玻璃应力检测仪校准方法的探索

2015-06-08范乃胤李记辉

计量技术 2015年5期

关键词：力值内应力玻璃板

范乃胤刘权李记辉

(河南省计量科学研究院，郑州 450008)

玻璃应力检测仪校准方法的探索

范乃胤刘权李记辉

(河南省计量科学研究院，郑州 450008)

提出了一种玻璃应力检测仪的校准方法并给出了相关标准器的设计思路，该标准器是根据玻璃各向异性的物理特性而设计的一种标准应力玻璃板。对标准应力玻璃板相应位置施加标准力值使其产生相应的标准玻璃内应力，再使用玻璃应力检测仪对其进行测量得出玻璃应力值，该测量应力值与玻璃板标准应力值进行对比，从而给出玻璃应力检测仪示值的误差。该校准方法和标准器为玻璃应力检测仪的量值溯源提供了一种可行方案，为玻璃生产中对产品质量控制提供了一定帮助。

玻璃应力检测仪；人造各向异性；标准应力玻璃板；校准

0 引言

在玻璃制造过程中，由于外界温度差和机械力等因素作用的影响，在玻璃内有一定的应力存在[1]。玻璃内应力一般可分为两种：暂时应力和永久应力，其产生的原因也主要来自两方面：一是由机械力的作用所造成的，另一方面是由物体内外温度差而造成的。玻璃的内应力是影响玻璃机械强度和热稳定性的主要因素。如果玻璃内应力极不均匀，将会降低玻璃制品的机械强度和热稳定性，影响制品的安全使用，甚至会发生自裂现象。但是玻璃中的内应力也不是完全不利的，在玻璃的制造工程中适当地控制内应力，反会增加玻璃的强度。钢化玻璃就是利用淬火处理来改善玻璃机械强度的一个典型例子，特殊玻璃品种对内应力的要求更加复杂[2]。因此，测量玻璃的内应力是控制玻璃质量的一种手段，特别是质量要求较高的贵重或精密的产品尤其重要。控制玻璃内应力首先需要准确测量其内应力，玻璃应力检测仪可以对其应力进行实时准确的测定。所以，玻璃应力检测仪在玻璃生产过程中是一个非常重要的仪器。

随着企业对产品质量的重视，量值溯源也越来越重要起来。近年来，不断有企业要求对玻璃内应力检测仪进行校准，但是目前还没有相应的校准依据及相应的标准器，这就造成了生产企业在玻璃内应力检测仪的量值溯源过程中遇到很多麻烦。因此，设计一种既便捷又经济的玻璃应力检测仪校准方法和标准器无论对于企业量值溯源还是对计量检定人员来说都具有重要的实际应用价值。

1 玻璃内应力与光程差的关系

一般没有内应力的玻璃是一种均匀透光的介质，具有各向同性的特性，当一束单色光通过其中时，光速与其传播方向和光波的偏振面均无关，不会发生双折射现象(如图1所示)。但是，当玻璃受外界机械力的作用或其内外有温度差而使玻璃具有残余内应力时，玻璃的各向同性将会被打乱，在光学上就成为各向异性体。当一束单色光通过此玻璃时就会分解为o光(ordinary)和e光(extraordinary)两束光(如图2所示)，o光、e光均为线偏振光，其中o光服从折射定律，e光不服从折射定律。o光和e光两者到达有应力玻璃的另一表面时，必然有相位差。

图1 无应力玻璃

图2 有应力玻璃

设Δφ为o光与e光的相位差，则：

(1)

式中：ne和no分别为o光和e光主方向上的折射率；L为光穿过玻璃的厚度。

设δ为o光与e光的光程差，则：

δ=(ne-no)·L

(2)

有应力存在的玻璃其两主折射率与应力值的关系：

ne-no=CB(σe-σo)

(3)

式中：CB为应力光学常数，它是物理常数，仅与玻璃品种有关。

由式(1)、(2)和(3)可得出玻璃内应力σ与o光和e光的光程差δ、相位差Δφ的关系分别如式(4)和(5)所示。

(4)

根据式(4)，只要测出o光和e光的光程差δ或相位差Δφ，就可计算出玻璃的内应力σ。

2 玻璃内应力检测仪的工作原理

玻璃内应力有关测量主要有偏光仪观测法、干涉色法和补偿器测定法等几种。偏光仪观测法可以定性地估算光程差的大小，但不可以进行定量测定；干涉色法能进行定量测定，但精度不高受到限制；只有补偿器测定法能够进行比较精密的光程差测量，下面主要以第三种检测方式对玻璃内应力检测仪的工作原理进行阐述。

