范乃胤 劉 權(quán) 李記輝

(河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450008)

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玻璃應(yīng)力檢測儀校準(zhǔn)方法的探索

范乃胤 劉 權(quán) 李記輝

(河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450008)

提出了一種玻璃應(yīng)力檢測儀的校準(zhǔn)方法并給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)器的設(shè)計(jì)思路，該標(biāo)準(zhǔn)器是根據(jù)玻璃各向異性的物理特性而設(shè)計(jì)的一種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板。對標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板相應(yīng)位置施加標(biāo)準(zhǔn)力值使其產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)玻璃內(nèi)應(yīng)力，再使用玻璃應(yīng)力檢測儀對其進(jìn)行測量得出玻璃應(yīng)力值，該測量應(yīng)力值與玻璃板標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力值進(jìn)行對比，從而給出玻璃應(yīng)力檢測儀示值的誤差。該校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)器為玻璃應(yīng)力檢測儀的量值溯源提供了一種可行方案，為玻璃生產(chǎn)中對產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了一定幫助。

玻璃應(yīng)力檢測儀；人造各向異性；標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板；校準(zhǔn)

0 引言

在玻璃制造過程中，由于外界溫度差和機(jī)械力等因素作用的影響，在玻璃內(nèi)有一定的應(yīng)力存在[1]。玻璃內(nèi)應(yīng)力一般可分為兩種：暫時(shí)應(yīng)力和永久應(yīng)力，其產(chǎn)生的原因也主要來自兩方面：一是由機(jī)械力的作用所造成的，另一方面是由物體內(nèi)外溫度差而造成的。玻璃的內(nèi)應(yīng)力是影響玻璃機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的主要因素。如果玻璃內(nèi)應(yīng)力極不均勻，將會(huì)降低玻璃制品的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，影響制品的安全使用，甚至?xí)l(fā)生自裂現(xiàn)象。但是玻璃中的內(nèi)應(yīng)力也不是完全不利的，在玻璃的制造工程中適當(dāng)?shù)乜刂苾?nèi)應(yīng)力，反會(huì)增加玻璃的強(qiáng)度。鋼化玻璃就是利用淬火處理來改善玻璃機(jī)械強(qiáng)度的一個(gè)典型例子，特殊玻璃品種對內(nèi)應(yīng)力的要求更加復(fù)雜[2]。因此，測量玻璃的內(nèi)應(yīng)力是控制玻璃質(zhì)量的一種手段，特別是質(zhì)量要求較高的貴重或精密的產(chǎn)品尤其重要。控制玻璃內(nèi)應(yīng)力首先需要準(zhǔn)確測量其內(nèi)應(yīng)力，玻璃應(yīng)力檢測儀可以對其應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測定。所以，玻璃應(yīng)力檢測儀在玻璃生產(chǎn)過程中是一個(gè)非常重要的儀器。

隨著企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量的重視，量值溯源也越來越重要起來。近年來，不斷有企業(yè)要求對玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測儀進(jìn)行校準(zhǔn)，但是目前還沒有相應(yīng)的校準(zhǔn)依據(jù)及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)器，這就造成了生產(chǎn)企業(yè)在玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測儀的量值溯源過程中遇到很多麻煩。因此，設(shè)計(jì)一種既便捷又經(jīng)濟(jì)的玻璃應(yīng)力檢測儀校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)器無論對于企業(yè)量值溯源還是對計(jì)量檢定人員來說都具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 玻璃內(nèi)應(yīng)力與光程差的關(guān)系

一般沒有內(nèi)應(yīng)力的玻璃是一種均勻透光的介質(zhì)，具有各向同性的特性，當(dāng)一束單色光通過其中時(shí)，光速與其傳播方向和光波的偏振面均無關(guān)，不會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象(如圖1所示)。但是，當(dāng)玻璃受外界機(jī)械力的作用或其內(nèi)外有溫度差而使玻璃具有殘余內(nèi)應(yīng)力時(shí)，玻璃的各向同性將會(huì)被打亂，在光學(xué)上就成為各向異性體。當(dāng)一束單色光通過此玻璃時(shí)就會(huì)分解為o光(ordinary)和e光(extraordinary)兩束光(如圖2所示)，o光、e光均為線偏振光，其中o光服從折射定律，e光不服從折射定律。o光和e光兩者到達(dá)有應(yīng)力玻璃的另一表面時(shí)，必然有相位差。

圖1 無應(yīng)力玻璃

圖2 有應(yīng)力玻璃

設(shè)Δφ為o光與e光的相位差，則：

(1)

式中：ne和no分別為o光和e光主方向上的折射率；L為光穿過玻璃的厚度。

設(shè)δ為o光與e光的光程差，則：

δ=(ne-no)·L

(2)

有應(yīng)力存在的玻璃其兩主折射率與應(yīng)力值的關(guān)系：

ne-no=CB(σe-σo)

