CN112986127B - 一种透明材料应力光学系数的标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透明材料应力光学系数的标定装置，属于材料检测技术领域，解决了现有标定装置复杂、使用场景受限且标定误差大的问题。该装置包括：拉力机构，用于对所述待检测透明材料标准件施加不同大小的轴向拉力；测试光路机构，用于接收可见光束，以及，获得测试环境本底光强、可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强和待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强；处理器，用于根据上述参数利用数值拟合法获得待检测透明材料标准件的内应力与光程差间的映射关系，进而对待检测透明材料标准件的应力光学系数进行标定，该装置结构简单、不受环境限制、标定精度高。

Description

一种透明材料应力光学系数的标定装置

技术领域

本发明涉及材料检测技术领域，尤其涉及一种透明材料应力光学系数的标定装置。

背景技术

在影响材料质量和结构寿命的因素中，应力这一因素起着至关重要的作用。材料内应力是指在外界作用消除后，仍存于材料中并保持自相平衡的应力，又称作残余应力。材料中的内应力按来源一般分为热应力、结构应力和机械应力，这些应力会引起材料发生翘曲或扭曲变形，产生开裂，甚至导致材料失效，而材料应力的检测可以反映材料本身的状态及潜在的问题，因此具有十分重要的研究和应用意义。而材料的应力光学系数是进行材料应力检测的重要参数，应力光学系数的精确与否直接影响到材料应力检测结果。

现有的材料应力光学系数标定方法主要包括条纹级数法、热应力法，以及应力仪法。条纹级数法通过人工目测光场背景亮度来辅助调整偏振片角度，并通过人工目测条纹级数来辅助估算应力值，并基于该应力值拟合获得材料的应力光学系数；热应力法指的是采用电加热的方式，通过金属导热管和密封圈来形成温度场，产生稳定的轴对称热应力，使各向同性材料具有单轴晶体的光学效应；当自然光通过时，径向和切向偏振光产生不同的干涉条纹，测量干涉条纹变化数，即可获得材料的应力光学系数；应力仪法通过调整起偏器和检偏器之间的角度，测量相应的光谱，并根据光谱获得材料的应力光学系数，该应力仪法适用于暗室环境中，且起偏器和检偏器角度的调整必须借助外部单独的偏振片，并通过目测光场背景亮度来确认起偏器和检偏器是否调整到目标角度。

现有技术至少存在以下缺陷，一是条纹级数法主要通过人工目测确定偏振片角度以及应力值，存在很大误差，标定结果准确度低，且该方法对待检测材料样品的形状要求较高，必须是形状规则的光学圆片，因此增加了加工难度；二是热应力法采用电加热、金属导热管和密封圈来形成温度场，需要水冷功能和加热功能，导致装置的复杂性高，此外，测量过程中仍需人工目测干涉条纹的变化数，同样存在视觉误差的问题，导致标定结果不准确；三是采用应力仪法进行测量时，测试环境受限、需借助单独的偏振片对起偏器和检偏器的角度进行调整，并人工目测光场背景亮度来判断是否调整到位，调整过程复杂且存在视觉误差，标定结果误差大。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种透明材料应力光学系数的标定装置，用以解决现有技术中材料应力光学系数标定装置复杂、使用场景受限且标定误差大的问题。

本发明提供了一种透明材料应力光学系数的标定装置，包括：

拉力机构，包括用于放置待检测透明材料标准件的样品槽，用于对所述待检测透明材料标准件施加不同大小的轴向拉力；

光源发生装置，用于产生可见光束；

测试光路机构，包括沿入射光方向依次设置的聚焦透镜、起偏器、检偏器及衰减片，所述起偏器和检偏器均配置有对应的角度刻度盘，用于调整所述起偏器与检偏器的偏振方向；所述测试光路机构的光路与样品槽中放置的待检测透明材料标准件的主平面垂直，用于接收所述可见光束，以及，用于获得测试环境本底光强、可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强和待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强；