利用补偿器测定法测量玻璃应力的检测仪的工作原理如图3所示，光源发出的自然光经起偏器后，变为线偏振光1(假设其光矢量方向为垂直方向)，此时旋转检偏器使之与线偏振光1正交，那么线偏振光1将完全不能通过检偏器，用眼睛观察时视场呈黑色。若在光路中放入有内应力的玻璃试样时，该线偏振光1通过玻璃试样后被分解为具有光程差的o光和e光，这两束线偏振光通过1/4波片后，又被合成为线偏振光2，但此时的线偏振光2的光矢量方向和线偏振光1的光矢量方向有一偏角。因此，在视场中就可看到两条黑色条纹隔开的明亮区。旋转检偏器，重新使玻璃中心变黑，读出检偏器的旋转角度Δθ。

图3 玻璃应力检测仪工作原理图

由理论推导可知，玻璃试样的光程差δ与偏转角Δθ成正比，即：

δ=lΔθ/p

(5)

式中，l为照射光源的波长，将式(5)代入式(4)中，便可计算出玻璃内应力值σ。

(6)

3 玻璃内应力检测仪校准原理和校准方法

3.1 校准原理

人造各项异性产生的原理如图4所示，在外界机械力的作用下，具有各项同性的无应力玻璃中将会引起明显的优势方向，同时在玻璃内部也会伴随着玻璃分子的重新排列从而可以形成人造各项异性的有内应力存在的玻璃。

图4 人造各项异性产生的原理图

当以单向压缩或单向拉伸力F作用在厚度为L、宽度为H的无应力玻璃中时，由人造各项异性玻璃制造原理可知，玻璃内部将产生内应力，从而形成了双折射玻璃。此时当波长为l的单色光沿L方向通过玻璃时，o光与e光间产生的相位差为：

(7)

由人造各项异性产生的理论[3]可知，对一块无应力标准玻璃施加标准力F后，其内部将产生一标准内应力，该内应力值可表示为：

σ=σe-σo=F/(LH)

(8)

根据式(8)，只要能够对力F和玻璃的截面积(LH)进行准确测量，即可使人造各项异性玻璃产生所需要的标准内应力，从而通过便于控制的力值表达出玻璃的内应力值。

由式(7)和式(8)可知o光与e光间相位差与施加力值之间关系为：

(9)

图5为对人造各项异性玻璃内应力值的测量装置示意图，装置中支架有一定的高度，使待测标准应力玻璃板与桌面之间留有足够的空间以放下玻璃应力仪。测量时，给挡板施加一系列标准砝码力值，使得标准应力玻璃板内产生相应的内应力，从而通过玻璃应力仪读出相应的一系列相内应力值，再与理论公式(8)的计算结果进行对比。

图5 玻璃内应力值的测量装置示意图

3.2 校准方法

依据这种产生标准内应力的方法我们可以设计一种校准玻璃内应力检测仪的标准器。该标准器主要是一标准无应力玻璃块，并且当作用力取消后，内应力也随着消失。由于其标准内应力是由外界机械应力产生的，所以属于暂时应力，只要加以适当保养，可以重复使用，能够满足计量校准的要求。

使用该标准器对玻璃内应力检测仪进行校准时，首先，给标准玻璃块施加一系列适当的力Fi使其产生相应的标准内应力σi。使用待检玻璃内应力检测仪对产生的每个标准内应力σi测量k次，记录测量值σik，取其每个内应力测量值的平均值作为最终测量值：

(10)

这样就可以检验玻璃内应力检测仪的示值是否准确，并能得到相应受检点的示值误差。

需要强调的是，测出的应力不是玻璃内应力的绝对值，而是o光、e光方向上二主应力之差，有时虽然测出的应力为零，但实际上二主应力还是均存在的，只不过二者相等而已。典型例子是平板玻璃，从平面上看，存在各向相等的表面压应力及板芯张应力，表面压应力在数值上等于2倍板芯张应力，采用平面透射光测量时并不能测出应力，原因就是σe=σo。在校准过程中应注意这一点，尽量使得标准玻璃块产生不同的主应力。

4 实验结果和讨论

如图5所示，试验中标准应力玻璃板的L为2.5cm，H为1cm。实验时，给挡板施加一系列标准砝码也就是施加标准力值，从而使玻璃内产生相应的双折射现象，最后通过玻璃应力仪读出相应的玻璃内应力值。实验数据如表1所示。

表1 玻璃板内应力测量数据

从表1中可知，两次测量数据在相同标准力值下，所测量标准玻璃内应力最大相差 0.4MPa，表明测量结果的重复性比较好。同时与理论计算值对比，两次测量值与理论计算值最大偏差为0.36MPa，偏差较小。

图6中以玻璃板施加的标准力值为横坐标，玻璃板的内应力值为纵坐标，对表1中的两次测量数据进行处理的结果图。第一次和第二次测量数据的线性拟合函数分别为y1=0.0271x+0.1733和y2=0.0264x+0.0533，拟合度分别为0.9921和0.9915，表明此标准玻璃片所受力值与产生相应的内应力线性度比较好。