偏光應(yīng)力儀校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展概況

　　作者：馮國進(jìn) 王煜 李平 (中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京，100013)

　　偏光應(yīng)力儀大量應(yīng)用于玻璃、塑料等透明材質(zhì)的內(nèi)部應(yīng)力檢測。長期以來該儀器的校準(zhǔn)一直難以實(shí)施，本文介紹了基于光強(qiáng)法的光學(xué)相位延遲的量值復(fù)現(xiàn)原理及相應(yīng)的測量裝置，闡述了光學(xué)相位延遲量值的傳遞過程和相關(guān)問題。

　　關(guān)鍵詞:偏光應(yīng)力儀、偏光儀、校準(zhǔn)、相位延遲、標(biāo)準(zhǔn)片

　　一、 背景介紹

　　玻璃等透明材料存在的內(nèi)部應(yīng)力是這些材料的極為重要的物理指標(biāo)。該應(yīng)力的存在不僅導(dǎo)致材料表面會(huì)隨時(shí)間而慢慢變形，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，而且應(yīng)力分布不均勻嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起自爆。近期發(fā)生的玻璃幕墻自爆事件，以及啤酒瓶的安全事件就是其典型事例。因此，對該類材料內(nèi)部應(yīng)力的準(zhǔn)確測量顯得尤為重要。

　　目前，市面上用于測量透明材料內(nèi)部應(yīng)力的儀器主要為偏光應(yīng)力儀(又稱偏光儀)。其測量原理基于應(yīng)力雙折射檢測，即：玻璃是各向同性體，各方向的折射率相同。如果玻璃中存在應(yīng)力，各向同性的性質(zhì)會(huì)受到破壞，引起折射率的變化，兩個(gè)主應(yīng)力方向的折射率不再相同，會(huì)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。雙折射導(dǎo)致材料產(chǎn)生光學(xué)相位延遲，其相位延遲值與應(yīng)力值的關(guān)系由下式確定：

　　δ=CΔσ

　　式中：δ為相位延遲;Δσ為x及y方向的應(yīng)力差;C為應(yīng)力光學(xué)常數(shù)，它是物性常數(shù)，僅與玻璃品種有關(guān)。只要能測量出相位延遲值，就可以知道材料的內(nèi)部應(yīng)力。并且，絕大多數(shù)偏光應(yīng)力儀給出的量值就是相位延遲值。

　　雖然該項(xiàng)測試與人們的安全息息相關(guān)，但由于相關(guān)的校準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范及檢定規(guī)程至今尚未建立，相關(guān)的量傳體系也沒有完善，因此，偏光應(yīng)力儀的校準(zhǔn)一直存在問題。

　　二、 相位延遲值校準(zhǔn)

　　1、相位延遲值的絕對校準(zhǔn)

　　目前測量理論上，測量材料相位延遲值的方法很多，如光強(qiáng)法、相位延遲橢偏測量法、光譜掃描測量法、偏振調(diào)制法、光學(xué)差拍法、補(bǔ)償法、半陰法、光強(qiáng)法和諧振腔法等。

　　國際上真正用于計(jì)量校準(zhǔn)的方法為光強(qiáng)法，由美國NIST建立[8J，并提供對外服務(wù)。我們目前已經(jīng)初步建成了相位延遲校準(zhǔn)裝置，并開始對外提供校準(zhǔn)服務(wù)。其裝置原理圖如圖1所示：

　　圖1中P，A為偏振片，S為待測樣品;E1，E2為編碼器驅(qū)動(dòng)器;Q1，Q2為驅(qū)動(dòng)器;A1，A2為高精度電流表。

　　延遲量校準(zhǔn)裝置包括：光源部分、測量光路、探測器部分、轉(zhuǎn)角控制機(jī)構(gòu)(分辨率為0.01o)、采樣控制機(jī)構(gòu)和各部分的供電電源，以及各種輔助性能檢測部分(光源穩(wěn)定性監(jiān)測機(jī)構(gòu))等。

　　安裝在光學(xué)平臺(tái)上的多波長激光器發(fā)出的激光作為光源同時(shí)兼為光路調(diào)整的基準(zhǔn)。利用它可以準(zhǔn)確定位各個(gè)器件在光路中的偏轉(zhuǎn)角度、反射鏡的方向、樣品定位的準(zhǔn)確性及其表面是否垂直于光路等。

　　該裝置相位延遲量測量擴(kuò)展不確定度為U=0.16。(k=2)?？紤]到大多數(shù)偏光應(yīng)力儀測量精度不足為1o , 能夠滿足需求。部分儀器用nm為單位表示，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

