图2（a）和（b）的离面位移条纹的图像为同一块试样在相同的支撑和加载条件下得到的，其中图2（c）中缺陷的两侧分别只出现了两级条纹，而图2（d）中缺陷的两侧分别只出现了一级条纹。事实上，利用剪切散斑干涉进行缺陷识别时，在加载过程中进行动态识别远比图2的静态识别的效果要好，学生们在实验中进行的实时观察要远比本文给出的静态图像生动。另外，两个图的中部边长10mm的（隐约可见）小方框的作用是图像聚焦，经过剪切棱镜的作用，两个图中的小方框分别沿剪切方向变成了两个，如图2（c）和（d）所示。

如上所述，利用多功能加载装置加载方式的多样性，利用不同的试样以及不同类型的缺陷的组合，结合离面位移和不同剪切方向的离面位移梯度的测试手段，不难得到数十种各不相同的条纹图像，为散斑干涉法的实验教学创造了良好的条件。多功能散斑实验面向我校力学专业本科生和研究生开设，在教师的指导下，可以让学生自行选择加载方式，自行设计缺陷类型，自己动手加工试样的缺陷，给学生提供充分的动脑和动手的机会，使得每个学生都有可能获得与众不同的实验结果。由于结果各不相同，每个学生对自己的实验结果进行整理和分析时必须思考，通过实验结果的比较和交流，自然会增加收获，从而对实验的整体（原理、装置、光路、功能、用途、试样的变形与加载和缺陷的关系等）获得好的认识与理解，留下较深印象，实现启发思考、激发兴趣、培养创新意识、提高学生素质的实验教学目的。

参考文献

1．戴福隆等编著．现代光测力学．北京：科学出版社．1990年 2．赵清澄主编．光测力学教程．北京：高等教育出版社．1996年

（a） （b）

（c） （d）

（a）离面位移条纹，简单支撑，中部加载 （b）离面位移条纹，悬臂支撑，左端加载

（c）位移梯度条纹，简单支撑，中部加载，剪切方向与缺陷走向垂直 （d）位移梯度条纹，悬臂支撑，左端加载，沿垂直方向剪切

图2 散斑干涉的条纹图象