偏光(guāng)應力儀大(dà)量應用(yòng)于玻璃、塑料等透明(míng)材質的(de)內(nèi)部應力檢測。長(cháng)期以來(lái)€該儀器(qì)的(de)校(xiào)準一(yī)直難以實施，本文(wén)介紹了(le)基于光(guāng)強法的(de)光(guāng)學相(xià<ng)位延遲的(de)量值複現(xiàn)原理(lǐ)及相(xiàng)應的(de)測量裝置，闡述了(le)光(guāng)學相(xiàng)位延遲量值的(de)傳‌遞過程和(hé)相(xiàng)關問(wèn)題。
 
關鍵詞偏光(guāng)應力儀；校(xiào)準；相(xiàng)位延遲；标準片
一(yī)、 背景介紹
玻璃等透明(míng)材料存在的(de)內(nèi)部應力是(shì)這(zhè)些(xiē)材料的(de)極為(w≈èi)重要(yào)的(de)物(wù)理(lǐ)指标。該應力的(de)存在不(bù)僅導緻材料表面會(huì)随時(shí)間(jiān)而慢(màn)慢(màn)變形，嚴重影(y∏ǐng)響成像質量，而且應力分(fēn)布不(bù)均勻嚴重時(shí)還(hái)會(huì)引起自(zì)爆。近(j↓ìn)期發生(shēng)的(de)玻璃幕牆自(zì)爆事(shì)件(jiàn)，以及啤酒瓶的(de)安全事(shì)件(jiàn)就(jiù)是♠(shì)其典型事(shì)例。因此，對(duì)該類材料內(nèi)部應力的(de)準确測量顯得(de)尤為(wèi)重要(yào)。
目前，市(shì)面上(shàng)用(yòng)于測量透明(míng)材料內(nèi)部應力的(de)儀器(qì)主要(yào)為(wèi)偏光(×guāng)應力儀(又(yòu)稱偏光(guāng)儀)。其測量原理(lǐ)基于應力雙折射檢測，即：玻璃是(shì)各向同性體(tǐ)，各方向的(d♣e)折射率相(xiàng)同。如(rú)果玻璃中存在應力，各向同性的(de)性質會(huì)受到(dào)破壞，引起折射率的(de)變化(‌huà)，兩個(gè)主應力方向的(de)折射率不(bù)再相(xiàng)同，會(huì)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。雙折射導緻材料産生(shēng)₩光(guāng)學相(xiàng)位延遲，其相(xiàng)位延遲值與應力值的(de)關系由下(xià)式确定：
      δ=CΔσ
式中：δ為(wèi)相(xiàng)位延遲；Δσ為(wèi)x及y方向的(de)應力差；C為(wèi)應力光(guāng)學常數(s≠hù)，它是(shì)物(wù)性常數(shù)，僅與玻璃品種有(yǒu)關。隻要(yào)能(néng)測量出相(xià₽ng)位延遲值，就(jiù)可(kě)以知(zhī)道(dào)材料的(de)內(nèi)部應力。并且，絕大(dà)多(duō)數(shù)偏光( guāng)應力儀給出的(de)量值就(jiù)是(shì)相(xiàng)位延遲值。
雖然該項測試與人(rén)們的(de)安全息息相(xiàng)關，但(dàn)由于相(xiàng)關的(de)校(xiào)準技(jì)術(shù)規範及檢定規程至今尚未建立，相(xiàng)關≠的(de)量傳體(tǐ)系也(yě)沒有(yǒu)完善，因此，偏光(guāng)應力儀的(de)校(xiào)準一(yī)直存在$問(wèn)題。
 
二、 相(xiàng)位延遲值校(xiào)準
1、相(xiàng)位延遲值的(de)絕對(duì)校(xiào)準
目前測量理(lǐ)論上(shàng)，測量材料相(xiàng)位延遲值的(de)方法很(hěn)多(duō)，如(rú)光(guāng)強法、相(x'iàng)位延遲橢偏測量法、光(guāng)譜掃描測量法、偏振調制(zhì)法、光(guāng)學差拍(pāi)法、補償法>、半陰法、光(guāng)強法和(hé)諧振腔法等。
 
