偏光應力儀校準技術發展概況

　　作者：馮國進 王煜 李平 (中國計量科學研究院，北京，100013)

　　偏光應力儀大量應用于玻璃、塑料等透明材質的內部應力檢測。長期以來該儀器的校準一直難以實施，本文介紹了基于光強法的光學相位延遲的量值復現原理及相應的測量裝置，闡述了光學相位延遲量值的傳遞過程和相關問題。

　　關鍵詞:偏光應力儀、偏光儀、校準、相位延遲、標準片

　　一、 背景介紹

　　玻璃等透明材料存在的內部應力是這些材料的極為重要的物理指標。該應力的存在不僅導致材料表面會隨時間而慢慢變形，嚴重影響成像質量，而且應力分布不均勻嚴重時還會引起自爆。近期發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，對該類材料內部應力的準確測量顯得尤為重要。

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

　　δ=CΔσ

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

　　雖然該項測試與人們的安全息息相關，但由于相關的校準技術規范及檢定規程至今尚未建立，相關的量傳體系也沒有完善，因此，偏光應力儀的校準一直存在問題。

　　二、 相位延遲值校準

　　1、相位延遲值的絕對校準

　　目前測量理論上，測量材料相位延遲值的方法很多，如光強法、相位延遲橢偏測量法、光譜掃描測量法、偏振調制法、光學差拍法、補償法、半陰法、光強法和諧振腔法等。

　　國際上真正用于計量校準的方法為光強法，由美國NIST建立[8J，并提供對外服務。我們目前已經初步建成了相位延遲校準裝置，并開始對外提供校準服務。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為編碼器驅動器;Q1，Q2為驅動器;A1，A2為高精度電流表。

　　延遲量校準裝置包括：光源部分、測量光路、探測器部分、轉角控制機構(分辨率為0.01o)、采樣控制機構和各部分的供電電源，以及各種輔助性能檢測部分(光源穩定性監測機構)等。

　　安裝在光學平臺上的多波長激光器發出的激光作為光源同時兼為光路調整的基準。利用它可以準確定位各個器件在光路中的偏轉角度、反射鏡的方向、樣品定位的準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展不確定度為U=0.16。(k=2)。考慮到大多數偏光應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，其轉換關系為：

　　δ(nm)=δ(o)

　　2、 相位延遲的校準

　　儀器的校準一般依據已經具有標準值的標準片進行校準。目前市場上可用于校準的標準片大致有兩種：一是利用云母、石英和方解石等制成，其特點是成本高、精度高。另一種為在一定基材上，施加壓力使之產生相位差，成本低但精度差。從面的均勻性和年穩定性角度說，第一種類材料的量值要遠好于第二種材料;從應用上講，第一類材料制成的標準片基本可以滿足要求。

　　利用該類標準片進行偏光應力儀校準過程，請參看圖2。

　　三、目前存在的問題

　　當前偏光應力儀校準存在的主要問題為：校準用標準片缺乏，標準值過少;儀器量值覆蓋范圍偏于窄小等。

　　1、 目前，市場上絕大多數偏光應力儀，沒有配備校準儀器用的標準片，量值準確性無法保證。少數高端偏光應力儀配備了校準用標準片，但該類標準片大多只有一片，標準光學相位延遲值也只有一個，校準量值覆蓋范圍極為有限(常規儀器量值校準點一般為：量值范圍內的3～5個點)。

　　2、 大部分偏光應力儀的測量范圍為0～360o，而實際的光學相位延遲值則為0--∞。因此，普遍存在將720o的延遲值測量為0o，而誤認為不存在應力。顯然，該誤讀會導致在某些時刻，產生威脅安全的事故。而且大多數情況，儀器說明書不會說明這一點。因此，作為儀器校準過程，必須反映該問題，故相位延遲校準片務必包含超過360o的相位延遲值。

　　針對上述兩大問題，推薦采用4片一套的光學相位延遲片進行校準。其相位延遲標稱值分別為90o、180o、270o、1080o。其中1080o標準片可以當成0 o使用。對于測量范圍為0 o～360o的儀器，該套標準片相當于在量程范圍內均勻取4個點進行校準。對于量程范圍大于360o的儀器來說，該套標準片也可以取一個點進行覆蓋。

　　不過，對于量傳范圍為0o～180o的儀器，利用該套標準片則不太合適。建議采用45 o，90 o、135o、 180o的標準片進行校準。筆者根據需要，試制了上述兩種標準片。石英晶體的各項性能已經由諸多學者做過詳細研究，用其作為量值傳遞媒介潛在風險較小，因此，標準片由石英加工而成。實際測量發現，其量值穩定性好、精度高。

　　四、 未來發展

　　由于相位延遲量值復現過程繁瑣復雜，相關計量能力跟進緩慢，國家計量院、所等部門新近建立的一套相位延遲裝置，對我國諸多有關應力測量的國家標準的實施起到了一定的計量保證作用，有效避免了長期存在的量值無法有效溯源的局面。

　　目前，計量院正在籌建第一個國家高精度材料相位延遲(應力)標準裝置以及相關的量值溯源體系。其預期不確定度為0.001o，量值范圍Oo～5000o。隨著相關工作的深入開展進行，在不久的將來，透明材料內應力的物理性計量體系一定會越來越完善。

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