光学测试方法在土木工程试验教学中的应用研究

汤灿

摘 要 近二十年来，由于激光技术、计算机技术以及图像处理技术的发展及其在光测领域中应用，形成了以云纹干涉、全息干涉、散斑干涉、数字散斑相关等为主要内容的现代光学测试技术。由于光学测试方法具有非接触、全场测量、无附加质量、精度高、速度快等优点，越来越受到科研人员的重视，其应用也在不断扩大。本文介绍了几种光学测试方法研究现状，并探讨了几种光学测试方法在土木工程试验教学中应用的可行性，分析了实验影响因素及误差产生原因，从而培养土木工程专业学生创新思维。

关键词 土木工程专业 试验教学 光学测试技术 课程设计 创新思维

中图分类号：TN911文献标识码：A

1光学测试的方法

光学测试方法有光弹法、云纹方法（包括几何云纹法、云纹干涉法等）、全息干涉法、散斑方法（包括电子散斑干涉法、数字散斑相关法等）、焦散线方法、相干梯度敏感干涉方法等等。一些光学投影法，如栅线投影法与光测力学方法联系密切，也可归类于光测力学方法。其中，光弹法可以测得物体的应力场，云纹法、全息干涉法、散斑方法等测得的是物体的位移场（包括面内位移和离面位移），位移场通过微分计算可以得到应变场，也可以分离出离面位移和斜率，从而得到物体形貌信息。栅线投影法等用于物体三维形貌测量。焦散线方法和相干梯度敏感干涉方法由于其特点，主要应用于断裂力学中，如高应力集中问题、应力强度因子测量等等，总体来说它们的应用不如前几种广泛。

2光学技术在实验性教学中的应用原理

全息即“ 全部信息” 的意思，全息照相不仅记录了物体的振幅信息，而且记录了物体的相位信息。全息照相是在 20 世纪 40 年代被提出，直到20 世纪 60 年代相干光源激光器發明后才得以实现。全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，此即拍摄过程：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束;另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片;其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息，这是一个成像过程。

3土木工程试验教学中光学测试方法的应用

土木工程试验结构的参数应在实际工程结构的可能取值范围内。钢筋混凝土结构常见的试验参数包括混凝土强度等级、配筋率、配筋方式、截面形式、荷载形式及位置参数等;砌体结构常见的试验参数有块体和砂浆强度等级;钢结构试验常以构件长细比、截面形式、节点构造方式等为主要变量。

焦散线方法（Caustic） 是利用纯几何光学的映射关系，将物体，特别是应力集中区域的复杂变形状态，转换成非常简单而清晰的阴影光学图形——焦散线的一种实验方法。 焦散线方法是利用光线照射到结构受力的奇异区上，在成像屏上产生相应的焦散线来分析奇异特征参量。该方法对应力梯度敏感，适用于定量解决应力集中问题。只要测量一个几何长度——焦散斑直径，就可以确定裂纹尖端的应力强度信息，数据简单。它不仅具有较高的测量精度，光路设备简单， 只需要普通白光光源， 有利于与高速摄影装置结合进行动态断裂实验。目前焦散线方法已经被成功的应用于各种静、动态断裂实验研究中。

相干梯度敏感（ Coherent Gradient Sensing， CGS）干涉测量技术是一种具有在线空间滤波效果的非接触、全场横向双栅剪切干涉方法，其原理在于通过光学干涉控制方程建立面内应力梯度或离面位移梯度与光线微小偏转量之间的关系，利用两个平行光栅重组由试件变形导致的折射光束产生干涉条纹。该方法对应力或位移梯度敏感，适合于研究具有高应力集中的断裂等物理现象，其条纹分布直接反映了透射情况下的面内应力梯度场和反射情况下的离面位移梯度场。与其它光测力学方法相比， CGS 技术具有以下优点：对外界振动不敏感;光路简单;灵敏度可调;可以实时、全场测量。目前美国和中国等国家的科研人员正在就 CGS 原理和应用进行深入的研究。

光学投影法主要用于漫反射物体三维形貌和离面变形的测量。其主要测量原理是将光点、细窄光带或二维光学图样（结构光编码图样、散斑、栅线、栅格等）投影到被测物体表面，受被测物体表面几何形状的调制，这些光点、光带和二维光学图样发生位移或变形，通过分析这些位移或变形可解调出物体的三维形貌。

参考文献

[1] 戴福隆，沈观林，谢惠民.实验力学[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2] 宋彧.土木工程试验[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3] 曾磊，许成祥，刘昌明.土木工程实验教学体系改革探索[J].高等建筑教育，2009，18（04）：119-122.

[4] 勾红叶，蒲黔辉，李小珍，肖林.土木工程专业实验教学改革与探讨[J].高等建筑教育，2020，29（01）：133-139.

[5] 牛田新.土木工程专业实验教学改革探索与实践[J].科技风，2017（02）：81.