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      玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀校準(zhǔn)方法的探索

      2015-06-08 03:00:04范乃胤李記輝
      計(jì)量技術(shù) 2015年5期
      關(guān)鍵詞:力值內(nèi)應(yīng)力玻璃板

      范乃胤 劉 權(quán) 李記輝

      (河南省計(jì)量科學(xué)研究院,鄭州 450008)

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      玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀校準(zhǔn)方法的探索

      范乃胤 劉 權(quán) 李記輝

      (河南省計(jì)量科學(xué)研究院,鄭州 450008)

      提出了一種玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀的校準(zhǔn)方法并給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)器的設(shè)計(jì)思路,該標(biāo)準(zhǔn)器是根據(jù)玻璃各向異性的物理特性而設(shè)計(jì)的一種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板相應(yīng)位置施加標(biāo)準(zhǔn)力值使其產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)玻璃內(nèi)應(yīng)力,再使用玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量得出玻璃應(yīng)力值,該測(cè)量應(yīng)力值與玻璃板標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比,從而給出玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀示值的誤差。該校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)器為玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀的量值溯源提供了一種可行方案,為玻璃生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了一定幫助。

      玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀;人造各向異性;標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板;校準(zhǔn)

      0 引言

      在玻璃制造過(guò)程中,由于外界溫度差和機(jī)械力等因素作用的影響,在玻璃內(nèi)有一定的應(yīng)力存在[1]。玻璃內(nèi)應(yīng)力一般可分為兩種:暫時(shí)應(yīng)力和永久應(yīng)力,其產(chǎn)生的原因也主要來(lái)自兩方面:一是由機(jī)械力的作用所造成的,另一方面是由物體內(nèi)外溫度差而造成的。玻璃的內(nèi)應(yīng)力是影響玻璃機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的主要因素。如果玻璃內(nèi)應(yīng)力極不均勻,將會(huì)降低玻璃制品的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性,影響制品的安全使用,甚至?xí)l(fā)生自裂現(xiàn)象。但是玻璃中的內(nèi)應(yīng)力也不是完全不利的,在玻璃的制造工程中適當(dāng)?shù)乜刂苾?nèi)應(yīng)力,反會(huì)增加玻璃的強(qiáng)度。鋼化玻璃就是利用淬火處理來(lái)改善玻璃機(jī)械強(qiáng)度的一個(gè)典型例子,特殊玻璃品種對(duì)內(nèi)應(yīng)力的要求更加復(fù)雜[2]。因此,測(cè)量玻璃的內(nèi)應(yīng)力是控制玻璃質(zhì)量的一種手段,特別是質(zhì)量要求較高的貴重或精密的產(chǎn)品尤其重要??刂撇A?nèi)應(yīng)力首先需要準(zhǔn)確測(cè)量其內(nèi)應(yīng)力,玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀可以對(duì)其應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)定。所以,玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀在玻璃生產(chǎn)過(guò)程中是一個(gè)非常重要的儀器。

      隨著企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的重視,量值溯源也越來(lái)越重要起來(lái)。近年來(lái),不斷有企業(yè)要求對(duì)玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn),但是目前還沒(méi)有相應(yīng)的校準(zhǔn)依據(jù)及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)器,這就造成了生產(chǎn)企業(yè)在玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)儀的量值溯源過(guò)程中遇到很多麻煩。因此,設(shè)計(jì)一種既便捷又經(jīng)濟(jì)的玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)器無(wú)論對(duì)于企業(yè)量值溯源還是對(duì)計(jì)量檢定人員來(lái)說(shuō)都具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

      1 玻璃內(nèi)應(yīng)力與光程差的關(guān)系

      一般沒(méi)有內(nèi)應(yīng)力的玻璃是一種均勻透光的介質(zhì),具有各向同性的特性,當(dāng)一束單色光通過(guò)其中時(shí),光速與其傳播方向和光波的偏振面均無(wú)關(guān),不會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象(如圖1所示)。但是,當(dāng)玻璃受外界機(jī)械力的作用或其內(nèi)外有溫度差而使玻璃具有殘余內(nèi)應(yīng)力時(shí),玻璃的各向同性將會(huì)被打亂,在光學(xué)上就成為各向異性體。當(dāng)一束單色光通過(guò)此玻璃時(shí)就會(huì)分解為o光(ordinary)和e光(extraordinary)兩束光(如圖2所示),o光、e光均為線偏振光,其中o光服從折射定律,e光不服從折射定律。o光和e光兩者到達(dá)有應(yīng)力玻璃的另一表面時(shí),必然有相位差。

      圖1 無(wú)應(yīng)力玻璃

      圖2 有應(yīng)力玻璃

      設(shè)Δφ為o光與e光的相位差,則:

      (1)

      式中:ne和no分別為o光和e光主方向上的折射率;L為光穿過(guò)玻璃的厚度。

      設(shè)δ為o光與e光的光程差,則:

      δ=(ne-no)·L

      (2)

      有應(yīng)力存在的玻璃其兩主折射率與應(yīng)力值的關(guān)系:

      ne-no=CB(σe-σo)

