非晶体透明材料内应力的测量方法及测量装置

摘要

本申请公开了一种非晶体透明材料内应力的测量方法，测量方法包括：S20：对待测件上的测量区施加偏振光，获取偏振光在待测件上产生的双折射偏振光之间的光程差，并根据光程差与内应力值的对应关系获取测量区的内应力值。本申请提供的非晶体透明材料内应力的测量方法及测量装置，通过采用偏振光干涉方法与光谱分析方法的结合以获取偏振光的光程差与内应力值之间的函数关系，并通过该函数关系反向获取非晶体透明材料的内应力值，实现了对非晶体透明材料内应力的定量测量。同时，采用光谱分析的方法进行测量，避免了现有技术中色干涉法颜色比对中由于人工及显示设备颜色系统标度偏差，提高了测量精度。

说明书

技术领域

本公开一般涉及材料力学技术领域，尤其涉及非晶体透明材料内应力的测量方法及测量装置。

背景技术

内应力是指当外部荷载去掉以后仍残存在物体内部的应力。其中，非晶体透明材料在无内应力的自然状态下，在光学上是各向同性体，光在其中的传播方向由折射定律唯一确定，偏振光通过它时不产生任何变化；当材料内部存在应力时，其光学性能发生改变，由各向同性体变为各向异性体，光通过它时产生双折射现象。根据这一特性，即可借助应力双折射测量法来检验非晶体透明材料中的应力值。

目前，现有的非晶体透明材料内应力的测量装置主要通过获取有应力特征的干涉色图面，然后根据颜色比对得到应力测量结果。但是上述测量结果依赖于人眼的颜色比对结果，同时显示设备颜色系统标度也会存在偏差，进而导致测量精度较差。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种非晶体透明材料内应力的测量方法及测量装置。

本申请提供一种非晶体透明材料内应力的测量方法，包括：

S20：对待测件上的测量区施加偏振光，获取偏振光在待测件上产生的双折射偏振光之间的光程差，并根据光程差与内应力值的对应关系获取测量区的内应力值。

进一步地，在步骤上S20之前还包括：

S10：对标准件施加偏振光，测量标准件在具有不同内应力值时偏振光在标准件上产生的双折射偏振光之间的光程差，并获取光程差与内应力值的对应关系。

进一步地，待测件上分布有多个测量区。

进一步地，S10具体包括：

S11：对标准件施加偏振光，分别测量偏振光在标准件具有不同内应力值时的透射光谱Q_2(λ)，再根据公式1分别获取偏振光的透射归一化光谱Q_3(λ)，

公式1为：Q_0(λ)为偏振光源光谱，Q_1(λ)为环境背景光的光谱；

S12：根据公式2获取透射归一化光谱Q_3(λ)与光程差δ的对应关系，并获取光程差与内应力值的对应关系，

公式2为：a、b、c皆为常数，λ为单色光的波长值。

进一步地，偏振光由白光光源发出的自然光经过起偏器形成，并通过光谱仪测得偏振光源光谱Q_0(λ)；

白光光源关闭后，通过光谱仪测得环境背景光的光谱Q_1(λ)。

进一步地，通过对标准件施加不同的作用力，以使标准件具有不同的内应力值，其中内应力值与作用力值相同。

进一步地，光程差与内应力值的对应关系为线性正相关关系。

本申请还提供一种非晶体透明材料内应力的测量装置，测量装置包括：

第一镜筒，内部设有白光光源以及沿白光光源的光线方向顺次设置的起偏器、透光狭缝；

第二镜筒，与第一镜筒共轴设置，内部设有沿白光光源的光线方向顺次设置的检偏器和光谱仪，第一镜筒与第二镜筒之间设有检测区；

处理单元，与光谱仪连接，用于根据光谱仪的测量结果获取位于待测件的测量区上产生的双折射偏振光之间的光程差，并根据光程差与内应力值的对应关系获取测量区的内应力值。

进一步地，测量装置还包括：拉伸装置，包括两并排设置的第一连接板，以及分别固定连接两第一连接板的两个连接轴，两连接轴平行设置，两第一连接板之间还设有位于检测区且用于共同夹持标准件或待测件的两个夹持器，两夹持器皆滑动连接于两连接轴上；其中一夹持器与相邻的第一连接板之间连接有拉力传感器，另一夹持器与相邻的第一连接板之间设有拉杆且拉杆可沿支撑杆的轴向位移地设置在第一连接板上；处理单元与拉力传感器连接，用于根据拉力传感器的测量结果以及光谱仪的测量结果获得光程差与内应力值的对应关系。