(3)

式中：CB為應(yīng)力光學(xué)常數(shù)，它是物理常數(shù)，僅與玻璃品種有關(guān)。

由式(1)、(2)和(3)可得出玻璃內(nèi)應(yīng)力σ與o光和e光的光程差δ、相位差Δφ的關(guān)系分別如式(4)和(5)所示。

(4)

根據(jù)式(4)，只要測出o光和e光的光程差δ或相位差Δφ，就可計(jì)算出玻璃的內(nèi)應(yīng)力σ。

2 玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測儀的工作原理

玻璃內(nèi)應(yīng)力有關(guān)測量主要有偏光儀觀測法、干涉色法和補(bǔ)償器測定法等幾種。偏光儀觀測法可以定性地估算光程差的大小，但不可以進(jìn)行定量測定；干涉色法能進(jìn)行定量測定，但精度不高受到限制；只有補(bǔ)償器測定法能夠進(jìn)行比較精密的光程差測量，下面主要以第三種檢測方式對玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測儀的工作原理進(jìn)行闡述。

利用補(bǔ)償器測定法測量玻璃應(yīng)力的檢測儀的工作原理如圖3所示，光源發(fā)出的自然光經(jīng)起偏器后，變?yōu)榫€偏振光1(假設(shè)其光矢量方向?yàn)榇怪狈较?，此時(shí)旋轉(zhuǎn)檢偏器使之與線偏振光1正交，那么線偏振光1將完全不能通過檢偏器，用眼睛觀察時(shí)視場呈黑色。若在光路中放入有內(nèi)應(yīng)力的玻璃試樣時(shí)，該線偏振光1通過玻璃試樣后被分解為具有光程差的o光和e光，這兩束線偏振光通過1/4波片后，又被合成為線偏振光2，但此時(shí)的線偏振光2的光矢量方向和線偏振光1的光矢量方向有一偏角。因此，在視場中就可看到兩條黑色條紋隔開的明亮區(qū)。旋轉(zhuǎn)檢偏器，重新使玻璃中心變黑，讀出檢偏器的旋轉(zhuǎn)角度Δθ。

圖3 玻璃應(yīng)力檢測儀工作原理圖

由理論推導(dǎo)可知，玻璃試樣的光程差δ與偏轉(zhuǎn)角Δθ成正比，即：

δ=lΔθ/p

(5)

式中，l為照射光源的波長，將式(5)代入式(4)中，便可計(jì)算出玻璃內(nèi)應(yīng)力值σ。

(6)

3 玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測儀校準(zhǔn)原理和校準(zhǔn)方法

3.1 校準(zhǔn)原理

人造各項(xiàng)異性產(chǎn)生的原理如圖4所示，在外界機(jī)械力的作用下，具有各項(xiàng)同性的無應(yīng)力玻璃中將會(huì)引起明顯的優(yōu)勢方向，同時(shí)在玻璃內(nèi)部也會(huì)伴隨著玻璃分子的重新排列從而可以形成人造各項(xiàng)異性的有內(nèi)應(yīng)力存在的玻璃。

圖4 人造各項(xiàng)異性產(chǎn)生的原理圖

當(dāng)以單向壓縮或單向拉伸力F作用在厚度為L、寬度為H的無應(yīng)力玻璃中時(shí)，由人造各項(xiàng)異性玻璃制造原理可知，玻璃內(nèi)部將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而形成了雙折射玻璃。此時(shí)當(dāng)波長為l的單色光沿L方向通過玻璃時(shí)，o光與e光間產(chǎn)生的相位差為：

(7)

由人造各項(xiàng)異性產(chǎn)生的理論[3]可知，對一塊無應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)玻璃施加標(biāo)準(zhǔn)力F后，其內(nèi)部將產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力，該內(nèi)應(yīng)力值可表示為：

σ=σe-σo=F/(LH)

(8)

根據(jù)式(8)，只要能夠?qū)α和玻璃的截面積(LH)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，即可使人造各項(xiàng)異性玻璃產(chǎn)生所需要的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力，從而通過便于控制的力值表達(dá)出玻璃的內(nèi)應(yīng)力值。

由式(7)和式(8)可知o光與e光間相位差與施加力值之間關(guān)系為：

(9)

圖5為對人造各項(xiàng)異性玻璃內(nèi)應(yīng)力值的測量裝置示意圖，裝置中支架有一定的高度，使待測標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板與桌面之間留有足夠的空間以放下玻璃應(yīng)力儀。測量時(shí)，給擋板施加一系列標(biāo)準(zhǔn)砝碼力值，使得標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力，從而通過玻璃應(yīng)力儀讀出相應(yīng)的一系列相內(nèi)應(yīng)力值，再與理論公式(8)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