      (3)

      式中:CB為應(yīng)力光學(xué)常數(shù),它是物理常數(shù),僅與玻璃品種有關(guān)。

      由式(1)、(2)和(3)可得出玻璃內(nèi)應(yīng)力σ與o光和e光的光程差δ、相位差Δφ的關(guān)系分別如式(4)和(5)所示。

      (4)

      根據(jù)式(4),只要測(cè)出o光和e光的光程差δ或相位差Δφ,就可計(jì)算出玻璃的內(nèi)應(yīng)力σ。

      2 玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)儀的工作原理

      玻璃內(nèi)應(yīng)力有關(guān)測(cè)量主要有偏光儀觀測(cè)法、干涉色法和補(bǔ)償器測(cè)定法等幾種。偏光儀觀測(cè)法可以定性地估算光程差的大小,但不可以進(jìn)行定量測(cè)定;干涉色法能進(jìn)行定量測(cè)定,但精度不高受到限制;只有補(bǔ)償器測(cè)定法能夠進(jìn)行比較精密的光程差測(cè)量,下面主要以第三種檢測(cè)方式對(duì)玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)儀的工作原理進(jìn)行闡述。

      利用補(bǔ)償器測(cè)定法測(cè)量玻璃應(yīng)力的檢測(cè)儀的工作原理如圖3所示,光源發(fā)出的自然光經(jīng)起偏器后,變?yōu)榫€偏振光1(假設(shè)其光矢量方向?yàn)榇怪狈较?,此時(shí)旋轉(zhuǎn)檢偏器使之與線偏振光1正交,那么線偏振光1將完全不能通過(guò)檢偏器,用眼睛觀察時(shí)視場(chǎng)呈黑色。若在光路中放入有內(nèi)應(yīng)力的玻璃試樣時(shí),該線偏振光1通過(guò)玻璃試樣后被分解為具有光程差的o光和e光,這兩束線偏振光通過(guò)1/4波片后,又被合成為線偏振光2,但此時(shí)的線偏振光2的光矢量方向和線偏振光1的光矢量方向有一偏角。因此,在視場(chǎng)中就可看到兩條黑色條紋隔開(kāi)的明亮區(qū)。旋轉(zhuǎn)檢偏器,重新使玻璃中心變黑,讀出檢偏器的旋轉(zhuǎn)角度Δθ。

      圖3 玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀工作原理圖

      由理論推導(dǎo)可知,玻璃試樣的光程差δ與偏轉(zhuǎn)角Δθ成正比,即:

      δ=lΔθ/p

      (5)

      式中,l為照射光源的波長(zhǎng),將式(5)代入式(4)中,便可計(jì)算出玻璃內(nèi)應(yīng)力值σ。

      (6)

      3 玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)儀校準(zhǔn)原理和校準(zhǔn)方法

      3.1 校準(zhǔn)原理

      人造各項(xiàng)異性產(chǎn)生的原理如圖4所示,在外界機(jī)械力的作用下,具有各項(xiàng)同性的無(wú)應(yīng)力玻璃中將會(huì)引起明顯的優(yōu)勢(shì)方向,同時(shí)在玻璃內(nèi)部也會(huì)伴隨著玻璃分子的重新排列從而可以形成人造各項(xiàng)異性的有內(nèi)應(yīng)力存在的玻璃。

      圖4 人造各項(xiàng)異性產(chǎn)生的原理圖

      當(dāng)以單向壓縮或單向拉伸力F作用在厚度為L(zhǎng)、寬度為H的無(wú)應(yīng)力玻璃中時(shí),由人造各項(xiàng)異性玻璃制造原理可知,玻璃內(nèi)部將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,從而形成了雙折射玻璃。此時(shí)當(dāng)波長(zhǎng)為l的單色光沿L方向通過(guò)玻璃時(shí),o光與e光間產(chǎn)生的相位差為:

      (7)

      由人造各項(xiàng)異性產(chǎn)生的理論[3]可知,對(duì)一塊無(wú)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)玻璃施加標(biāo)準(zhǔn)力F后,其內(nèi)部將產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力,該內(nèi)應(yīng)力值可表示為:

      σ=σe-σo=F/(LH)

      (8)

      根據(jù)式(8),只要能夠?qū)α和玻璃的截面積(LH)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,即可使人造各項(xiàng)異性玻璃產(chǎn)生所需要的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力,從而通過(guò)便于控制的力值表達(dá)出玻璃的內(nèi)應(yīng)力值。

      由式(7)和式(8)可知o光與e光間相位差與施加力值之間關(guān)系為:

      (9)

      圖5為對(duì)人造各項(xiàng)異性玻璃內(nèi)應(yīng)力值的測(cè)量裝置示意圖,裝置中支架有一定的高度,使待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板與桌面之間留有足夠的空間以放下玻璃應(yīng)力儀。測(cè)量時(shí),給擋板施加一系列標(biāo)準(zhǔn)砝碼力值,使得標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力,從而通過(guò)玻璃應(yīng)力儀讀出相應(yīng)的一系列相內(nèi)應(yīng)力值,再與理論公式(8)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