处理器，用于基于所述可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强、测试环境本底光强以及待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强，利用数值拟合法获得所述待检测透明材料标准件的内应力与光程差间的映射关系，并根据该映射关系对所述待检测透明材料标准件的应力光学系数进行标定。

进一步的，所述处理器还用于，基于可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强、测试环境本底光强以及待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强，利用函数关系通过数值拟合法拟合获得不同大小的轴向拉力下对应的光程差，所利用的的函数关系为：

其中，I(λ)表示待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应获得的预设波段范围内出射光的光强，I_BG(λ)表示测试环境本底光强，a(λ)²表示可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强，δ表示光程差，λ表示预设波段范围内出射光的波长，θ表示起偏器的偏振方向与拉力机构施加拉力的方向间的夹角。

进一步的，通过数值拟合法进行拟合时，还包括拟合获得sin²(2θ)，并将sin²(2θ)的值与1进行比较，以判断拟合的准确度。

进一步的，所述待检测透明材料标准件设置于所述起偏器和检偏器之间，且平行于所述起偏器和检偏器；

通过设置所述起偏器和检偏器的偏振方向平行，测量获得可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强；

通过设置所述起偏器和检偏器的偏振方向正交，测量获得测试环境本底光强；

通过设置所述起偏器和检偏器的偏振方向正交，并调整起偏器偏振方向与拉力机构施加拉力的方向间的夹角为45°，测量获得待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强。

进一步的，所述测试光路机构还包括第一连接杆组、第一转接板、光纤固定结构、透镜镜架、第一偏振片镜架、第二偏振片镜架、第二转接板及衰减片镜架；

所述第一转接板、第二转接板、透镜镜架、第一偏振片镜架及第二偏振片镜架的四个角位置处均设置有连接孔，所述第一连接杆组通过连接孔依次串接固定所述第一转接板、透镜镜架、第一偏振片镜架、第二偏振片镜架及第二转接板；

所述光纤固定结构设置于所述第一转接板上，用于固定连接所述光源发生装置的光纤；

所述聚焦透镜内置于所述透镜镜架中，用于对从光纤出射的可见光束进行聚焦；

所述起偏器内置于第一偏振片镜架内，所述检偏器内置于第二偏振片镜架内，所述第一偏振片镜架和第二偏振片镜架还用于分别固定所述角度刻度盘；

所述衰减片内置于所述衰减片镜架中，用于削减经检偏器出射的出射光光强；所述衰减片镜架设置于所述第二转接板上。

进一步的，还包括用于固定所述测试光路机构的固定部，所述固定部包括第二连接杆组、转接立方体和两个转接板件；所述第二连接杆组与所述第一连接杆组垂直；

所述转接立方体上设置有与第二连接杆组相对应的连接孔，第二连接杆组穿过该连接孔，且第二连接杆组的两端分别与两个转接板件连接，每一转接板件的底部安装有支腿和支腿固定件；

所述转接立方体上还设置有与测试光路机构中第一连接杆组相对应的连接孔，所述第一连接杆组的一端穿入该连接孔，以固定所述测试光路机构。

进一步的，所述拉力机构还包括丝杠、力学传感器和数显表；

所述丝杠，用于通过扭转对所述待检测透明材料标准件施加不同大小的轴向拉力；

所述力学传感器，用于实时测量施加于所述待检测透明材料标准件上的轴向拉力；

所述数显表，用于显示所述力学传感器测量的轴向拉力的数值。

进一步的，所述处理器通过下述方式对所述待检测透明材料标准件的应力光学系数进行标定：

基于所述可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强建立不同波长的出射光与对应的光强间的第一函数；

基于第一函数、测试环境本底光强以及待检测透明材料标准件处于每一轴向拉力时对应获得的预设波段范围内出射光的光强，通过数值拟合法拟合获得不同大小的轴向拉力下对应的光程差；

