Na stanowisko składaj si: A. Zaborski, Elastooptyka opis stanowiska POLARYSKOP EDUKACYJNY VISHAY 080 Elementy składowe stanowiska i zasada pracy polaryskopu polaryskop, umieszczany na rzutniku pisma, mogcy pracowa jako polaryzator liniowy albo, po obrocie wierfalówek o 45 (zegarowo), jako polaryzator kołowy rama obcieniowa, wsuwana na płozach pomidzy filtry, do obciania modeli mocowanych na sworzniach dodatkowa ramka do obcienia belki zginaniem prostym filtr monochromatyczny o wskim pamie przenoszenia modele elastooptyczne: tarczy rozciganej, tarczy z otworem, tarczy z obustronnym karbem, prta zakrzywionego oraz koło i piercie z zamroonym (utrwalonym) stanem naprenia. Rys.7. Widok ogólny polaryskopu Vishay 080 Polaryskop, rys. 7, składa si z dwóch ramek utrzymujcych polaryzator i analizator w odległoci, umoliwiajcej wstawienie ramy obcieniowej. Ram wstawia si przesuwajc j po płozach. Za pomoc pokrtła kierunku mona obraca jednoczenie polaryzatorem i analizatorem o dowolny kt. Uchwyty znajdujce si na analizatorze umoliwiaj dokonanie niezalenego obrotu analizatora wzgldem polaryzatora. Pomidzy polaryzator i analizator a na zewntrz modelu, rys.8, mona wstawi wierfalówki, umieszczajc je w przewidzianych w tym celu uchwytach.
Rys.8. Układ polaryzacji liniowej i kołowej Jeeli osie optyczne wierfalówek pokrywaj si z osiami polaryzatora skrzyowanego z analizatorem, rys.8a, to polaryskop pracuje jako liniowy (w wietle liniowo spolaryzowanym). Jest tak z uwagi na wzajemne ustawienie polaroidów i wierfalówek. Poniewa o optyczna pierwszej wierfalówki pokrywa si z osi polaryzatora, wiatło liniowo spolaryzowane przechodzi przez ni bez zmian. Mamy do czynienia z jedn tylko składow drga wektora wietlnego, a wic ze wiatłem liniowo spolaryzowanym, które wyrónia jeden z kierunków. Za analizatorem obserwuje si zarówno izokliny jak i izochromy. Jeeli osie obu wierfalówek obrócimy zgodnie i zegarowo o 45, rys.8b, otrzymujemy układ polaryskopu kołowego. wiatło spolaryzowane liniowo w polaryzatorze jest polaryzowane pierwsz wierfalówk kołowo: dwie równe składowe zostaj rozsunite w fazie o wier długoci fali. W rezultacie aden z kierunków nie jest wyróniony i obraz izoklin za analizatorem znika. Budowa polaryskopu Polaryskop Edukacyjny serii 080 firmy Vishay/Measurement Group jest precyzyjnym urzdzeniem optycznym zaprojektowanym specjalnie do zaj dydaktycznych z dowiadczalnej analizy napre metodami elastooptyki. Dziki swoim moliwociom i precyzji, moe take by przydatny take do bada ilociowych. Optycznie, Polaryskop serii 080 jest konwencjonalnym polaryskopem wysokiej jakoci, uywanym wraz z rzutnikiem pisma jako ródłem wiatła. Składa si z dwóch płyt polaryzujcych (polaryzatora i analizatora), wbudowanych w ram polaryskopu, i dwóch wstawianych wierfalówek: dolnej (o wikszej rednicy) i górnej (mniejszej). Polaryzator, analizator i wierfalówki s mechanicznie zespolone dla ewentualnego synchronicznego obrotu, rys.9. Słu do tego dwa pokrtła: wiksze pokrtło kierunku, oraz mniejsze pokrtło blokady kierunku. Rys.9. Polaryskop z ram obciajc model Sposób przygotowania polaryskopu do pracy, a w szczególnoci kierunki wstawiania ramy obciajcej z modelem oraz wierfalówek pomidzy polaroidy, przedstawia rys.10.
