基于FPGA的光弹调制器驱动控制模块设计

随着技术发展,光学检测对检测范围有了更大的需求,利用光弹调制器取代传统的偏振调制器件,具有着光谱范围广、调制频率高等优势。根据在椭偏测量仪中所应用的光弹调制器结构,设计了一种基于FPGA的光弹调制器控制模块,主要包含驱动模块和反馈调节模块两部分,利用DDS技术和数字锁相技术实现了对光弹调制器的稳定驱动控制。经过测试验证该模块可以稳定产生60kHz及450V_(PP)以上的驱动信号,所设计的驱动模块可以满足光弹调制器的控制需求。

颗粒材料双轴压缩试验的光弹测试

通过自主设计的柔性边界试验装置对由两种不同粒径组成的光弹颗粒混合系统进行了应变控制式的双轴压缩试验。结合试验数据,利用Hough变换等数字图像处理方法对每个颗粒进行定位,并通过粒子跟踪测速(particletracking velocimetry,PTV)技术对各颗粒进行编号,实现了对每个颗粒在时间和空间上的连续定位。通过分析颗粒非仿射(non-affine)位移场发现,在应变为25%时,颗粒材料中心位置处颗粒的相对位移非常小(小于3mm),试样主要通过固定端和压缩端附近以及试样中部靠近边界处的颗粒移动实现变形,而在固定端和压缩端主要以沿压缩方向的位移为主,试样中部靠近变形处的颗粒主要以垂直于压缩方向的位移为主。颗粒材料的光弹效应同时也清晰揭示了颗粒在压缩过程中局部颗粒几乎没有受力的现象。而颗粒中心处的力链也呈现出相对各向同性的性质,密度也相对较小,正是剪切带所穿越的地方。

基于光弹调制的运动斯塔克效应诊断

电流密度分布是等离子体物理研究的关键分布参数,在托卡马克先进运行模式发展,电流驱动,约束与输运等方面发挥着重要的作用。中性束与等离子体相互作用产生的分裂光谱,包括σ分量与π分量,水平观测时,σ分量的偏振方向垂直于等效电场的方向,π分量的偏振方向平行于等效电场的方向,通过测量分裂光谱的偏振方向可以反演出等离子体电流密度分布。基于光弹调制器的偏振检测系统具有检测精度高、时间响应迅速的独特优点,非常适用于等离子体电流快速变化下的电流密度分布测量。光弹调制器的双折射晶体在周期性外部驱动源的作用下发生弹性形变,其折射率会产生周期性的变化,当偏振光通过时,出射光的偏振特性将相应产生周期性变化,再经过偏振片,形成调制的光强变化。运动斯塔克效应(MSE)诊断的偏振检测系统由两个光弹调制器(PEM)和一个偏振片组成,通过检测不同调制频率的调制强度的比值,从而快速、精确地获得分裂光谱的偏振方向的实时变化,进而得到等离子体电流密度分布。详细介绍了东方超环托卡马克(EAST)装置上的MSE诊断,初步完成了离线测试与标定,参与中性束电流本文驱动物理实验,初步获得了等离子体电流密度分布的信息。

深部巷道围岩分区破裂化的三维光弹试验

为研究深部巷道围岩分区破裂的形成机理,采用三维光弹应力冻结试验法研究深部巷道围岩的应力分布。光弹试验模型在径向约束条件下分别沿巷道轴向施加5、30、50、70和90 kN的荷载,光弹切片直观地呈现分区破裂围岩应力场。结果显示:当轴向应力达到一定水平时,巷道围岩应力分布呈现与巷道同心的完整圆环形,巷道附近围岩应力最大。随着巷道轴向应力的增大,与巷道同心的圆环形应力圈数增多,应力水平提高,且最大应力有远离巷道表面的趋势。研究表明:巷道轴向应力决定了分区破裂产生的破裂圈数,是影响巷道分区破裂的主要因素。随着轴向应力的增大,高地应力“绕过”巷道。三维光弹试验法为分区破裂力学研究带来方法上的进步。研究成果可为巷道围岩稳定性控制提供新的思路,为巷道的开挖和支护设计提供理论基础。

受力光弹材料的红外辐射热像特征

在同等受力条件下 ,对光弹材料进行了红外热像监测和光弹性测试 ,在红外热图中等温区的分布与光弹图表示的应力场分布有着相当一致的对应 ,等温区级数与等差线级数之间存在明显的线性关系 ,并且拉、压应力区分别对应红外热图的降、升温区 .同时发现应变率是影响受力物体红外辐射的主要因素之一 .