进一步地，第一镜筒内还设有滤光片，滤光片位于白光光源与起偏器之间；第一镜筒内还设有波片，以及位于第二镜筒内的分光器以及摄像头，分光器和摄像头沿白光光源的光线方向顺次设置；光谱仪的光线采集端朝向分光器的反射光输出端设置。

进一步地，测量装置还包括移动机构，移动机构包括底座，滑动连接于底座的第一滑动件，以及沿连接杆的轴向方向滑动连接于第一滑动件的第二滑动件，第二滑动件的滑动方向与第一滑动件的滑动方向垂直；第二滑动件上固定连接有位于两连接杆两侧的第二连接板，第一镜筒与第二镜筒分别连接于对应的第二连接板上。

进一步地，移动机构还包括用于驱动第一滑动件往复滑动的第一驱动器，以及用于驱动第二滑动件往复滑动的第二滑动器；处理单元分别与第一驱动器和第二驱动器连接，用于控制第一驱动器与第二驱动器的运动，以带动第一镜筒和第二镜筒同步进行平面移动。

进一步地，第二连接板上设有套筒，第一镜筒与第二镜筒皆可沿远离或靠近连接杆的方向滑动设置于对应的套筒内。

本申请提供的非晶体透明材料内应力的测量方法及测量装置，通过采用偏振光干涉方法与光谱分析方法的结合以获取偏振光的光程差与内应力值之间的对应关系，并通过该对应关系反向获取非晶体透明材料的内应力值，实现了对非晶体透明材料内应力的定量测量。同时，采用光谱分析的方法进行测量，避免了现有技术中色干涉法颜色比对中由于人工及显示设备颜色系统标度偏差，提高了测量精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的非晶体透明材料内应力的测量方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的非晶体透明材料内应力的测量装置的结构框图；

图3为本申请实施例提供的非晶体透明材料内应力的测量装置的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的拉伸装置的结构侧视图；

图5为本申请实施例提供的拉伸装置的结构立体图；

图6为规格为3mm×20mm有机玻璃的标准件在具有22.8MPa内应力时的透射归一化光谱Q_3(λ)；

图7为规格为3mm×20mm有机玻璃的标准件中内应力值与光程差之间的对应关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考附图1，本申请提供一种非晶体透明材料内应力的测量方法，包括：

S20：对待测件上的测量区施加偏振光，获取偏振光在待测件上产生的双折射偏振光之间的光程差，并根据光程差与内应力值的对应关系获取测量区的内应力值。

待测件内部存有内应力，在光学性能上是各向异性体，偏振光通过待测件时产生双折射现象以分解成振动方向相互垂直的的两束线偏振光，该两束线偏振光即为双折射偏振光。在本实施例中，通过测出测量区上双折射偏振光之间的光程差，根据光程差与内应力值的对应关系获取测量区的内应力值。

在某些优选的实施例中，在步骤上S20之前还包括：

S10：对标准件施加偏振光，测量标准件在具有不同内应力值时偏振光在标准件上产生的双折射偏振光之间的光程差，并获取光程差与内应力值的对应关系。

其中，标准件是指内部无内应力，且在光学性能上是各向同性体，光在其中的传播方向由折射定律唯一确定。偏振光通过它时不产生任何变化。标准件可以是具有内应力的非晶体透明材料经过热处理后形成。非晶体透明材料包括但不限于无机玻璃、有机玻璃材料或其它复合材料。