计算得到不同大小的轴向拉力下对应的待检测透明材料标准件的内应力，结合不同大小的轴向拉力下对应的光程差进而获得待检测透明材料标准件的内应力与光程差间的映射关系；

根据该映射关系通过下述公式获得待检测透明材料标准件的应力光学系数：

δ＝Cdσ

其中，σ表示待检测透明材料标准件的内应力，δ表示对应的光程差，d表示待检测透明材料标准件的厚度，C表示待检测透明材料标准件的应力光学系数。

进一步的，还包括光谱仪，用于探测经测试光路机构产生的出射光。

进一步的，所述光源发生装置为LED光源，所述预设波段范围为[500nm,600nm]。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明提出的透明材料应力光学系数的标定装置，采用高稳定性且输出光强可调节的LED光源照射顺序设置的聚焦透镜、起偏器、检偏器以及衰减片，并基于角度刻度盘调整起偏器和检偏器的偏振角度，以测试获得环境本底光强、光源光强以及透明材料标准件处于不同拉力条件下对应获得的光强，并基于上述参数拟合获得透明材料的应力光学系数，该装置能够适用于自然光环境中，应用场景不受限制；其次，配置有对应的角度刻度盘，能够精确调整起偏器和检偏器的偏振角度，无需人工目测或借助单独的偏振片调整起偏器和检偏器的偏振角度，调整方法简单且避免了人工目测的视觉误差，提高了标定结果的精度。

2、本发明提出的透明材料应力光学系数的标定装置，将测试光路机构固定于固定部上，并设置固定部连接杆两侧的转接板件位于拉力机构的两侧，使拉力机构样品槽中的待检测透明材料标准件位于测试光路机构的光路上，使整个标定装置结构更加紧凑，且转接板件在固定部连接杆上可滑动，因此通过调整转接板件可使标定装置工作于不同大小的光学平台上。

3、本发明提出的透明材料应力光学系数的标定装置，通过数值拟合法拟合获得待检测透明材料标准件处于每一轴向拉力下对应的光程差，同时对起偏器的偏振方向与拉力机构施加拉力的方向间的夹角进行拟合，进而判断对光程差拟合结果的准确度，有利于提高光程差拟合结果的精度，进而提高对待检测透明材料标准件的应力光学系数的标定精度。

4、本发明提出的透明材料应力光学系数的标定装置，不仅能够对透明材料的应力光学系数进行标定，还能够对透明材料残余应力的大小和方向进行检测。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例透明材料应力光学系数的标定装置的示意图；

图2为本发明实施例固定部固定测试光路机构的示意图；

图3为本发明实施例第一偏振片镜架和第二偏振片镜架的示意图；

图4为本发明实施例第一转接板和第二转接板的示意图；

图5为本发明实施例透镜镜架的示意图；

图6为本发明实施例光线固定结构的示意图；

图7为本发明实施例衰减片镜架的示意图；

图8为本发明实施例转接头的示意图；

图9为本发明实施例转接头口径大的端口的一侧示意图；

图10为本发明实施例转接立方体的示意图；

图11为本发明实施例拉力机构的示意图；

图12为本发明实施例样品夹持件夹持待检测透明材料标准件的示意图；

图13为本发明实施例透明材料光弹性产生干涉光的光路示意图；

图14为本发明实施例沿入射光传播光路的方向，光矢量在各个方向上的分量图；

图15为本发明实施例待检测透明材料标准件的应力σ与光程差δ进行线性拟合后的示意图。

附图标记：

1-测试光路机构；2-拉力机构；3-光谱仪；4-光源发生装置；5-光纤；6-固定部；7-待检测透明材料标准件；101-第一转接板；102-光纤固定结构；103-透镜镜架；104-第一偏振片镜架；105-第二偏振片镜架；106第二转接板；107-衰减片镜架；108-第一连接杆组；