裂缝性岩石裂缝扩展的光弹构造物理模拟——以南华北盆地户部寨沙河阶组为例

以南华北盆地户部寨第三系沙河阶组粉砂岩低渗透储层为例,总结了其中发育的5种类型构造裂缝组合,即:①南北向雁形张节理组成的共轭剪节理带;②东西向雁形张节理组成的共轭剪节理带;③缠结状多组剪切构造裂缝;④组合状交切的多组剪切构造裂缝及张裂缝;⑤散状无序排列的构造裂缝。在此基础上,建立光弹性试验构造物理模型,沿现应力场96°方向,均匀地对该模型逐步增加外载力。结果表明,沿各组合裂缝尖端分别形成对称于裂缝走向、且主轴垂直于裂缝的Ⅰ型等色线条纹;对称于裂缝走向、且主轴平行于裂缝走向的Ⅱ型条纹和斜交于裂缝走向的复合型(Ⅲ型)条纹。第①类组合裂缝尖端以Ⅰ型等色线条纹的拉张应力和张剪应力为主;第②类组合裂缝尖端以复合型(Ⅲ型)等色线条纹的挤压应力为主;第③、④和⑤类组合裂缝尖端的应力分布较为复杂。当模型外载荷接近1000kg时,裂缝尖端起裂,并开始发育显微裂缝,而当外载荷达1100-1200 kg时,沿裂缝尖端部位形成宏观裂缝,并开始扩展。5种类型的裂缝组合扩展发育程度由强至弱依次为:①,③,⑤,②,④。其中第①类共轭裂缝组合起裂最早,扩展最快,裂缝间的连通趋势最好,说明规则分布的构造裂缝组合,在垂直于外施加载衙时更易达到连通的目的。

数值光弹及其在采矿工程中的应用

光弹性法在应力状态分析中有着广泛的应用 ,但是通常的应力分析光弹方法对所用模拟材料的要求苛刻 ,加工复杂 ,并且难以进行复杂材料受载破坏过程中应力分布的光弹测试。本文介绍了应用材料破坏过程分析MFPA系统进行材料破坏过程应力场分析的“数值光弹”方法 ,并给出了采矿工程中地下开采巷道断面及岩层破坏过程中的岩体应力场分布图。结果表明MFPA系统为研究岩体破坏过程中的应力分布提供了一种简单有效的分析方法。

对数母线滚子光弹流润滑的实验研究

为了研究对数母线滚子凸度量对滚子摩擦副润滑油膜的影响 ,本文在自制的有限长线接触光干涉弹流试验机上 ,测量了中载、富油润滑和纯滚动工况下对数修形圆锥滚子与玻璃盘之间的油膜形状与膜厚。实验结果表明对数母线轮廓滚子的凸度量对其端部的油膜厚度和膜形分布有较大的影响 ,在给定的工况条件下 ,存在一个使滚子轴向油膜厚度最为均匀的最佳凸度量 。

三分量光弹光纤加速度传感器弹性系统

为提高三维地震勘探的分辨率和精度,设计了一种新型的三分量光弹光纤加速度传感器,对加速度的敏感由光弹晶体、质量块、复合臂弹簧片构成的弹性系统实现.为消除三分量光弹光纤加速度传感器中与质量块运动方向不平行的运动的干扰,弹性系统设计为线性系统.对弹性系统的线性响应、频率特性进行了理论和实验研究.设计制作并实验了线性度良好的复合臂弹簧片,其相对非线性误差小于 0. 01.光弹晶体采用对加速度的变化在宽度方向获得良好线性响应的各向同性聚碳酸酯材料.以该弹性系统为基础的传感器,在 0~3 000Hz的频率范围可精确测量 0~50m/s2 的加速度.