國(guó)際上(shàng)真正用(yòng)于計(jì)量校(xiào)準的(de)方法為(wèi)光(guāng)強法，由美(měi)國(guó)NI↑ST建立[8J，并提供對(duì)外(wài)服務。我們目前已經初步建成了(le)相(xiàng)位延遲校(xiào)準裝置，并開(k↓āi)始對(duì)外(wài)提供校(xiào)準服務。其裝置原理(lǐ)圖如(rú)圖1所示：
 
圖1中P，A為(wèi)偏振片，S為(wèi)待測樣品；E1，E2為(wèi)編碼器(qì)驅動器(qì)；Q1，∞Q2為(wèi)驅動器(qì)；A1，A2為(wèi)高(gāo)精度電(diàn)流表。 
延遲量校(xiào)準裝置包括：光(guāng)源部分(fēn)、測量光(guāng)路(lù)、探測器(qì)部分(fēn)、轉角控制(zhì)機(jī)構(分✔(fēn)辨率為(wèi)0．01o)、采樣控制(zhì)機(jī)構和(hé)各部分(fēn)的(de)供電(diàn)電(diàn©)源，以及各種輔助性能(néng)檢測部分(fēn)(光(guāng)源穩定性監測機(jī)構)等。
安裝在光(guāng)學平台上(shàng)的(de)多(duō)波長(cháng)激光(guāng)器(qì)發出的(d&e)激光(guāng)作(zuò)為(wèi)光(guāng)源同時(shí)兼為(wèi)光(guāng)路(lù)調整的(de)基準。利用(yòng)它可(kě)以準确​定位各個(gè)器(qì)件(jiàn)在光(guāng)路(lù)中的(de)偏轉角度、反射鏡的(de)方向、樣品定位的(de)準确性及其表面是(sh♣ì)否垂直于光(guāng)路(lù)等。
 
該裝置相(xiàng)位延遲量測量擴展不(bù)确定度為(wèi)U=0.16。(k=2)。考慮到(dào)大(¶dà)多(duō)數(shù)偏光(guāng)應力儀測量精度不(bù)足為(wèi)1^o , 能(néng)夠滿足需求。部分(fēn)儀器(qì)用(yòng)nm為(wèi)單位表示，其轉換關系為(wèi)：
 
δ（nm）=δ(^o)
2、 相(xiàng)位延遲的(de)校(xiào)準
儀器(qì)的(de)校(xiào)準一(yī)般依據已經具有(yǒu)标準值的(de)标準片進行(xíng)校(xiào)準。目前市(shì)場(chǎng)上↓(shàng)可(kě)用(yòng)于校(xiào)準的(de)标準片大(dà)緻有(yǒu)兩種：一(yī)是(shì)利用(yòng)雲母、石英和(hé)方解石等制(zh™ì)成，其特點是(shì)成本高(gāo)、精度高(gāo)。另一(yī)種為(wèi)在一(yī)定基材上(shàng)，施加壓力使之産生(shēng)相§(xiàng)位差，成本低(dī)但(dàn)精度差。從(cóng)面的(de)均勻性和(hé)年(nián)穩定性角度說(shuō)，第一(yī)種類材料的(de)量值要(y€ào)遠(yuǎn)好(hǎo)于第二種材料；從(cóng)應用(yòng)上(shàng)講，第一(yī)類材料制(zhì)成的(de)标準片基本可(kě)以滿足要(yào✔)求。
 