圖5 玻璃內(nèi)應(yīng)力值的測量裝置示意圖

3.2 校準(zhǔn)方法

依據(jù)這種產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力的方法我們可以設(shè)計(jì)一種校準(zhǔn)玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測儀的標(biāo)準(zhǔn)器。該標(biāo)準(zhǔn)器主要是一標(biāo)準(zhǔn)無應(yīng)力玻璃塊，并且當(dāng)作用力取消后，內(nèi)應(yīng)力也隨著消失。由于其標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力是由外界機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的，所以屬于暫時(shí)應(yīng)力，只要加以適當(dāng)保養(yǎng)，可以重復(fù)使用，能夠滿足計(jì)量校準(zhǔn)的要求。

使用該標(biāo)準(zhǔn)器對玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，首先，給標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊施加一系列適當(dāng)?shù)牧i使其產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力σi。使用待檢玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測儀對產(chǎn)生的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力σi測量k次，記錄測量值σik，取其每個(gè)內(nèi)應(yīng)力測量值的平均值作為最終測量值：

(10)

這樣就可以檢驗(yàn)玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測儀的示值是否準(zhǔn)確，并能得到相應(yīng)受檢點(diǎn)的示值誤差。

需要強(qiáng)調(diào)的是，測出的應(yīng)力不是玻璃內(nèi)應(yīng)力的絕對值，而是o光、e光方向上二主應(yīng)力之差，有時(shí)雖然測出的應(yīng)力為零，但實(shí)際上二主應(yīng)力還是均存在的，只不過二者相等而已。典型例子是平板玻璃，從平面上看，存在各向相等的表面壓應(yīng)力及板芯張應(yīng)力，表面壓應(yīng)力在數(shù)值上等于2倍板芯張應(yīng)力，采用平面透射光測量時(shí)并不能測出應(yīng)力，原因就是σe=σo。在校準(zhǔn)過程中應(yīng)注意這一點(diǎn)，盡量使得標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊產(chǎn)生不同的主應(yīng)力。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

如圖5所示，試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板的L為2.5cm，H為1cm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，給擋板施加一系列標(biāo)準(zhǔn)砝碼也就是施加標(biāo)準(zhǔn)力值，從而使玻璃內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的雙折射現(xiàn)象，最后通過玻璃應(yīng)力儀讀出相應(yīng)的玻璃內(nèi)應(yīng)力值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 玻璃板內(nèi)應(yīng)力測量數(shù)據(jù)

從表1中可知，兩次測量數(shù)據(jù)在相同標(biāo)準(zhǔn)力值下，所測量標(biāo)準(zhǔn)玻璃內(nèi)應(yīng)力最大相差 0.4MPa，表明測量結(jié)果的重復(fù)性比較好。同時(shí)與理論計(jì)算值對比，兩次測量值與理論計(jì)算值最大偏差為0.36MPa，偏差較小。

圖6中以玻璃板施加的標(biāo)準(zhǔn)力值為橫坐標(biāo)，玻璃板的內(nèi)應(yīng)力值為縱坐標(biāo)，對表1中的兩次測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的結(jié)果圖。第一次和第二次測量數(shù)據(jù)的線性擬合函數(shù)分別為y1=0.0271x+0.1733和y2=0.0264x+0.0533，擬合度分別為0.9921和0.9915，表明此標(biāo)準(zhǔn)玻璃片所受力值與產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力線性度比較好。

圖6 施加的標(biāo)準(zhǔn)力值與玻璃板內(nèi)應(yīng)力測量值的關(guān)系圖

5 結(jié)束語

本文在對標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力原理與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種玻璃內(nèi)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)器即：標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板。該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的所需要的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力值，為玻璃應(yīng)力檢測儀的量值溯源提供了一種可行方案，為玻璃生產(chǎn)中對產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了一定幫助。

對標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊施加壓力時(shí)，沿著施加壓力方向上玻璃表面將受到壓應(yīng)力，同時(shí)與施加壓力垂直的方向上將受到張應(yīng)力，然而只有垂直于光路的應(yīng)力才能被測出，因此對標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊受到外界機(jī)械作用力后主應(yīng)力方向的研究具有重要實(shí)際意義。

[1] 肖成珍,劉培先,張繼磊,林超,袁鐵生.淺析玻璃應(yīng)力的產(chǎn)生及消除[J].太陽能,2012(19):62-64.

[2] 馬軍,趙國華.鋼化玻璃應(yīng)力斑的成因分析及控制[J].玻璃,2009(1):43-44

[3] [蘇]JI.A,諾維茨基著.朱源宏，譯.實(shí)驗(yàn)室光學(xué)儀器[M].中國計(jì)量出版社,1986

[4] 馮國進(jìn),王煜,李平.偏光應(yīng)力儀校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展概況,計(jì)量技術(shù), 2014(1)

[5] 朱啟榮,楊國標(biāo).馬赫-曾德光纖傳感器應(yīng)變性能實(shí)驗(yàn)研究.計(jì)量學(xué)報(bào), 2009(3)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.18