      圖5 玻璃內(nèi)應(yīng)力值的測(cè)量裝置示意圖

      3.2 校準(zhǔn)方法

      依據(jù)這種產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力的方法我們可以設(shè)計(jì)一種校準(zhǔn)玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)儀的標(biāo)準(zhǔn)器。該標(biāo)準(zhǔn)器主要是一標(biāo)準(zhǔn)無(wú)應(yīng)力玻璃塊,并且當(dāng)作用力取消后,內(nèi)應(yīng)力也隨著消失。由于其標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力是由外界機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的,所以屬于暫時(shí)應(yīng)力,只要加以適當(dāng)保養(yǎng),可以重復(fù)使用,能夠滿足計(jì)量校準(zhǔn)的要求。

      使用該標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),首先,給標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊施加一系列適當(dāng)?shù)牧i使其產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力σi。使用待檢玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)產(chǎn)生的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)應(yīng)力σi測(cè)量k次,記錄測(cè)量值σik,取其每個(gè)內(nèi)應(yīng)力測(cè)量值的平均值作為最終測(cè)量值:

      (10)

      這樣就可以檢驗(yàn)玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)儀的示值是否準(zhǔn)確,并能得到相應(yīng)受檢點(diǎn)的示值誤差。

      需要強(qiáng)調(diào)的是,測(cè)出的應(yīng)力不是玻璃內(nèi)應(yīng)力的絕對(duì)值,而是o光、e光方向上二主應(yīng)力之差,有時(shí)雖然測(cè)出的應(yīng)力為零,但實(shí)際上二主應(yīng)力還是均存在的,只不過(guò)二者相等而已。典型例子是平板玻璃,從平面上看,存在各向相等的表面壓應(yīng)力及板芯張應(yīng)力,表面壓應(yīng)力在數(shù)值上等于2倍板芯張應(yīng)力,采用平面透射光測(cè)量時(shí)并不能測(cè)出應(yīng)力,原因就是σe=σo。在校準(zhǔn)過(guò)程中應(yīng)注意這一點(diǎn),盡量使得標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊產(chǎn)生不同的主應(yīng)力。

      4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

      如圖5所示,試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板的L為2.5cm,H為1cm。實(shí)驗(yàn)時(shí),給擋板施加一系列標(biāo)準(zhǔn)砝碼也就是施加標(biāo)準(zhǔn)力值,從而使玻璃內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的雙折射現(xiàn)象,最后通過(guò)玻璃應(yīng)力儀讀出相應(yīng)的玻璃內(nèi)應(yīng)力值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

      表1 玻璃板內(nèi)應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)

      從表1中可知,兩次測(cè)量數(shù)據(jù)在相同標(biāo)準(zhǔn)力值下,所測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)玻璃內(nèi)應(yīng)力最大相差 0.4MPa,表明測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性比較好。同時(shí)與理論計(jì)算值對(duì)比,兩次測(cè)量值與理論計(jì)算值最大偏差為0.36MPa,偏差較小。

      圖6中以玻璃板施加的標(biāo)準(zhǔn)力值為橫坐標(biāo),玻璃板的內(nèi)應(yīng)力值為縱坐標(biāo),對(duì)表1中的兩次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的結(jié)果圖。第一次和第二次測(cè)量數(shù)據(jù)的線性擬合函數(shù)分別為y1=0.0271x+0.1733和y2=0.0264x+0.0533,擬合度分別為0.9921和0.9915,表明此標(biāo)準(zhǔn)玻璃片所受力值與產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力線性度比較好。

      圖6 施加的標(biāo)準(zhǔn)力值與玻璃板內(nèi)應(yīng)力測(cè)量值的關(guān)系圖

      5 結(jié)束語(yǔ)

      本文在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力原理與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種玻璃內(nèi)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)器即:標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板。該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力玻璃板能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的所需要的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力值,為玻璃應(yīng)力檢測(cè)儀的量值溯源提供了一種可行方案,為玻璃生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了一定幫助。

      對(duì)標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊施加壓力時(shí),沿著施加壓力方向上玻璃表面將受到壓應(yīng)力,同時(shí)與施加壓力垂直的方向上將受到張應(yīng)力,然而只有垂直于光路的應(yīng)力才能被測(cè)出,因此對(duì)標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊受到外界機(jī)械作用力后主應(yīng)力方向的研究具有重要實(shí)際意義。

      [1] 肖成珍,劉培先,張繼磊,林超,袁鐵生.淺析玻璃應(yīng)力的產(chǎn)生及消除[J].太陽(yáng)能,2012(19):62-64.

      [2] 馬軍,趙國(guó)華.鋼化玻璃應(yīng)力斑的成因分析及控制[J].玻璃,2009(1):43-44

      [3] [蘇]JI.A,諾維茨基著.朱源宏,譯.實(shí)驗(yàn)室光學(xué)儀器[M].中國(guó)計(jì)量出版社,1986

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      10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.18

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