Поляризационый метод исследование

 Описанный П.-о.  м. и. применяется для изучения  напряжений в плоских и объёмных  деталях в пределах упругости  в тех случаях, когда применение  вычислительных методов затруднено  или невозможно. П.-о. м. и. напряжений  используется для изучения пластических деформаций (фотопластичность), динамических процессов, температурных напряжений (фототермоупругость), для моделирования при решении задач ползучести (фотоползучесть) и др. нелинейных задач механики деформируемого тела.        

 Разработан также метод оптически чувствительных наклеек (слоев), наносимых на поверхности натурных деталей. Слой оптически чувствительного материала наносится на поверхность металлической детали или её модели в жидком виде и затем подвергается полимеризации или наклеивается на деталь в виде пластинки; это обеспечивает равенство деформаций нагруженной детали и покрытия. Деформации в покрытии определяются по измеренной в нём разности хода в отражённом свете при помощи односторонних полярископов.         

 Так как П.-о.  м. и. напряжений ведутся на моделях, то они заканчиваются переходом от напряжений в модели к напряжениям в детали. В простейшем случае σ_дет = σ_мод β/α², где α и β — масштабы геометрического и силового подобий.

3. Пример испытания заготовки на внутренние напряжения

Не затрагивая теорию этого метода, заметим только, что  если рассматривать через поляризационный  фильтр, прошедший сквозь заготовку  поляризованный свет, то в местах напряжений будут видны цветовые пятна. При  отсутствии внутренних напряжений пятна  отсутствуют.

Для испытаний соберем оптическую схему (рис. 7). Источником света будет служить лист белой бумаги, освещенный сильным светом электрической лампы мощностью 150—200 Вт. Для того чтобы свет, отраженный листом бумаги, поляризовать, уложим на стол лист оконного стекла, подложив под него черную бумагу. После отражения от этого стекла свет будет поляризован в одной плоскости. Далее по ходу луча установим собственно заготовку. Свет, прошедший сквозь заготовку, будем рассматривать через поляризационный фильтр. Диаметр фильтра не важен. Если нет фильтра, можно его изготовить самостоятельно. Для этого соберем в стопку 10—15 тонких кусочков стекла. Лучше всего взять покровные стекла от микроскопа. Их толщина примерно 0,5—1,0 мм. Пластины в стопке должны быть установлены наклонно к лучам света под углом 57°.

Глядя через поляризационный  фильтр (или стопку тонких пластин), расположим заготовку так, чтобы  она была видна на фоне стекла, в  котором отражается белый лист бумаги. Для того чтобы поляризация была максимальной, лучи от листа бумаги должны падать на стекло под углом примерно 57°. Если в заготовке есть внутренние напряжения, то мы увидим цветовые пятна (в основном коричневые

Рис. 7. Испытание заготовки на внутренние напряжения: а - лампа, б - лист белой бумаги, в- лист оконного стекла, г - исследуемая заготовка, д- поляризационный светофильтр, е - самодельный поляроид

и синеватые), которые  могут иметь различную форму. К сожалению, так мы сможем только определить наличие напряжений, но не сможем узнать их величину. Но и в таком виде испытания дают очень много. Можно слегка покачивать заготовку, чтобы понять, где находятся напряжения: в самой заготовке или во вспомогательном листе стекла.

4. Приборы для определения внутренних напряжений

4.1. Большая поляризационная установка

Большая поляризационная установка (рис. 8) предназначена для исследования напряжений в прозрачных моделях деталей машин и сооружений.

Источник света 1 (кинопроекционная лампа К12 или ртутная лампа СВДШ-250) размещен в фокальной плоскости конденсора 2 (фокусное расстояние 180 мм). Параллельный пучок лучей после конденсора проходит через светофильтр 3, поляризатор 4 (поляроид, вклеенный между защитными стеклами), слюдяную пластинку 5 в 1/4 волны и падает на исследуемый образец 6.

 

Рис. 8. Схема большой поляризационной установки

После образца образовавшиеся в нем лучи o и e проходят вторую пластинку 7 в 1/4 волны, анализатор 8 (аналогичный поляризатору 7) и падают на объектив 9 (фокусное расстояние 400 мм), который изображает источник света в плоскости апертурной диафрагмы 10 (ирисовая диафрагма фотозатвора; раскрытие диафрагмы от 2 до 4 мм при ртутной лампе, раскрытие диафрагмы полное до 20 мм для кинопроекционной лампы). Одновременно объектив 9 проецирует изображение образца на матовое стекло 15 при помощи откидного зеркала 11 или на фотопластинку 12.

Интерференционную картину  наблюдают через защитное стекло 14 и зеркало 16. Ее можно также проецировать с большим увеличением на экране 13.

Поляризатор, анализатор и пластинки в 1/4 волны вращаются  в пределах 0?90°; угол поворота отсчитывается  по шкале с ценой деления 1°. Пластинки  в 1/4 волны можно выводить из оптической схемы.

Конструктивно прибор выполнен в виде отдельных узлов: осветитель, в котором смонтированы детали; нагрузочное устройство, включающее образец 6; фотокамера, содержащая затвор с диафрагмой 10 и оптические детали , рассчитанная на фотопластинки размером 13х18 м.

Значительное усовершенствование процесса поляризационных измерений и повышение точности достигается при использовании объективных методов измерения. В качестве примеров приборов такого типа рассмотрим схему фотоэлектрического поляриметра.