　　δ(nm)=δ(o)

　　2、 相位延遲的校準(zhǔn)

　　儀器的校準(zhǔn)一般依據(jù)已經(jīng)具有標(biāo)準(zhǔn)值的標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行校準(zhǔn)。目前市場上可用于校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)片大致有兩種：一是利用云母、石英和方解石等制成，其特點(diǎn)是成本高、精度高。另一種為在一定基材上，施加壓力使之產(chǎn)生相位差，成本低但精度差。從面的均勻性和年穩(wěn)定性角度說，第一種類材料的量值要遠(yuǎn)好于第二種材料;從應(yīng)用上講，第一類材料制成的標(biāo)準(zhǔn)片基本可以滿足要求。

　　利用該類標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行偏光應(yīng)力儀校準(zhǔn)過程，請參看圖2。

　　三、目前存在的問題

　　當(dāng)前偏光應(yīng)力儀校準(zhǔn)存在的主要問題為：校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)片缺乏，標(biāo)準(zhǔn)值過少;儀器量值覆蓋范圍偏于窄小等。

　　1、 目前，市場上絕大多數(shù)偏光應(yīng)力儀，沒有配備校準(zhǔn)儀器用的標(biāo)準(zhǔn)片，量值準(zhǔn)確性無法保證。少數(shù)高端偏光應(yīng)力儀配備了校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)片，但該類標(biāo)準(zhǔn)片大多只有一片，標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)相位延遲值也只有一個(gè)，校準(zhǔn)量值覆蓋范圍極為有限(常規(guī)儀器量值校準(zhǔn)點(diǎn)一般為：量值范圍內(nèi)的3～5個(gè)點(diǎn))。

　　2、 大部分偏光應(yīng)力儀的測量范圍為0～360o，而實(shí)際的光學(xué)相位延遲值則為0--∞。因此，普遍存在將720o的延遲值測量為0o，而誤認(rèn)為不存在應(yīng)力。顯然，該誤讀會(huì)導(dǎo)致在某些時(shí)刻，產(chǎn)生威脅安全的事故。而且大多數(shù)情況，儀器說明書不會(huì)說明這一點(diǎn)。因此，作為儀器校準(zhǔn)過程，必須反映該問題，故相位延遲校準(zhǔn)片務(wù)必包含超過360o的相位延遲值。

　　針對上述兩大問題，推薦采用4片一套的光學(xué)相位延遲片進(jìn)行校準(zhǔn)。其相位延遲標(biāo)稱值分別為90o、180o、270o、1080o。其中1080o標(biāo)準(zhǔn)片可以當(dāng)成0 o使用。對于測量范圍為0 o～360o的儀器，該套標(biāo)準(zhǔn)片相當(dāng)于在量程范圍內(nèi)均勻取4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。對于量程范圍大于360o的儀器來說，該套標(biāo)準(zhǔn)片也可以取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行覆蓋。

　　不過，對于量傳范圍為0o～180o的儀器，利用該套標(biāo)準(zhǔn)片則不太合適。建議采用45 o，90 o、135o、 180o的標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行校準(zhǔn)。筆者根據(jù)需要，試制了上述兩種標(biāo)準(zhǔn)片。石英晶體的各項(xiàng)性能已經(jīng)由諸多學(xué)者做過詳細(xì)研究，用其作為量值傳遞媒介潛在風(fēng)險(xiǎn)較小，因此，標(biāo)準(zhǔn)片由石英加工而成。實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，其量值穩(wěn)定性好、精度高。

　　四、 未來發(fā)展

　　由于相位延遲量值復(fù)現(xiàn)過程繁瑣復(fù)雜，相關(guān)計(jì)量能力跟進(jìn)緩慢，國家計(jì)量院、所等部門新近建立的一套相位延遲裝置，對我國諸多有關(guān)應(yīng)力測量的國家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施起到了一定的計(jì)量保證作用，有效避免了長期存在的量值無法有效溯源的局面。

　　目前，計(jì)量院正在籌建第一個(gè)國家高精度材料相位延遲(應(yīng)力)標(biāo)準(zhǔn)裝置以及相關(guān)的量值溯源體系。其預(yù)期不確定度為0.001o，量值范圍Oo～5000o。隨著相關(guān)工作的深入開展進(jìn)行，在不久的將來，透明材料內(nèi)應(yīng)力的物理性計(jì)量體系一定會(huì)越來越完善。

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