快速原型技术辅助制作牙颌光弹模型方法的建立

目的:探讨快速原型技术辅助制作牙颌光弹模型的方法。方法:采用计算机三维重建结合快速原型技术,加工制作口腔光弹模型的阳模,通过常规印模翻制浇注成形法,制作包含下颌牙列的下颌骨光弹模型。结果:所制得的整个颌骨光弹模型各组成部分在几何形态和大小上与原型比接近1:1;模型中牙体、牙槽骨和牙周膜的弹性模量比与实际组织的弹性模量比基本一致;通过光弹仪对模型进行观察,该模型内部初始应力小,光学灵敏度高。结论:快速原型技术辅助制作的牙颌光弹模型,能很好地满足光弹实验的要求,为口腔光弹模型提供了新的设计和制作方法。

青藏高原地区应力场的光弹性模拟分析及地震危险区的探讨

本文在研究青藏高原地区活动性断裂系的基础上,用线弹性断裂力学的基本观点及光弹模拟实验的方法,研究了青藏高原地区地震应力场与历史地震的关系,用一个带断裂系的环氧树脂模型,模拟区域活动性断裂构造,利用光弹实验中的等色线条纹级数的强度及等色线条纹类型的特征,对该区应力场进行了估算,圈出了若干应力集中区,并对应力集中区作了分类研究,揭示了在该区发生强震的背景区段。

光弹树脂咬合片的研制

目的:利用光弹树脂材料特性,研制能够直接简便观察咬合应力分布的咬合片,评价其应用效果。方法:使用自制硅橡胶阴模,浇注2种厚度、4种增塑剂比例配方的环氧树脂咬合片。选择10例天然牙列者、5例全口义齿牙列者,从软硬度、可咬性等方面对咬合片作主观评价,并用光弹仪观察各种咬合片咬合印迹,进行客观评价,最后与T-Scan系统进行比较。结果:2-50咬合片既有合适的咬合舒适度,又可清晰反映咬合印迹,与T-Scan检测结果具有可比性。结论:与传统咬合检查方法相比,光弹咬合片可以提供更直观的咬合应力分布信息,有助于咬合相关的疾病诊断和疗效评价。

结构局部应力场全景光弹测量方法研究

针对大型结构局部复杂应力场直观测量的需求,提出了全景光弹测试技术。在经典光弹实验系统中,偏振系统的大小限制了试件尺寸;同时理想光源系统的复杂性降低了实验测量的机动性。由于这两方面的限制导致经典光弹方法在测量大型复杂结构时存在较多的非确定性。为此建立了一个等效偏振系统,通过在试件表面镀制偏振膜的办法将偏振系统依附于试件表面,以解决试件尺寸限制问题。同时放弃了理想光源而采用自然光源,以提高测量的机动性。通过四点弯曲实验来检验本文方法的有效性。结果表明提出的测量技术是有效可靠的。利用本文提出的方法,对实际桥梁中缩尺试件的局部应力场进行了测量,得到了可用于结构模型修正的应力中心线信息。

用于贴片光弹测量的频闪仪的研制

介绍了作为配合反射光弹仪,对高速旋转或周期运动的构件进行应力、应变测量的频闪仪结构及其工作原理、给出了测量实例,该仪器的研制成功,解决了在动态贴片光弹测量中同时获取一个、两个或多个位置的“静止图象”,或者使图象作“慢动作”的问题,在光测技术领域中、有较大的实用价值,