利用(yòng)該類标準片進行(xíng)偏光(guāng)應力儀校(xiào)準過程，請(qǐng)參®看(kàn)圖2。
 
三、目前存在的(de)問(wèn)題
當前偏光(guāng)應力儀校(xiào)準存在的(de)主要(yào)問(wèn)題為(wèi)：校(xiào)準用(yòng)标準♣片缺乏，标準值過少(shǎo)；儀器(qì)量值覆蓋範圍偏于窄小(xiǎo)等。
1、 目前，市(shì)場(chǎng)上(shàng)絕大(dà)多(duō)數(shù)偏光(gu↔āng)應力儀，沒有(yǒu)配備校(xiào)準儀器(qì)用(yòng)的(de)标準片，量值準确性無法保證。少(shǎo)數(shù)高(gāo)端偏光(guāng)應力儀配備了(le)≈校(xiào)準用(yòng)标準片，但(dàn)該類标準片大(dà)多(duō)隻有(yǒu)一(yī)片，标準光₩(guāng)學相(xiàng)位延遲值也(yě)隻有(yǒu)一(yī)個(gè)，校(xiào)準₩量值覆蓋範圍極為(wèi)有(yǒu)限(常規儀器(qì)量值校(xiào)準點一(yī)般為(wèi)：量值範圍內(nèi)的(de)‍3～5個(gè)點)。
2、 大(dà)部分(fēn)偏光(guāng)應力儀的(de)測量範圍為(wèi)0～360^o，而實際的(de)光(guāng)學相(xiàng)位延遲值則為(wèi)0--∞。因此，普遍存在将720 ^o的(de)延遲值測量為(wèi)0 ^o，而誤認為(wèi)不(bù)存在應力。顯然，該誤讀(dú)會(huì)導緻在某些(xiē)時(shí)刻，産生(shēng)威脅安全的(de)事(shì)故。而且大(dà)多(duō)數¶(shù)情況，儀器(qì)說(shuō)明(míng)書(shū)不(bù)會(huì)說(shuō)明(mεíng)這(zhè)一(yī)點。因此，作(zuò)為(wèi)儀器(qì)校(xiào)準過程，必須反映該問(wèn)題，故相(xiàng)位延遲校(xiào)±準片務必包含超過360 ^o的(de)相(xiàng)位延遲值。
 
針對(duì)上(shàng)述兩大(dà)問(wèn)題，推薦采用(yòng)4片一(yī)套的(de)‍光(guāng)學相(xiàng)位延遲片進行(xíng)校(xiào)準。其相(xiàng)位延遲标稱值分(fēn)别為(wèi)90^o、180 ^o、270 ^o、1080 ^o。其中1080 ^o标準片可(kě)以當成0 ^o使用(yòng)。對(duì)于測量範圍為(wèi)0 ^o～360 ^o的(de)儀器(qì)，該套标準片相(xiàng)當于在量程範圍內(nèi)均勻取4個(gè)點進行(xíng)校(xiào)準♣。對(duì)于量程範圍大(dà)于360 ^o的(de)儀器(qì)來(lái)說(shuō)，該套标準片也(yě)可(kě)以取一(yī)個(gè)點進行(xínαg)覆蓋。
 
不(bù)過，對(duì)于量傳範圍為(wèi)0^o～180 ^o的(de)儀器(qì)，利用(yòng)該套标準片則不(bù)太合适。建議(yì)采用(yòng)45 ^o，90 ^o、135 ^o、 180 ^o的(de)标準片進行(xíng)校(xiào)準。筆(bǐ)者根據需要(yào)，試制(zhì)了(le)上(shàng)述兩種标準片。石英晶體(t♦ǐ)的(de)各項性能(néng)已經由諸多(duō)學者做(zuò)過詳細研究，用(yòng)其作(zuò)為(wèi)α量值傳遞媒介潛在風(fēng)險較小(xiǎo)，因此，标準片由石英加工(gōng)而成。實際測量發現(xiàn)，其量值穩定性好(hǎo)、精度高∏(gāo)。
四、 未來(lái)發展
由于相(xiàng)位延遲量值複現(xiàn)過程繁瑣複雜(zá)，相(xiàng)關計(jì)量能₩(néng)力跟進緩慢(màn)，國(guó)家(jiā)計(jì)量院、所等部門(mén)新近(jìn)建立的(de)一(yī)套相(xiàng)位延遲裝置，對(♥duì)我國(guó)諸多(duō)有(yǒu)關應力測量的(de)國(guó)家(jiā)标準的(de)實施起到(dào)了(le)一(yī)定
的(de)計(jì)量保證作(zuò)用(yòng)，有(yǒu)效避免了(le)長(cháng)期存在的(de)量值無法♠有(yǒu)效溯源的(de)局面。
 
目前，計(jì)量院正在籌建第一(yī)個(gè)國(guó)家(jiā)高(gāo)精度材料相(xiàng♠)位延遲(應力)标準裝置以及相(xiàng)關的(de)量值溯源體(tǐ)系。其預期不(bù)确定度為(wèi)0.™001^o，量值範圍O ^o～5000 ^o。随著(zhe)相(xiàng)關工(gōng)作(zuò)的(de)深入開(kāi)展進行(xíng)，在不(bù)久的(de)将來(lái)，透明(míng)材料內♣(nèi)應力的(de)物(wù)理(lǐ)性計(jì)量體(tǐ)系一(yī)定會(huì)越來(lái)越完善 。