Rys.10. Przygotowanie polaryskopu Vishay 080 do pracy Po umieszczeniu polaryskopu na rzutniku, włczeniu wiatła i prawidłowym zogniskowaniu obrazu na ekranie (zazwyczaj przez podniesienie głowicy projekcyjnej powyej normalnej pozycji), na ekranie pojawia si czerwony piercie, wraz z umieszczonymi na nim skalami i wskanikami, rys. 11. Rys.11. Widok ekranu: skale pomiarowe polaryskopu Skala po wewntrznej stronie piercienia wskazuje obrót osi analizatora wzgldem polaryzatora z dokładnoci podziałki 0.01 radiana. W pozycji 0 i 100 osie polaryskopu s skrzyowane i wiatło jest wygaszane. W pozycji 50 jasno wiatła jest najwiksza. Skala ta, zwana powszechnie skal kompensacji albo skal Tardy, słuy do pomiaru ułamkowych rzdów izochrom (rzdu setnych czci). Skala po zewntrznej czci piercienia wskazuje obrót, w stopniach ktowych, osi optycznych polaryskopu wzgldem osi odniesienia. Powszechnie zwana skal kierunku, słuy do okrelania kierunków napre głównych wzgldem układu odniesienia. Litery D (direction) i M (magnitude), pojawiajce si na piercieniu, słu do właciwego ustawienia wierfalówek. Jeli ich uchwyty (i bolce blokujce) znajduj si w połoeniu D, wierfalówki s optycznie (nie: fizycznie) usunite z układu i wiatło jest spolaryzowane liniowo. Analogicznie, połoenie M oznacza uzyskanie wiatła spolaryzowanego kołowo.
Innym elementem polaryskopu jest rama obciajca, rys. 12, słuca do zadawania obcienia na modelach, mocowanych trzpieniami w uchwytach umieszczonych na jej trawersach. Jest ona wsuwana pomidzy polaryzator i analizator od czoła, przy czym elementy wsporcze powinny przesuwa si po płozach polaryskopu. Rama jest zazwyczaj wyposaona w dynamometr mierzcy zadawane obcienie (sił): mechaniczny bd elektryczny. Rys.12. Rama obciajca Dla modeli z zamroonymi napreniami, zamiast ramy obciajcej, uywana jest płyta wsporcza na której umieszcza si i ustawia modele. Rys.13. Modele elastooptyczne Zestaw modeli, rys. 13, dostarczanych wraz z polaryskopem, zawiera 6 próbek: cztery nie naprone modele rozcigane i dwa ze wstpnymi (zamroonymi) napreniami ciskania. Aby unikn zniszczenia modeli rozciganych, obcienie powinno by ograniczone do 267 N lub mniej. Aby otrzyma proste zginanie belki, stosuje si dodatkow ramk obciajc, mocowan w ramie zasadniczej, rys. 14. Przeniesienie obcienia dokonuje si poprzez dwie sztywne ramy, z których jedna przesuwa si przechodzc przez jeden z trawersów drugiej. Na przezroczystych prowadnicach umieszcza si stalowy element dociskajcy i model beleczki zginanej. Elementy s tak ukształtowane, aby mona było wywoła stan prostego zginania w rodkowym przle beleczki.
Rys.14. Ramka dodatkowa do zginania prostego belki Dodatkowym elementem optycznym, pomocnym w obserwacji efektów elastooptycznych, jest monochromator, umieszczany na analizatorze lub trzymany w rce. Jest to filtr o wskim pamie przenoszenia fali przechodzcej przez układ, umoliwiajcy łatwiejsz interpretacj obrazu na ekranie. Pomiar kierunków napre głównych Umieszczamy model w polaryskopie tak, aby interesujcy obszar był wyranie widoczny w polu wiatła spolaryzowanego. Majc na uwadze, e kierunek pomiarów jest znaczcy dla ustalonego kierunku odniesienia, wybieramy odpowiedni o odniesienia. W wikszoci przypadków, o odniesienia bdzie natychmiast sugerowana kształtem i ułoeniem modelu - tj. osi symetrii, prostoliniowym brzegiem, kierunkiem obcienia, itp. Gdy uywa si ramy obciajcej najlepszym wyborem jest kierunek działania obcienia. Uywajc pokrtła kierunku (po upewnieniu si e jest odblokowane) obracamy polaryskop do pokrycia si pozycji 0 na skali kierunku ze wskanikiem kierunku. Wówczas, o odniesienia modelu w ramie obciajcej bdzie automatycznie pokrywa si z kierunkiem 0. Jeli rama obciajca nie jest uywana, ustawiamy model tak, aby jego osie odniesienia pokryły si z osiami odniesienia polaryskopu. Ustawiajc skal kompensacji analizatora na pozycji 0 i wierfalówki w pozycji M, obserwujemy nieobciony model. Model powinien by jednolicie czarny (chyba e został uyty model z napreniami zamroonymi). Zadajemy obcienie testowe na modelu, najlepiej przyrostowo, obserwujc wzór izochrom pojawiajcy si w trakcie obciania. Tłustym ołówkiem umieszczamy mały krzyyk na modelu w kadym miejscu, gdzie zamierzamy dokona pomiaru kierunku i wielkoci. Podpisujemy kady z punktów liter albo liczb. Analizujemy układ prków i notujemy połoenie wszystkich czarnych izochrom zerowego rzdu jakie tylko si pojawi. Obracamy wierfalówki do połoenia D (kierunku). Takie ustawienie powoduje nakładanie si izoklin na wzór izochrom. Izokliny pokrywaj wszystkie punkty w polu widzenia, w których kierunki osi głównych s równoległe i prostopadłe do kta 0 na skali kierunku (o polaryskopu).
