CN101358890A - 一种服役中真空玻璃真空度在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空玻璃真空度在线无损检测方法，其目的是提供一种在线检测真空玻璃的真空度衰减损伤状况，评判真空玻璃的真空度的持久性与稳定性，从而实现评价真空玻璃的服役健康状态，为现在工程中大量使用中的真空玻璃质量评价提供检测手段。其技术方案为：通过偏振光弹仪观测真空玻璃支撑点处应力光斑大小与分布形状的关系来间接描述真空玻璃的真空度保有量。该方法通过横向和纵向比较，获得检测工程真空玻璃的真空度保有与衰减情况，从而评判服役中真空玻璃的性能使用状态，为实际真空玻璃修补或更换提供技术支持。该检测手段方法简单，可操作性强，结果直观，可靠。易于实现在线无损检测，可为服役中的真空玻璃结构或构件的真空玻璃真空度进行检测及评价。

Description

一种服役中真空玻璃真空度在线检测方法

技术领域

本发明属于建筑材料检测领域，涉及一种真空玻璃真空度检测方法，特别涉及一种无损在线检测服役真空玻璃真空度的保有量或损失率的方法，用以评价真空玻璃服役期间的性能持久性与稳定性，从而正确指导真空玻璃工程的实际应用。

背景技术

随着当今人们对建筑节能的高度重视，各种节能材料或节能结构层出不穷。真空玻璃由于其具有优良的隔热保温性能及隔声性能，近几年来在建筑物门窗和幕墙上得到了快速发展与广泛应用。真空玻璃是将两块玻璃四边用玻璃材料或树脂材料密封而成的，两层玻璃之间设置“支撑物”保持在0.02～0.03mm的间隙。由于真空玻璃隔热隔音性能完全取决于两片玻璃之间的真空层，要保证真空玻璃性能完全发挥，其真空度至少应保证在-10Pa以下，一旦真空层真空度衰减或损失，那么真空玻璃的性能将大大受到影响甚至完全失去功效，因此真空玻璃在服役期间的性能持久性与稳定性是特别重要的。从理论上说，按现在的科技生产能力，真空玻璃长期寿命应与电视显像管类同，其真空度可保持几十年不变。但是由于真空玻璃在使用过程中容易受到外界环境的腐蚀与外力冲击作用，加速真空玻璃的老化甚至破损，导致真空玻璃功能衰退。因此，在线检测服役真空玻璃的真空度保有量，对评价真空玻璃的使用健康状态及其耐久性，为真空玻璃更换或维修提供必要的技术支持，保证节能建筑节能功效是非常必要的。

由于真空玻璃真空度衰减甚至全部损失用肉眼是完全觉察不到的，其相应的评价目前国内外尚无相应的标准，更无相应的测试方法。而目前对出厂成品真空玻璃的质量检测，一般是采用热辐射法或声传递法，这种方法使用设备庞大，操作复杂，无法用于对服役期间的真空玻璃的真空度保有量进行检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种在线准确、操作简单的检测服役中真空玻璃真空度的方法。

一种服役中真空玻璃真空度的在线检测方法，是通过便携式光弹仪在被检真空玻璃表面移动，直接观测和记录真空玻璃支撑点处应力光斑的大小与分布特征，以该光斑特征推断出该真空玻璃的真空度。

所述的服役中真空玻璃真空度的在线检测方法中，所述便携式光弹仪为透射式或反射式光弹仪。

所述的服役中真空玻璃真空度的在线检测方法中，所述便携式光弹仪以自然光为光源，通过偏振方向相互垂直的起偏片和检偏片制成，其中起偏片贴近真空玻璃表面。

所述的服役中真空玻璃真空度的在线检测方法中，所述便携式光弹仪主体为一暗盒，暗盒的前端面连接呈直角的檐状开口，檐状开口和暗盒连接区域装设一偏振片做检偏片，檐状开口的另一檐装设另一偏振片做起偏片，起偏片和检偏片的偏振方向互相垂直；暗盒后端面上设有观察孔用于人工观察，与该观察孔并排装设一微型照相或摄像设备用于记录观察到的图像。