4.2. Фотоэлектрический модуляционный поляриметр

Фотоэлектрический модуляционный поляриметр (рис. 9) позволяет измерять в исследуемом объекте разность фаз лучей о и е, меняющуюся во времени.

Лучистый поток от ртутной лампы 1 сверхвысокого давления проходит через иитерференционный  светофильтр 2 (с максимумом пропускания при l=0,436 мкм и l=0,546 мкм), поляризатор 3 и исследуемый объект 4, ориентированный так, что направления колебаний в лучах о и е составляют углы p/4 с направлением колебаний в луче, вышедшем из поляризатора. Выходящий из объекта 4 эллиптически поляризованный свет попадает на пластину 5, изготовленную из кристалла ADP , вырезанную так, что ее плоскости перпендикулярны оптической оси.

 

Рис. 9. Схема фотоэлектрического модуляционного поляриметра

Введение пластины 5 позволяет модулировать проходящий через нее лучистый поток, так как на кристалле ADP очень удобно реализовать эффект Поккельса. При приложении к пластине 5 переменного электрического напряжения в направлении, параллельном оси лучистого потока и оптической оси кристалла, последний становится двухосным. Новые оптические оси образуют симметричные углы p/4 с прежним направлением оси. Следовательно, после приложения напряжения к пластине 5 проходящий через нее свет претерпевает двойное лучепреломление. Возникающая при этом разность фаз пропорциональна напряжению электрического поля и не зависит от толщины пластины 5. В связи с возникающей переменной разностью фаз эллиптически поляризованный свет периодически меняет форму эллипса. Следовательно, на выходе компенсатора 6 (в схеме используется компенсатор Сенармона) плоскость линейно поляризованного света колеблется относительно среднего положения. После анализатора 11 модулированный поток света попадает на фотоумножитель l0. Из фотоумножителя ток с основной частотой, соответствующей первой гармонике сигнала, поступает в усилитель 8 и приводит в действие сервомотор 9, поворачивающий анализатор 1l до тех пор, пока в сигнале имеется первая гармоника. Остановка соответствует положению анализатора, при котором на фотоумножитель падает минимальный поток излучения.

Самописец 7 фиксирует  углы поворота анализатора, причем измеряемая разность фаз равна удвоенному углу поворота анализатора.

Погрешность измерения  составляет в среднем приблизительно 20'.0

4.3. Полярископ-поляриметр ПКС-56

Полярископ-поляриметр ПКС-56 (рис. 10) служит для измерения двойного лучепреломления в стекле. Он состоит из источника света 1 (лампа накаливания), матового стекла 2, поляризатора 3 (поляроид, вклеенный между стеклами), пластинки 5 в 1/4 волны, анализатора 6 (аналогичного поляризатору 3) и светофильтра 7 (на длину волны 0,54 мкм).

Рис. 10. Схема полярископа-поляриметра ПКС-56

Порядок измерения на приборе следующий: скрещивают поляризатор  и анализатор (отсчет по лимбу анализатора 0°, поле зрения темное); устанавливают образец 4 (если он обладает двойным лучепреломлением, то в поле зрения наблюдается просветление); поворачивают анализатор до максимального потемнения в середине образца; по лимбу отсчитывают угол поворота Db анализатора.

Зная Db, можно определить из соотношения

где l mdash толщина образца в направлении просмотра.

При l=10 мм погрешность измерения составляет 10-7. С увеличением l погрешность уменьшается.

4.4. Переносный малогабаритный поляриметр ИГ-86

Переносный малогабаритный поляриметр ИГ-86 (рис. 11) предназначен для визуального исследования напряженного состояния изделий с помощью оптически чувствительных покрытий. Он позволяет наблюдать интерференционную картину в условиях плоской и круговой поляризации и измерять оптическую разность хода как методом сопоставления цветов, так и компенсационным методом.

Источник света 1 (лампа  СЦ-61) размещен в фокусе объектива 3. Защитные стекла 2, 7 и 12 предохраняют прибор от попадания в него загрязнений. Параллельный пучок лучей проходит поляризационный светофильтр (поляризатор 4), полупрозрачное зеркало 8 и, отразившись от светоделительного слоя, падает на оптически чувствительное покрытие 6, нанесенное на исследуемый объект 5. После отражения от покрытия свет попадает в анализаторный узел прибора, проходит компенсатор 9, анализатор 10 (аналогичный поляризатору 4) и попадает в зрительную трубу (сменное увеличение 2 и 10х) со шкалой в совмещенной фокальной плоскости объектива 11 и окуляра 13. Перед глазной линзой окуляра и выходным зрачком 15 устанавливается светофильтр 14. Такая оптическая схема получила наименование Т-образной схемы.

Предел измерения оптической разности хода от 0 до 5 интерференционных  порядков. Погрешность измерения 0,05 интерференционных порядков.

Габариты прибора 400х400х800 мм; масса около 2 кг.

 

Рис. 11. Переносный малогабаритный поляриметр ИГ-86

                                  5. Литература

1. Пригоровский Н. И., Поляризационно-оптический метод  исследования распределения напряжений, в кн.: Справочник машиностроителя, т. 3, М., 1962;

2.  Александров А.  Я., Ахметзянов М. Х., Поляризационно-оптические  методы механики деформируемого  тела, М., 1973.