Izokliny mog by odrónione od izochrom (włczajc czarne izochromy zerowego rzdu, jeli wystpuj) jedn z dwóch technik: powoli obracamy pokrtło kierunku wstecz i wprzód o, powiedzmy, 20 izokliny zmieniaj swoje połoenie wraz z obrotem, podczas gdy izochromy - nie. jeli to moliwe, zwikszamy i zmniejszamy obcienie modelu; izochromy zmieniaj swoje połoenie, szeroko i konfiguracj wraz z obcieniem, podczas gdy izokliny - nie. Uywajc pokrtła kierunku, obracamy z powrotem polaryskop do połoenia 0 na skali kierunku i obserwujemy pierwszy z punktów testowych, zaznaczony wczeniej na modelu. Wykluczajc zupełny przypadek, prek izokliny 0 stopni nie przejdzie wprost przez wybrany punkt. Obracamy polaryskop pokrtłem kierunku tak, aby czarna izoklina przechodziła przez badany punkt. Korygujemy połoenie tak, aby najciemniejsza cz izokliny pokryła punkt. Połoenie 0 polaryskopu pokrywa si teraz z kierunkiem głównych napre w punkcie badanym jak i we wszystkich punktach wzdłu izokliny. Wskanik kierunku wskazuje teraz obrót osi polaryskopu wzgldem osi głównych napre. Jeli w punktach, tworzcych mniej lub bardziej gst siatk, naniesiemy na modelu kierunki główne napre moemy skonstruowa ich trajektorie, rys. 15. Rys.15. Konstrukcja trajektorii napre głównych Pomiar rzdów izochrom Izochromy obserwowane s w wietle spolaryzowanym kołowo. W celu uzyskania wiatła spolaryzowanego kołowo, naley ostronie wstawi wierfalówki i ustawi je w połoeniu M. W dalszej czci pomiaru wykorzystuje si właciwoci izochrom, opisane wczeniej. Pomiar ułamkowych rzdów izochrom metod Tardy Ustawiamy wierfalówki w pozycji M, analizujemy obszar, gdzie pomiar bdzie przeprowadzany. Okrelamy izochromy całkowitego rzdu (0, 1, 2, 3, itd.) na modelu i oznaczamy kady z nich jego rzdem. Wybieramy punkty w których naprenie bdzie okrelane i zaznaczamy je dobrze zaostrzonym mikkim ołówkiem w postaci niewielkich krzyyków (+). Numerujemy punkty. Obracamy wierfalówki do pozycji D obserwacji izoklin. Odblokowujemy pokrtło kierunku i obracamy polaryskop tam i z powrotem o niewielki kt, zwracajc uwag na czarne prki izoklin które przemieszczaj si wraz z obrotem. Ostronie obracamy cało tak, aby uzyska najciemniejszy pas izokliny w pierwszym z badanych punktów. Osie polaryskopu pokrywaj si wówczas z kierunkami napre głównych w tym punkcie. Blokujemy połoenie pokrtła kierunku w tej pozycji. Obracamy wierfalówki do pozycji M, eliminujc izokliny.