所述的服役中真空玻璃真空度的在线检测方法中，所述推断是根据光斑的大小和分布形状来定性或定量评价实际服役真空玻璃的真空度。

所述的服役中真空玻璃真空度的在线检测方法中，对真空玻璃的真空度定性评价为横向比较法，是将同一真空玻璃工程各真空玻璃的应力光斑大小进行横向比较，应力光斑越小的其真空度越差。

所述的服役中真空玻璃真空度的在线检测方法中，对真空玻璃的真空度定量评价为纵向比较法，是预先建立起与受检测真空玻璃相类似的样品的真空度与其应力光斑大小的关系，并绘制出相应的曲线关系，然后将实际检测结果代入曲线获得已检测的真空玻璃的真空度数值。

所述的服役中真空玻璃真空度的在线检测方法中，对真空玻璃的真空度评价标准依据光斑分布和光斑尺寸分级，分为I～VI级，级别越高真空度越差。

本发明另一目的，在于提供一种服役中真空玻璃真空度的在线检测方法中使用的便携式光弹仪。

本发明的便携式光弹仪，其主体为一暗盒，暗盒的前端面连接呈直角的檐状开口，檐状开口和暗盒连接区域装设一偏振片做检偏片，檐状开口的另一檐装设另一偏振片做起偏片，起偏片和检偏片的偏振方向互相垂直；暗盒后端面上设有观察孔用于人工观察，与该观察孔并排装设一微型照相或摄像设备用于记录观察到的图像。

所述服役中真空玻璃真空度的在线检测方法中使用的便携式光弹仪，其中微型照相或摄像设备通过导线与一电脑连接。

本发明采用光弹性原理，用光弹设备检测真空玻璃内部支撑点的光弹应力斑，来描述支撑点处应力大小，从而间接描述真空玻璃的真空度，为真空玻璃在线无损真空度检测提供一种简单、有效、可靠的方法。

附图说明

图1A为一单元真空玻璃结构示意图；

图1B显示图1A剖面结构，表示该单元真空玻璃力学模型；

图2为有限元模拟真空玻璃等效应力分布图；

图3显示σ₁-σ₂在支撑平面内的分布区域形貌；

图4为通过光弹仪观测到的某块真空玻璃应力光斑图；

图5A为平面偏振光弹仪(透射式)光路图，图中：1为光源，2为起偏片，3为试件，4为检偏片；

图5B为平面偏振光弹仪(反射式)光路图，1为光源，2为起偏片，3为试件，4为检偏片；

图6为反射式光弹仪结构图，图中：11为光源，12为起偏片，13为检偏片，14为暗盒，15为观察孔，16为摄像头，17为数据线，18为电脑。

图7为不同真空度下的真空玻璃应力光斑图：(a)真空度0.1MPa，(b)真空度0.08MPa，(c)真空度0.06MPa，(d)真空度0.04MPa，(e)真空度0.02MPa，(f)真空状态下。

图8为光斑直径尺寸与真空度关系曲线。

具体实施方式

本发明检测服役中真空玻璃真空度的方法，是用便携式的光弹设备来检测真空玻璃内部支撑点的光弹应力斑，通过描述支撑点处应力大小而间接描述真空玻璃的真空度。

该方法的基本原理如下：

双层真空玻璃在外部大气压作用下，将产生一定的应力和变形。为保证玻璃不因大气压而产生过大的应力，在真空玻璃内部放置许多金属支撑物，玻璃与支撑物相互作用抵消了玻璃内外大气压差带来的附加外力。显然，当大气压差越大时，支撑物与玻璃的相互作用力越大。为分析真空玻璃应力分布，根据真空玻璃结构特点，可以将真空玻璃每支撑点区域划分为一个单元进行受力分析(如图1A所示)，其一个单元的受力力学理论计算模型可简化为(图1B所示)。

计算模型玻璃单元四边固支，在均布压力q和支撑力F的相互作用下，玻璃板内部支撑最大应力(位于支撑作用的玻璃表面处)σ_max计算如下：

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{3F}{2\mathrm{\π}{t}^2}[(1+v)\ln \frac{2\mathrm{\α}}{\sqrt{1.6r+t^2}-0.675t}+\mathrm{\β}]---\left(1\right)$