独塔斜拉桥主塔锚固区空间仿真分析与光弹试验

为详细地掌握天津新建海河独塔斜拉桥主塔锚固区在大量大吨位斜拉索的张拉力作用下的复杂应力状态,进行了三维应力分析和1∶50平面光弹模型实验和1∶60三维光弹模型试验。定性和定量地掌握该结构部位复杂应力的分布,为结构设计优化提供了理论基础和依据,保证了重要结构的安全和使用性能,通过有限元计算和光弹性模型实验,可为优化设计、调整设计构造提供科学依据。对该桥主塔结构受载性能的研究,不仅能使本桥主塔设计更合理,对今后类似桥梁主塔的设计工作也具有一定的指导意义。

平面全息光弹性在地震工作中的初步应用

应用海城、唐山、莒县、平陆、荷泽地震的断层模型进行了激光全息光弹实验研究。实验结果获得了应作的等和线和等差线条纹图。 本文描述了唐山地震的实验结果,其结果与唐山地区地震地质资料基本相符。1.唐山等和线和等差线条纹图显示出三个应力集区,与唐山的主震和余震位置一致。2.唐山主应力轨迹线方向为东北方向。这个方向与华北现代构造应力场主压应力方向一致。 激光全息光弹实验方法可以用来探讨不同的构造形态在不同边界条件下的应力分布和变化,从而为较大地震预报提供线索。

光弹贴片法研究混凝土裂缝扩展过程及双K断裂参数的尺寸效应

本文采用最大尺寸为 12 0 0mm× 12 0 0mm× 2 0 0mm的楔入劈拉试件 ,利用光弹贴片法对混凝土预制缝的起裂、稳定扩展直至失稳破坏全过程进行了系统的研究 .采用照相机及数码摄像机拍摄了光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程 ,获得了各级荷载下各试件裂缝的亚临界扩展量 .在此基础上 ,根据试验测得的起裂荷载Pini及最大荷载Pmax计算了混凝土起裂断裂韧度KiniIC 及失稳断裂韧度KunIC .结果表明 ,混凝土KiniIC 与试件高度无关 ,而当试件高度大于 6 0 0mm时 ,所测得的KunIC也与试件高度无关 ,这说明混凝土双K断裂参数 (KiniIC 及KunIC)

动光弹等差条纹的分析与判读

介绍了动光弹的基本原理 ,并从理论上回答了动光弹应用中的一些问题 ,如应力光学定律的适用范围 ,惯性力可否忽略等。同时 ,在总结回顾动光弹等差条纹级次判读方法的基础上 ,提出了把应力波理论与等差条纹分析判读相结合的方法 ,不仅使条纹判读的概念更清晰 ,而且可提高条纹分析和级次判读的准确性。

光弹贴片法研究砼在疲劳荷载作用下裂缝扩展过程

为了研究疲劳荷载作用下砼裂缝扩展过程 ,本文采用光弹贴片法对尺寸为2 0 0 mm× 2 0 0 mm× 2 0 0 mm的楔入劈拉试件预制裂缝稳定扩展直至失稳破坏全过程进行了系统的研究 ,并采用照相机拍摄了光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程 ,得到了砼裂缝长度随疲劳次数的增加而稳定扩展的完整而直观的观测结果 .根据光弹贴片所显示的彩色条纹序列 ,还测得了疲劳荷载作用下砼裂缝尖端附近的主剪应变差分布 .试验表明 ,采用光弹贴片法可有效地测定疲劳荷载作用下砼裂缝扩展过程 .

两种材料桩钉对牙根应力分布影响的三维光弹应力分析

目的 :研究不同弹性模量材料桩钉对牙根应力分布的影响。方法 :根据加载方式和桩钉材料将模型分为四组 ,用三维光弹应力分析法分析FRC桩钉和金属桩钉在两种加载 (垂直和斜向 )方式下牙根内应力分布情况。结果 :桩钉材料对牙根应力分布有明显的影响 ,弹性模量高的合金桩钉组在两种加载方式下在桩钉末端牙体组织内均有较大的应力集中 ,而模量较低的FRC桩钉组牙根应力分布比较均匀。结论 :不同弹性模量材料桩钉对牙根应力分布有明显的影响 ,弹性模量与牙体组织接近的FRC桩钉有利于保护牙根防止折裂。