在本优选的实施例中，首先对标准件施加作用力使其内部形成内应力，且该内应力均匀分布在标准件上。偏振光进入标准件内时发生双折射以形成双折射偏振光。通过测量出双折射偏振光之间的光程差，就可得知此光程差对应的作用力值。由于该作用力值是可以通过测量设备直接测取，且该作用力值与标准件内的内应力值是相同的，进而可获知此光程差对应的内应力值。其次，通过对标准件形成不同的内应力值，分别测量偏振光在具有不同内应力值的标准件上的双折射偏振光之间的光程差，以获得多个双折射偏振光之间的光程差，进而构建形成光程差与内应力值之间对应关系。其中获得的双折射偏振光之间的光程差数量越多，通过拟合处理等方式构建的对应关系越准确。然后对测件上的测量区施加偏振光，测量偏振光在待测件上产生的双折射偏振光之间的光程差，并将该双折射偏振光之间的光程差带入上述函数关系中，以获取测量区的内应力值。

在某些优选的实施例中，待测件上分布有多个测量区。

在本优选的实施例中，通过在待测件上排布有多个测量区，进而可获得待测件上多个位置的内应力情况，实现对待测件的大面积测量。进一步地，多个测量区排布整个待测件上，以获得待测件上内应力的分布情况。其中，测量区优选为狭缝状。

在某些优选的实施例中，S10具体包括：

进一步地，S10具体包括：

S11：对标准件施加偏振光，分别测量偏振光在标准件具有不同内应力值时的透射光谱Q_2(λ)，再根据公式1分别获取偏振光的透射归一化光谱Q_3(λ)，

公式1为：Q_0(λ)为偏振光源光谱，Q_1(λ)为环境背景光的光谱；

S12：根据公式2获取透射归一化光谱Q_3(λ)与光程差δ的对应关系，并获取光程差与内应力值的对应关系，

公式2为：a、b、c皆为常数，λ为单色光的波长值。

在本优选的实施例中，通过关闭偏振光光源，使用光谱仪7测量环境背景光光谱Q_1(λ)。然后在计算偏振光的透射归一化光谱Q_3(λ)时扣除背景光光谱Q_1(λ)，避免了环境背景光本底带来的测量误差，进一步提高了测量精度。在公式2中，λ为光谱中各单色光的波长值，在公式2中通过Q_3(λ)以及各单色光的波长值可以计算出a、b、c的数值以及与Q_3(λ)一一对应的光程差δ。由于Q_3(λ)与标准件的内应力值是一一对应且相等，在标准件的内应力值数据较多时，可以通过拟合处理等方式准确地构建出光程差与内应力值之间构建对应关系。

此外，通过打开偏振光光源，通过起偏器5形成偏振光，然后调节起偏器5与检偏器6偏振方向一致，光谱仪7此时测得光谱为偏振光源光谱Q_0(λ)；

然后关闭偏振光光源，通过光谱仪7测得环境背景光的光谱Q_1(λ)。偏振光光源优选为白光光源4发射出的自然光。白光光源4进一步优选为白色LED光源，使其产生的偏振光具有较好的稳定性。

在某些优选的实施例中，在对标准件进行光谱测量前，调整调节起偏器5与检偏器6偏振方向垂直。

在某些优选的实施例中，通过对标准件施加不同的作用力，以使标准件具有不同的内应力值，其中内应力值与作用力值相同。其中，作用力优选但不限制于拉力，例如还可以为压力。

在某些优选的实施例中，光程差与内应力值的对应关系为线性正相关关系，利于通过光程差来获取待测件的内应力值。

请参考附图2-5，本申请实施例还提供一种非晶体透明材料内应力的测量装置，测量装置包括：

第一镜筒9，内部设有白光光源4以及沿白光光源4的光线方向顺次设置的起偏器5、透光狭缝8；

第二镜筒15，与第一镜筒9共轴设置，内部设有沿白光光源4的光线方向顺次设置的检偏器6和光谱仪7，第一镜筒9与第二镜筒15之间设有检测区；

处理单元3，与光谱仪7连接，用于根据光谱仪7的测量结果获取位于待测件的测量区上产生的双折射偏振光之间的光程差，并根据光程差与内应力值的对应关系获取测量区的内应力值。