其中模型长a和宽b分别为真空玻璃单元的横向和纵向尺寸距离(两支点之间的相互距离)，F为支撑物对玻璃的作用力，F＝qab，t为单片玻璃厚度，r为支撑物半径，α、β分别为系数，当a/b＝1时，α＝0.0138，β＝0.1386。

根据上述计算公式，支撑点位置处产生的最大应力与真空玻璃支撑物相互距离(均布时和真空玻璃单元尺寸相等)、排列方式、支撑物大小，真空玻璃单片玻璃厚度及真空度(反应为q值大小)有关。有限元模拟真空玻璃应力分布见图2，从图可以看出，支点处会产生应力集中，该处应力最大，由玻璃内外压差而带来的附加力基本上呈均匀状态分布于真空玻璃内部的各个支点上。

显然，真空玻璃的支撑物与玻璃的相互作用在支撑点处产生很大的应力，而且这种应力大小与玻璃的真空度有关，应力越大，说明玻璃真空度越好，当玻璃真空度完全损失时，它们之间的作用力也完全消失。因此可以用应力检测的结果来反映玻璃的真空度。

根据光弹性原理，材料在外力作用下会产生临时双折射现象，而这种现象是可以通过光弹仪检测得到的，显示为材料在有外力作用处会产生应力光斑，应力光斑形貌与接触点主应力值有关。由于实际支撑物结构尺寸很小，因此，支撑点处可以把支撑力看作为集中荷载，玻璃看作半无限大平面体。根据接触理论，垂直作用在表面原点上的集中力P在接触点附近平面内产生的应力按如下公式计算：

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{P}{2\mathrm{\π}}\left[\frac{(1-2v)}{r^2}\right\{(1-\frac{z}{\mathrm{\ρ}})\frac{x^2-y^2}{r^2}+\frac{{\mathrm{zy}}^2}{{\mathrm{\ρ}}^3}\}-\frac{3{\mathrm{zx}}^2}{{\mathrm{\ρ}}^5}]---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_y=\frac{P}{2\mathrm{\π}}\left[\frac{(1-2v)}{r^2}\right\{(1-\frac{z}{\mathrm{\ρ}})\frac{y^2-x^2}{r^2}+\frac{{\mathrm{zx}}^2}{{\mathrm{\ρ}}^3}\}-\frac{3{\mathrm{zy}}^2}{{\mathrm{\ρ}}^5}]---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_z=\frac{3P}{2\mathrm{\π}}\frac{z^3}{{\mathrm{\ρ}}^5}---\left(4\right)$

其中ρ＝(x²+y²+z²)^1/2，r²＝x²+y²。

显然，接触点附近处的应力状态中：σ₁＝σ_x，σ₂＝σ_y，σ₃＝σ_z。

根据光弹性原理，在等差线上，条纹存在如下关系^[5]：

${\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2=\frac{\mathrm{\λ}}{c}\frac{N}{d}---\left(5\right)$

其中C为应力光学常数，λ为光波波长，d为玻璃厚度，N为条纹值。

由公式(2)及(3)可知

${\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2=\frac{P}{2\mathrm{\π}}\left[\frac{(1-2v)}{r^2}\right\{(1-\frac{z}{\mathrm{\ρ}})\frac{2}{r^2}+\frac{z}{{\mathrm{\ρ}}^3}\}-\frac{3z}{{\mathrm{\ρ}}^5}](x^2-y^2)---\left(6\right)$

由公式(6)可以看出，在x，y平面内，当x＝y时，σ₁-σ₂＝0，没有应力条纹，σ₁-σ₂分布范围形状为梅花型分布(见图3)，因而应力光斑也应是梅花形状的。实际通过光弹仪观察到真空玻璃应力光斑形貌图见图4，由图可以看出光斑形貌与理论很相似。

光弹仪结构采用平面偏振光原理，分为透射式和反射式两种，透射式光弹仪光路见图5A，反射式光弹仪光路见图5B，图中，1为光源，2为起偏片，3为试件，4为检偏片。通过光弹仪可以观测到真空玻璃支撑点位置处因应力集中而产生的应力光斑。

