1.1 国内外光弹性参数研究发展状况
1.2 测量应力的方法
1.2.1 干涉色法
图1-1是测定玻璃内应力的应力仪的光路图。图中S是光源,起偏器P0和检偏器P1是正交的,G是待测玻璃,W是全波片。眼睛调节于待测玻璃的表面,毛玻璃的作用在于它被照明后就成为一个漫射光源,以便使眼睛能同时看到整个表面上的干涉图样。
如果内应力不均匀,就可以看到干涉图样。干涉色与光程差之间有着完全对应的关系(见表1.3),根据干涉色就可以测出玻璃所产生的光程差。但一般光学玻璃的内应力比较较小,所引起的光程差不大。为了提高测量精度,实验中常常添加一个全波片,并让其快慢轴与偏振片的透光轴成45°角。这样一来,产生干涉的两束的光程差就在560纳米附近,干涉色随玻璃内应力的变化就很敏感了。通常,这个全波片也叫做灵敏色片。
表1.3 干涉色-光程差表[2]
但是,必须要明白,由于是人眼直接观察,存在很大的随机误差,经验不同的人也常常会得到不同的结果,一般误差为20-50纳米左右,不适用与精密测量的使用。
1.2.2 四分之一波片法[2][10]
测量装置如图1-2,与干涉色法的装置图基本相同,只是把全波片W换成了1/4波片,并且让1/4波片的快轴方向与起偏器P1的透光轴方向平行,并用单色光入射。并保证检偏器P2可以旋转,但起初与P1正交。
图1-2 1/4波片法测定玻璃内应力
利用琼斯矩阵[3]的方法求出通过1/4波片后的偏振态。选择X,Y轴分别沿着1/4波片的快慢轴,并让玻璃快慢轴的方向与起偏器的透光轴成±45°角。设玻璃产生的光程差为Δ,则位相差为
根据琼斯矩阵计算,线偏振光通过玻璃和1/4波片后的偏振态为:
若玻璃的内应力不大, 不超过360°,出射的线偏振光的光矢量与1/4波片快轴的夹角γ就等于
由此
若 ,则 ,即说明光矢量是在X轴方向,与P2的透光轴垂直,视场是全暗的。若 ,则 ,视场是亮的。这样,把P2转到消光位置,则转动角度就等于 ,这样就很容易求得玻璃产生的相位差 ,这样就知道了光程差 ,之后除以玻璃厚度就可以得到玻璃的折射率。
1/4波片法的精度较高,误差只有几个纳米,但是作为人工光弹方法,只能获得单点信息,而无法得到玻璃整体的应力状态。在这个计算机应用技术,光电检测技术,图像技术大力发展的时代,显然不能满足测量的需求,传统的方法纷纷向光电自动化测量的方向发展,自动光弹性技术应运而生。下面我们将着重介绍一些常用的自动光弹性测量技术测量手段[8]。
1.2.3 Babinet补偿器法[15]
Babinet补偿器是一种光程差可调的双折射元件,相当于在应力仪中加入一个应力值可调的人工应力片,其方向与被测玻璃样品中的应力方向相反,当两者数值相等时,应力相互抵消,在正交偏光下观察到消光黑条纹。
Babinet补偿器一般由两块石英楔构成,二者尺寸相同,光轴互相垂直。一块是固定的,另一块可滑动,滑动的位置由测微螺杆转换成读数,光程差值与石英楔滑动的距离成线性关系。
此种方法操作较为简单,首先确定被测点的主应力方向,旋转补偿器测微螺杆,直至被测点为黑条纹所覆盖,记下测微螺杆读数并乘以补偿器常数即得到玻璃的应力值。应力的方向亦根据测微螺杆旋转方向加以确定。
此法操作简单,精度高。不足之处是补偿器价格昂贵。
1.2.4 Senarmont定量应力测量法
Senarmont应力测量法的装置示意图如图1-3下:
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