在本实施例中，第一镜筒9与第二镜筒15不仅对内部的元件具有支撑固定作用，且还对位于内部的光路具有遮光作用，以避免外部光线对内部光路的影响，进一步提高测量精度。第一镜筒9与第二镜筒15之间设有检测区，待测件可放置于检测区内进行检测。其中，测量区对应透光狭缝8设置，第一镜筒9中输出施加于待测件上测量区的偏振光，偏振光经过测量区产生双折射偏振光，光谱仪7对双折射偏振光进行光谱测量，并将测量结果发送至处理单元3，处理单元3根据光谱仪7的测量结果获取位于待测件的测量区上产生的双折射偏振光之间的光程差，并根据光程差与内应力值的对应关系获取测量区的内应力值。处理单元3的处理过程请参考上文中的测量方法，本文在此不再赘述。

在某些优选的实施例中，测量装置还包括：拉伸装置1，包括两并排设置的第一连接板111，以及分别固定连接两第一连接板111的两个连接轴112，两连接轴112平行设置，两第一连接板111之间还设有位于检测区且用于共同夹持标准件或待测件的两个夹持器113，两夹持器113皆滑动连接于两连接轴112上；其中一夹持器113与相邻的第一连接板111之间连接有拉力传感器114，另一夹持器113与相邻的第一连接板111之间设有拉杆115且拉杆115可沿支撑杆的轴向位移地设置在第一连接板111上；处理单元3与拉力传感器114连接，用于根据拉力传感器114的测量结果以及光谱仪7的测量结果获得光程差与内应力值的对应关系。

在本优选的实施例中，两夹持器113之间形成容置空间，用于放置待测件或标准件，且两连接轴112可保证夹持器113不对标准件或待测件施加扭矩。两夹持器113朝向容置空间的一端上设有夹持部131，夹持部131包括与待测件或标准件平行设置的两限位板1311，两限位板1311之间可放置待测件或标准件。限位板1311上设有第一定位孔1312，待测件或标准件上设有第二定位孔，第一定位孔1312与第二定位孔之间可通过销轴进行定位配合，以实现待测件或标准件夹持在两夹持器113之间。然后，通过对拉杆115施加向外的拉力，使得标准件上产生相同的内应力，该拉力值可通过拉力传感器114测得。该拉力值可通过显示装置16进行实时显示，使得工作人员知晓所施加的拉力值，以便于控制所施加的拉力值。拉力传感器114测得的拉力值上传至处理单元3，处理单元3根据拉力传感器114的测量结果以及光谱仪7的测量结果获得光程差与内应力值的对应关系。

在某些优选的实施例中，拉杆115为第一螺杆，拉杆115穿设第一连接板111设置，且位于第一连接板111背离夹持器113的一侧设有与第一螺杆螺接的螺接件16，螺纹件可与第一连接板111之间形成抵压配合，以便于通过旋转螺纹件实现第一螺杆对标准件施加拉力。

在某些优选的实施例中，第一镜筒9内还设有滤光片10，滤光片10位于白光光源4与起偏器5之间；第一镜筒9内还设有波片11，以及位于第二镜筒15内的分光器12以及摄像头14，分光器12和摄像头14沿白光光源4的光线方向顺次设置；光谱仪7的光线采集端朝向分光器12的反射光输出端设置。

在本优选的实施例中，滤光片10可降低偏振光光源的强度，以提高测量的精确性。波片11用于对双折射偏振光进行波长补偿，优选为半波片11。分光器12可将双折射偏振光进行分光处理。但双折射偏振光进入分光器12后产生反射光线以及透射光线，透射光线进入摄像头14，反射光线通过光纤13进入光谱仪7以进行光谱测量。

在某些优选的实施例中，测量装置还包括移动机构2，移动机构2包括底座22，滑动连接于底座22的第一滑动件23，以及沿连接杆的轴向方向滑动连接于第一滑动件23的第二滑动件24，第二滑动件24的滑动方向与第一滑动件23的滑动方向垂直；第二滑动件24上固定连接有位于两连接杆两侧的第二连接板25，第一镜筒9与第二镜筒15分别连接于对应的第二连接板25上。

