光學測試方法在土木工程試驗教學中的應用研究

湯燦

摘 要 近二十年來，由于激光技術、計算機技術以及圖像處理技術的發展及其在光測領域中應用，形成了以云紋干涉、全息干涉、散斑干涉、數字散斑相關等為主要內容的現代光學測試技術。由于光學測試方法具有非接觸、全場測量、無附加質量、精度高、速度快等優點，越來越受到科研人員的重視，其應用也在不斷擴大。本文介紹了幾種光學測試方法研究現狀，并探討了幾種光學測試方法在土木工程試驗教學中應用的可行性，分析了實驗影響因素及誤差產生原因，從而培養土木工程專業學生創新思維。

關鍵詞 土木工程專業 試驗教學 光學測試技術 課程設計 創新思維

中圖分類號：TN911文獻標識碼：A

1光學測試的方法

光學測試方法有光彈法、云紋方法（包括幾何云紋法、云紋干涉法等）、全息干涉法、散斑方法（包括電子散斑干涉法、數字散斑相關法等）、焦散線方法、相干梯度敏感干涉方法等等。一些光學投影法，如柵線投影法與光測力學方法聯系密切，也可歸類于光測力學方法。其中，光彈法可以測得物體的應力場，云紋法、全息干涉法、散斑方法等測得的是物體的位移場（包括面內位移和離面位移），位移場通過微分計算可以得到應變場，也可以分離出離面位移和斜率，從而得到物體形貌信息。柵線投影法等用于物體三維形貌測量。焦散線方法和相干梯度敏感干涉方法由于其特點，主要應用于斷裂力學中，如高應力集中問題、應力強度因子測量等等，總體來說它們的應用不如前幾種廣泛。

2光學技術在實驗性教學中的應用原理

全息即“ 全部信息” 的意思，全息照相不僅記錄了物體的振幅信息，而且記錄了物體的相位信息。全息照相是在 20 世紀 40 年代被提出，直到20 世紀 60 年代相干光源激光器發明后才得以實現。全息技術是利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像的記錄和再現的技術。其第一步是利用干涉原理記錄物體光波信息，此即拍攝過程：被攝物體在激光輻照下形成漫射式的物光束;另一部分激光作為參考光束射到全息底片上，和物光束疊加產生干涉，把物體光波上各點的位相和振幅轉換成在空間上變化的強度，從而利用干涉條紋間的反差和間隔將物體光波的全部信息記錄下來。記錄著干涉條紋的底片經過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖，或稱全息照片;其第二步是利用衍射原理再現物體光波信息，這是一個成像過程。

3土木工程試驗教學中光學測試方法的應用

土木工程試驗結構的參數應在實際工程結構的可能取值范圍內。鋼筋混凝土結構常見的試驗參數包括混凝土強度等級、配筋率、配筋方式、截面形式、荷載形式及位置參數等;砌體結構常見的試驗參數有塊體和砂漿強度等級;鋼結構試驗常以構件長細比、截面形式、節點構造方式等為主要變量。

焦散線方法（Caustic） 是利用純幾何光學的映射關系，將物體，特別是應力集中區域的復雜變形狀態，轉換成非常簡單而清晰的陰影光學圖形——焦散線的一種實驗方法。 焦散線方法是利用光線照射到結構受力的奇異區上，在成像屏上產生相應的焦散線來分析奇異特征參量。該方法對應力梯度敏感，適用于定量解決應力集中問題。只要測量一個幾何長度——焦散斑直徑，就可以確定裂紋尖端的應力強度信息，數據簡單。它不僅具有較高的測量精度，光路設備簡單， 只需要普通白光光源， 有利于與高速攝影裝置結合進行動態斷裂實驗。目前焦散線方法已經被成功的應用于各種靜、動態斷裂實驗研究中。

相干梯度敏感（ Coherent Gradient Sensing， CGS）干涉測量技術是一種具有在線空間濾波效果的非接觸、全場橫向雙柵剪切干涉方法，其原理在于通過光學干涉控制方程建立面內應力梯度或離面位移梯度與光線微小偏轉量之間的關系，利用兩個平行光柵重組由試件變形導致的折射光束產生干涉條紋。該方法對應力或位移梯度敏感，適合于研究具有高應力集中的斷裂等物理現象，其條紋分布直接反映了透射情況下的面內應力梯度場和反射情況下的離面位移梯度場。與其它光測力學方法相比， CGS 技術具有以下優點：對外界振動不敏感;光路簡單;靈敏度可調;可以實時、全場測量。目前美國和中國等國家的科研人員正在就 CGS 原理和應用進行深入的研究。

光學投影法主要用于漫反射物體三維形貌和離面變形的測量。其主要測量原理是將光點、細窄光帶或二維光學圖樣（結構光編碼圖樣、散斑、柵線、柵格等）投影到被測物體表面，受被測物體表面幾何形狀的調制，這些光點、光帶和二維光學圖樣發生位移或變形，通過分析這些位移或變形可解調出物體的三維形貌。

參考文獻

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