为进行真空玻璃应力光斑的观测，本发明设计一种便携式光弹仪。参见图6所示，该便携式光弹仪主体为一暗盒14，暗盒14的前端面连接呈直角的檐状开口，和暗盒14连接区域装设一偏振片做检偏片13，檐状开口的另一檐与检偏片13相对区域装设另一偏振片做起偏片12，起偏片12和检偏片13偏振方向互相垂直；暗盒14后端面上设有观察孔15用于人工观察，与该观察孔15并排可装设一微型照相或摄像设备16用于记录观察到的图像。使用时，将光弹仪的檐状开口直接贴于真空玻璃表面，利用自然光源11，用肉眼通过观察孔15可以观察到支撑应力光斑情况，必要时启用微型照相或摄像设备16记录观察到的图像，通过导线17与电脑18连接以便电脑对获得的图像进行分析处理。通过对获取的支撑应力光斑的大小和分布形状进行分析可以评价真空玻璃的真空度。

对真空玻璃的真空度评价方法可以采用两种方法：横向比较法和纵向比较法。

横向比较法：一般情况下，同一真空玻璃工程各真空玻璃的实际应用状态基本上是相同的，但当某块真空玻璃真空度衰减甚至完全损失时，则其应力光斑形貌将相对于其它真空玻璃会变化(主要表现在光斑的尺寸大小，光斑亮度及个别支撑点处应力光斑消失等)。因此，通过横向比较法，可以知道哪块真空玻璃出现损伤，从而筛除那些不合格的真空玻璃，指导实际工程给予维修或更换。该法可用于粗略定性检查。

纵向比较法：通过试验，预先建立起与预检测真空玻璃相类似的样品的真空度与其应力光斑大小的关系，并绘制出相应的曲线关系。在实际工程测试中，将检测结果(光斑的大小)与曲线进行对比，可定量地得到已检测的真空玻璃的真空度保有情况，从而评价真空玻璃的使用健康状态。

以下通过一实例说明本发明对服役中真空玻璃真空度的检测方案，不作为对本发明其他实施方式的限制。

检测实例：

待检对象：某精密实验室的全部真空玻璃门窗；

检测装置：图6所示便携式光弹仪，其中装设有数码照相机，像素为300万。

操作过程及结果：1)初检：将光弹仪的开口斜面直接贴于每块真空玻璃表面，边观察边在真空玻璃表面移动，将整块真空玻璃区域全部扫描一遍，用照相机记录观察到的光斑情况；

2)将整扇门窗的每一块真空玻璃均检查后，用横向比较法，观察不到应力光斑的玻璃可以直接建议更换；

3)另外制备与该待检对象相似的实验用真空玻璃样品，调整样品真空度并测其应力光斑大小，绘制真空度与光斑尺寸曲线。图7显示该真空玻璃样品在不同真空度的应力光斑图，由图7可以看出随着真空度的降低，支撑点处的应力光斑也逐渐减小，直到最后消失。表1为该真空玻璃真空度分级标准，图8为依据该结果绘制的真空度与光斑尺寸曲线。

                            表1 该真空玻璃工程平定标准

编号	观察记录(光斑分布)	光斑尺寸(mm)	真空度(MPa)	分级评价
					1	看不到光斑	0	-0.1	VI(破损，需更换)
2	离边界第二排有零星光斑	0.15	-0.08	V(衰变严重，需更换)
					3	局部支撑点处无光斑	0.18	-0.06	IV(衰变很严重，建议更换)
4	光斑分布均匀，暗淡	0.20	-0.04	III(衰变较严重，建议更换)
					5	光斑分布均匀，较明亮	0.25	-0.02	II(状态良好，可继续使用)
6	光斑分布均匀，明亮	0.30	0(真空状态)	I(优良，可继续使用)