在本优选的实施例中，第二滑动件24可在底座22上进行竖直方向的平面移动。第二滑动件24上固定连接有位于两连接杆两侧的第二连接板25，第一镜筒9与第二镜筒15分别连接于对应的第二连接板25上，以实现第二滑动件24带动第一镜筒9和第二镜筒15在底座22上进行竖直方向的平面移动，以实现对待测件进行逐点测量内应力值。

此外，底座22上可设有支架，支架包括两并排设置的立柱211，以及连接两立柱211的横杆212，底座22设置于横杆212上方，待测件或标准件以竖直状态设置于两立杆之间。

在某些优选的实施例中，移动机构2还包括用于驱动第一滑动件23往复滑动的第一驱动器，以及用于驱动第二滑动件24往复滑动的第二滑动器；处理单元3分别与第一驱动器和第二驱动器连接，用于控制第一驱动器与第二驱动器的运动，以带动第一镜筒9和第二镜筒15同步进行平面移动。

在本优选的实施例中，处理单元3分别与第一驱动器和第二驱动器连接，用于分别控制第一驱动器和第二驱动器的运动。具体地：处理单元3根据内部的控制程序控制第一驱动器和第二驱动器运动，进而带动第一滑动件23和第二滑动件24运动。第一滑动件23和第二滑动件24运动的运动又会带动与第二滑动件24连接的第一镜筒9和第二镜筒15同步进行平面移动。当待测件位于第一镜筒9与第二镜筒15之间的检测区时，处理单元3实现控制第一镜筒9和第二镜筒15同步配合以对待测件上的多个测量区自动进行逐个测量。

在某些优选的实施例中，移动机构2中的底座22上设有第一丝杆221，第一滑动件23上设有与第一丝杆221螺接配合的螺纹孔，第一驱动器为第一电机222，通过电机驱动丝杆的正反转，进而带动第一滑动件23在底座22上沿第一丝杆221的轴向往复移动。第一滑动件23上设有第二丝杆231，第二滑动件24上设有与第二丝杆231螺接配合的螺纹孔，第二驱动器为第二电机232，通过电机驱动丝杆的正反转，进而带动第二滑动件24在底座22上沿第二丝杆231的轴向往复移动。

在某些优选的实施例中，第二连接板25上设有套筒26，第一镜筒9与第二镜筒15皆可沿远离或靠近连接杆的方向滑动设置于对应的套筒26内。

在本优选的实施例中，第一镜筒9与第二镜筒15皆可沿远离或靠近连接杆的方向滑动设置于对应的套筒26内，由于连接杆处用于摆放待测件或标准件，所以第一镜筒9与第二镜筒15皆可向远离测件或标准件方向移动，或者皆可向靠近测件或标准件方向移动，以实现对不同厚度的待测件或标准件进行测量。

在某些优选的实施例中，套筒26的侧壁上螺接有第二螺杆27，第二螺杆27上位于套筒26内的一端用于与位于套筒26内的第一镜筒9或第二镜筒15抵压配合，以实现镜筒固定在套筒26内。

此外，本申请以规格为3mm×20mm有机玻璃的标准件在具有22.8MPa内应力为例来对本申请进一步阐述。规格为3mm×20mm有机玻璃的标准件在具有22.8MPa内应力时，测取其透射归一化光谱Q_3(λ)，且透射归一化光谱Q_3(λ)如附图6所示。然后根据获取的透射归一化光谱Q_3(λ)与光程差δ的关系获得如附图7所示的对应关系图，并进行线性拟合以获得光程差与内应力值之间的对应关系。

本申请提供的非晶体透明材料内应力的测量方法及测量装置，通过采用偏振光干涉方法与光谱分析方法的结合以获取偏振光的光程差与内应力值之间的函数关系，并通过该函数关系反向获取非晶体透明材料的内应力值，实现了对非晶体透明材料内应力的定量测量。同时，采用光谱分析的方法进行测量，避免了现有技术中色干涉法颜色比对中由于人工及显示设备颜色系统标度偏差，提高了测量精度。同时，消除了环境背景光的影响，避免了环境背景光本底带来的测量误差，提高了测量精度；以及采用多点扫描的方法进行测试，提高了视场范围，使大面积非晶体透明材料的内应力定量精确测量技术得到优化。

需要理解的是，本文如有涉及术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。此外，以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。