湯燦

摘 要 近二十年來，由于激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)的發(fā)展及其在光測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用，形成了以云紋干涉、全息干涉、散斑干涉、數(shù)字散斑相關(guān)等為主要內(nèi)容的現(xiàn)代光學(xué)測(cè)試技術(shù)。由于光學(xué)測(cè)試方法具有非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、無附加質(zhì)量、精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到科研人員的重視，其應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大。本文介紹了幾種光學(xué)測(cè)試方法研究現(xiàn)狀，并探討了幾種光學(xué)測(cè)試方法在土木工程試驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的可行性，分析了實(shí)驗(yàn)影響因素及誤差產(chǎn)生原因，從而培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞 土木工程專業(yè) 試驗(yàn)教學(xué) 光學(xué)測(cè)試技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 創(chuàng)新思維

中圖分類號(hào)：TN911文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1光學(xué)測(cè)試的方法

光學(xué)測(cè)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(shù)字散斑相關(guān)法等）、焦散線方法、相干梯度敏感干涉方法等等。一些光學(xué)投影法，如柵線投影法與光測(cè)力學(xué)方法聯(lián)系密切，也可歸類于光測(cè)力學(xué)方法。其中，光彈法可以測(cè)得物體的應(yīng)力場(chǎng)，云紋法、全息干涉法、散斑方法等測(cè)得的是物體的位移場(chǎng)（包括面內(nèi)位移和離面位移），位移場(chǎng)通過微分計(jì)算可以得到應(yīng)變場(chǎng)，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(cè)量。焦散線方法和相干梯度敏感干涉方法由于其特點(diǎn)，主要應(yīng)用于斷裂力學(xué)中，如高應(yīng)力集中問題、應(yīng)力強(qiáng)度因子測(cè)量等等，總體來說它們的應(yīng)用不如前幾種廣泛。

2光學(xué)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)性教學(xué)中的應(yīng)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(jì) 40 年代被提出，直到20 世紀(jì) 60 年代相干光源激光器發(fā)明后才得以實(shí)現(xiàn)。全息技術(shù)是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術(shù)。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(chǎn)生干涉，把物體光波上各點(diǎn)的位相和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強(qiáng)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(jīng)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(xiàn)物體光波信息，這是一個(gè)成像過程。

3土木工程試驗(yàn)教學(xué)中光學(xué)測(cè)試方法的應(yīng)用

土木工程試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)應(yīng)在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的可能取值范圍內(nèi)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常見的試驗(yàn)參數(shù)包括混凝土強(qiáng)度等級(jí)、配筋率、配筋方式、截面形式、荷載形式及位置參數(shù)等;砌體結(jié)構(gòu)常見的試驗(yàn)參數(shù)有塊體和砂漿強(qiáng)度等級(jí);鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)常以構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比、截面形式、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方式等為主要變量。

焦散線方法（Caustic） 是利用純幾何光學(xué)的映射關(guān)系，將物體，特別是應(yīng)力集中區(qū)域的復(fù)雜變形狀態(tài)，轉(zhuǎn)換成非常簡(jiǎn)單而清晰的陰影光學(xué)圖形——焦散線的一種實(shí)驗(yàn)方法。 焦散線方法是利用光線照射到結(jié)構(gòu)受力的奇異區(qū)上，在成像屏上產(chǎn)生相應(yīng)的焦散線來分析奇異特征參量。該方法對(duì)應(yīng)力梯度敏感，適用于定量解決應(yīng)力集中問題。只要測(cè)量一個(gè)幾何長(zhǎng)度——焦散斑直徑，就可以確定裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度信息，數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單。它不僅具有較高的測(cè)量精度，光路設(shè)備簡(jiǎn)單， 只需要普通白光光源， 有利于與高速攝影裝置結(jié)合進(jìn)行動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)。目前焦散線方法已經(jīng)被成功的應(yīng)用于各種靜、動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)研究中。

相干梯度敏感（ Coherent Gradient Sensing， CGS）干涉測(cè)量技術(shù)是一種具有在線空間濾波效果的非接觸、全場(chǎng)橫向雙柵剪切干涉方法，其原理在于通過光學(xué)干涉控制方程建立面內(nèi)應(yīng)力梯度或離面位移梯度與光線微小偏轉(zhuǎn)量之間的關(guān)系，利用兩個(gè)平行光柵重組由試件變形導(dǎo)致的折射光束產(chǎn)生干涉條紋。該方法對(duì)應(yīng)力或位移梯度敏感，適合于研究具有高應(yīng)力集中的斷裂等物理現(xiàn)象，其條紋分布直接反映了透射情況下的面內(nèi)應(yīng)力梯度場(chǎng)和反射情況下的離面位移梯度場(chǎng)。與其它光測(cè)力學(xué)方法相比， CGS 技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)外界振動(dòng)不敏感;光路簡(jiǎn)單;靈敏度可調(diào);可以實(shí)時(shí)、全場(chǎng)測(cè)量。目前美國和中國等國家的科研人員正在就 CGS 原理和應(yīng)用進(jìn)行深入的研究。

光學(xué)投影法主要用于漫反射物體三維形貌和離面變形的測(cè)量。其主要測(cè)量原理是將光點(diǎn)、細(xì)窄光帶或二維光學(xué)圖樣（結(jié)構(gòu)光編碼圖樣、散斑、柵線、柵格等）投影到被測(cè)物體表面，受被測(cè)物體表面幾何形狀的調(diào)制，這些光點(diǎn)、光帶和二維光學(xué)圖樣發(fā)生位移或變形，通過分析這些位移或變形可解調(diào)出物體的三維形貌。

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