4)将1)中实测光斑尺寸代入曲线中，得到每一实测真空玻璃的真空度数值(选择有代表性的10块玻璃，实测结果见表2)。

5)依据真空度分级标准，对所有受检真空玻璃给出评价意见，参见表2。

                        表2 实测各块真空玻璃真空度

标号	观察记录(光斑分布)	光斑尺寸(mm)	真空度(MPa)	分级评定与建议
					1	光斑分布均匀	0.28	-0.015	II级，不需更换
2	光斑分布均匀	0.30	0	I级，不需更换
					3	光斑分布均匀	0.28	-0.015	II级，不需更换
4	光斑分布均匀	0.30	0	I级，不需更换
					5	光斑分布均匀，较暗淡	0.24	-0.03	II级，不需更换
6	光斑分布均匀	0.28	-0.015	II级，不需更换
					7	右方角落无光斑	0.18	-0.05	III级，建议更换
8	光斑分布均匀，较暗淡	0.24	-0.03	II级，不需更换
					9	光斑分布均匀	0.28	-0.015	II级，不需更换
10	光斑分布均匀	0.28	-0.015	II级，不需更换

通过以上实例说明，使用本发明方法可以有效检测到服役玻璃的真空状态，操作简单，设备轻便，结果准确，为有效、可靠的真空玻璃在线无损真空度检测方法。

Claims (10)

1、一种服役中真空玻璃真空度的在线检测方法，其特征在于，通过便携式光弹仪在被检真空玻璃表面移动，直接观测和记录真空玻璃支撑点处应力光斑的大小与分布特征，以该光斑特征推断出该真空玻璃的真空度。

2、如权利要求1所述的服役中真空玻璃真空度的在线检测方法，其特征在于，所述便携式光弹仪为透射式或反射式光弹仪。

3、如权利要求2所述服役中真空玻璃真空度的在线检测方法，其特征在于，所述便携式光弹仪以自然光为光源，通过偏振方向相互垂直的起偏片和检偏片制成，其中起偏片贴近真空玻璃表面。

4、如权利要求2所述服役中真空玻璃真空度的在线检测方法，其特征在于，所述便携式光弹仪主体为一暗盒，暗盒的前端面连接呈直角的檐状开口，檐状开口和暗盒连接区域装设一偏振片做检偏片，檐状开口的另一檐装设另一偏振片做起偏片，起偏片和检偏片的偏振方向互相垂直；暗盒后端面上设有观察孔用于人工观察，与该观察孔并排装设一微型照相或摄像设备用于记录观察到的图像。

5、如权利要求1或2或3或4所述服役中真空玻璃真空度的在线检测方法，其特征在于，所述推断是根据光斑的大小和分布形状来定性或定量评价实际服役真空玻璃的真空度。

6、如权利要求5所述服役中真空玻璃真空度的在线检测方法，其特征在于，对真空玻璃的真空度定性评价为横向比较法，是将同一真空玻璃工程各真空玻璃的应力光斑大小进行横向比较，应力光斑越小的其真空度越差。

7、如权利要求5所述服役中真空玻璃真空度的在线检测方法，其特征在于，对真空玻璃的真空度定量评价为纵向比较法，是预先建立起与受检测真空玻璃相类似的样品的真空度与其应力光斑大小的关系，并绘制出相应的曲线关系，然后将实际检测结果代入曲线获得已检测的真空玻璃的真空度数值。

8、如权利要求5或6或7所述服役中真空玻璃真空度的在线检测方法，其特征在于，对真空玻璃的真空度评价标准依据光斑分布和光斑尺寸分级，分为I～VI级，级别越高真空度越差。

9、服役中真空玻璃真空度的在线检测方法中使用的便携式光弹仪，其主体为一暗盒，其特征在于，暗盒的前端面连接呈直角的檐状开口，檐状开口和暗盒连接区域装设一偏振片做检偏片，檐状开口的另一檐装设另一偏振片做起偏片，起偏片和检偏片的偏振方向互相垂直；暗盒后端面上设有观察孔用于人工观察，与该观察孔并排装设一微型照相或摄像设备用于记录观察到的图像。

10、根据权利要求9所述服役中真空玻璃真空度的在线检测方法中使用的便携式光弹仪，其特征在于，所述微型照相或摄像设备通过导线与一电脑连接。

Images