物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置及方法

摘要

物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置及方法，涉及材料科学、光学实验技术领域。该装置包括背景散斑、力热磁电加载平台、抽真空试验箱、CCD相机及含有计算程序的计算机。该方法利用物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量装置，将被测物体置于力热磁电加载平台上，加力加载、加热、加磁场和电场，在加载前后用CCD相机透过物体拍摄背景散斑，将拍摄图像输入计算机用数字图像相关算法（DIC）计算得到背景散斑的位移场，通过计算可以得到物体的折射率变化分布。本发明结构紧凑，易于实现，可对物体受力、加热和外加电磁场作用下的折射率变化作实时在线、全场分布测量。

主权项

物体在力热磁电多场作用下折射率变化测量方法，其特征在于：该方法采用的装置包括抽真空试验箱(1)、力热磁电加载平台(2)、背景散斑(3)、照明光源(4)、CCD相机(5)及含有计算程序的计算机(6)；被测物体(7)置于力热磁电加载平台(2)上，所述的力热磁电加载平台(2)、背景散斑(3)、照明光源(4)置于抽真空试验箱内，抽真空试验箱上方开有观察窗(1a)，力热磁电加载平台设置在观察窗和背景散斑之间，CCD相机对准观察窗并通过数据线与计算机相连；所述的背景散斑是人工生成的随机图像，所述的被测物体为透明物体；所述方法包括如下步骤：a).将被测物体(7)置于力热磁电加载平台上夹持固定，设定CCD相机与被测物体距离为L，被测物体与背景散斑距离为D，被测物体厚度为B，垂直于厚度方向截面积为S，常温下的折射率为n_o，CCD相机透过被测物体拍摄加载前背景散斑；b).用力热磁电加载平台(2)对被测物体分别施加力、热、磁场、电场或同时施加所述几种加载方式，并记录加载状态应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E，用CCD相机透过被测物体拍摄加载后背景散斑；c).将加载前后的背景散斑图输入计算机(6)，用数字图像相关方法计算加载前后拍摄的背景散斑位移场(ΔX_O，ΔY_O)，其中被测物体表面记为OXY平面，背景散斑平面记为O_oX_oY_o平面，光线沿被测物体厚度方向垂直物体平面透过被测物体,其中ΔX_O、ΔY_O分别为相机记录加载前后散斑X、Y方向位移，φ_x、φ_y分别为光线沿被测物体厚度方向垂直物体表面透过被测物体后的沿X、Y方向偏折角，φ_x、φ_y由下式计算：$\left\{\begin{array}{c}{\phi }_x=\frac{{\mathrm{\Delta X}}_O}{D}\\ {\phi }_y=\frac{{\mathrm{\Delta Y}}_O}{D}\end{array}\right.$被测物体表面在OXY内坐标(x,y)同背景散斑在O_oX_oY_o内坐标(x_O，y_O)有如下关系：$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{L}{L+D}{x}_O\\ y=\frac{L}{L+D}{y}_O\end{array}\right.$d).物体加载后折射率变化值Δn的全场分布由下式计算：$\Delta n(x,y)=\frac{L}{(L+D)BD}·({\int }_0^{\frac{L+D}{L}x}{\mathrm{\Delta X}}_O\left(u,y\right)du+{\int }_0^{\frac{L+D}{L}y}\left({\mathrm{\Delta Y}}_O\left(x,v\right)-\frac{\partial {\int }_0^{\frac{L+D}{L}x}{\mathrm{\Delta X}}_O(u,v)du}{\partial v}\right)dv)$其中为位移ΔX_O沿x方向线积分，为位移ΔY_O沿y方向线积分，被测物体面内折射率n如下式示：n＝n_o+Δn(x,y)被测物体面内平均折射率由下式计算：$\bar{n}=\frac{\int n(x,y)dS}{S}$其中∫n(x,y)dS为折射率n对被测物体垂直于厚度方向截面积S的面积分；e).改变力热磁电加载平台的加载状态，多次重复b)～d)步骤，获得光线透过被测物体后的偏折角(φ_x,φ_y)，计算得到被测物体面内平均折射率记录加载应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E，这样得到多个状态下被测物体面内平均折射率加载应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E，通过拟合得到物体面内平均折射率同应力σ、温度T、磁场强度H、电场强度E影响变化关系式：$\bar{n}=\bar{n}(\sigma ,T,H,E).$