Obracamy analizator w prawo za pomoc mosinych uchwytów, izochromy przemieszcz si wraz z obrotem analizatora. Obracamy dotd a jaka izochroma nasunie si na badany punkt. Ostronie ustawiamy analizator tak aby wyrodkowa izochrom (odcie przejcia) nad punktem i odczytujemy ułamek, r (wyraony w setnych rzdu), na skali kompensacji. Jeli, przy obrocie analizatora w prawo, izochromy niszego rzdu (n, na rys. 20) przesuwaj si do badanego punktu, wynikowy rzd izochromy w tym punkcie wynosi: N = n + ułamek = n + r, (N dodatnie) Jeli prek wyszego rzdu (n+1, na rys. 20) przesuwa si w kierunku badanego punktu przy obrocie analizatora w prawo, kocowy rzd izochromy wynosi: N = (n + 1 ułamek) = (n + 1 r), (N ujemne) Stosujc konwencj znakowania dla N jak zdefiniowano powyej, obliczamy rónic napre głównych w badanym punkcie ze wzoru. ŁAWA ELASTOOPTYCZNA Budowa polaryskopu firmy Carl Zeiss Jena jest podobna do poprzednio opisanego. Jedyna powaniejsza rónica polega na tym, e wierfalówki s zespolone odpowiednio: jedna z polaryzatorem a druga z analizatorem. Wskutek tego przejcia z pracy w wietle kołowo spolaryzowanym do polaryzacji liniowej dokonuje si poprzez przełoenie zintegrowanych opraw filtrów wierfalówkami na zewntrz z zachowaniem skrzyowania polaryzatora z analizatorem, rys.16. Rys.16. Układ polaryzacji liniowej i kołowej W pierwszym przypadku, rys.16a, wiatło przechodzce przez model jest spolaryzowane liniowo po przejciu przez polaryzator. W drugim, rys.16b, układ filtrów jest identyczny jak w polaryskopie Vishay 080 w układzie zapewniajcym kołow polaryzacj wiatła przechodzcego przez model. Strzałki na rysunku obrazuj sposób przełoenia filtrów.
Rys.17. Ogólny widok ławy elastooptycznej Na łou ławy, rys. 17, znajduje si w obudowie powierzchniowe ródło wiatła w postaci jarzeniówki specjalnego typu oraz filtr monochromatyczny. Zarówno polaryzator jak i analizator znajduj si w zintegrowanych oprawach z naniesion skal ktow, mocowanych w obrotowych oprawach zewntrznych. Na zewntrz obudowy ławy znajduje si korba, któr mona obraca opraw z analizatorem, albo - po wykorzystaniu moliwoci mechanicznego sprzenia - obiema oprawami synchronicznie. Na prowadnicach łoa mocowana jest rama obciajca, rys. 18, w której mocowane s na sworzniach badane modele. Rys.18. Rama obcieniowa (widok od strony analizatora) Sposób pracy na tym stanowisku, poza wymienionymi szczegółami, jest zasadniczo taki sam jak dla polaryskopu Vishaya. OBSŁUGA SIŁOMIERZA 082A Siłomierz 082A firmy Vishay składa si z przetwornika elektrycznego przenoszcego obcienie na model. Sygnał z przetwornika jest przekazywany do mostka aparatu odczytowego P-3500. Mostek zasilany jest z sieci bd z własnego akumulatora.
Przygotowanie urzdzenia do pracy rozpoczynamy od ustawienia przycisku mostka (BRIDGE) w pozycji "pełny" (FULL), wybrania połoenia X1 mnonika (MULT) i wcinicia przycisku zerowania amplitudy (AMP ZERO). Odczekujemy co najmniej 2 minuty aby urzdzenie nagrzało si a parametry pracy ustabilizowały si. Małym pokrtłem kontrolnym zerujemy odczyt na AMP ZERO. Poprzez wcinicie przycisku GAGE FACTOR, obrót pokrtła do uzyskania właciwej wartoci oraz zablokowanie pokrtła we właciwym połoeniu ustawiamy stał czujnika (gage factor, GF) na 0.899, co odpowiada wskazaniom 1 działki na 1N siły w ustawieniu mnonika X1 i 1 działki na 10N siły w ustawieniu X10 (ustawieniu 4.000 odpowiada 1 działka na jeden funt). Po naciniciu przycisku RUN zerujemy wskazania BALANCE, zmieniajc w razie potrzeby zakres przełcznikiem. Urzdzenie jest gotowe do odczytu siły. Rys.19. Płyta czołowa mostka.