201-丝杠；202-力学传感器；203-数显表；204-样品槽；205-壳体；

601-转接立方体；602-第二连接杆组；603-转接板件；604-支腿；605-支腿固定件。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种透明材料应力光学系数的标定装置。如图1所示，该装置包括：

拉力机构2，包括用于放置待检测透明材料标准件的样品槽，用于对待检测透明材料标准件施加不同大小的轴向拉力。具体的，待检测透明材料标准件指的是内部无内应力，在光学性能上是各向同性材料，光在其中的传播方向可由折射定律唯一确定，偏振光入射其中并出射后不产生任何变化。

光源发生装置4，用于产生可见光束。

测试光路机构1，包括沿入射光方向依次设置的聚焦透镜、起偏器、检偏器及衰减片，该起偏器和检偏器均配置有对应的角度刻度盘，用于调整起偏器与检偏器的偏振方向；测试光路机构的光路与样品槽中放置的待检测透明材料标准件的主平面垂直，用于接收可见光束，以及，用于获得测试环境本底光强、可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强和待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强。

处理器(图1中未示出)，用于基于可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强、测试环境本底光强以及待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强，利用数值拟合法获得待检测透明材料标准件的内应力与光程差间的映射关系，并根据该映射关系对待检测透明材料标准件的应力光学系数进行标定。具体的，处理器可以是计算机等能够进行数据处理、计算的终端。

优选的，还包括光谱仪，用于采集经测试光路机构出射的光束，进而获得光谱。

具体的，可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强，实际指的是光源发生装置产生的光源光强。在实际标定的过程中，优选的，选用LED光源作为光源发生装置，该光源产生的可见光束波段范围为300～800nm，光谱仪在采集光源光强、环境本底光强以及待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的出射光的光强时，对应采集的光谱波段范围也为300～800nm。但在实际测量过程中，经过大量的实验验证，对于光源光强、环境本底光强以及待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的出射光的光强，选取光谱波段范围为[500nm,600nm](即预设光谱范围为[500nm,600nm])的光谱进行后续处理计算时，对应获得的光程差最显著，基于该波段的光谱对待检测透明材料标准件的应力光学系数的标定结果精确度高。

现有技术中通过应力仪法进行透明材料应力光学系数标定时，采用的测试光路为滤光片、波片、起偏器、检偏器以及分光器，其中，波片能够对双折射偏振光进行波长补偿，从而增大光程差，有利于后续的系数标定，但波片只能对其工作波长(该工作波长为某一特定波长)的偏振光进行波长补偿，而对非工作波长的其他波长不会进行补偿，即不会增大光程差，应力仪法是基于一定波段范围内的波长对应的光程差进行拟合获得对应的透明材料应力光学系数，采用波片后会导致一定波段范围内的波长对应的光程差增幅不一致，从而导致根据该一系列光程差拟合获得透明材料应力光学系数不准确。此外，由于应力仪法基于的应力仪必须工作于暗室中，在对待检测透明材料标准件施加拉力时，无法观察应力仪内部以及待检测透明材料标准件的状态，因此采用分光器将应力仪出射的光束进行分光，一束用于采集光谱，另一束进入摄像机，用于观察应力仪内部状况，导致整个装置结构复杂，且无法实时观察应力仪内部光学器件和待检测透明材料标准件的状态。

为解决现有应力仪法存在的问题，本发明采用高稳定性且输出光强可调节的LED光源作为光源发生装置，使标定装置能够工作于自然光环境下，使适用场景不受限制；并结合采用聚焦透镜对入射光束进行聚焦，以提高光斑质量，使测得的预设波段范围内不同波长对应的光程差显著，避免了使用波片增大光程差导致的应力光学系数标定精度降低的问题；且能够直接实时查看测试光路中各光学器件待检测透明材料标准件的状态，无需采用分束器以及摄像机进行辅助查看，在简化标定装置的同时，减小了测量误差，提高了标定精度。

优选的，考虑到标定过程时间较长，为使LED光源能够长时间稳定工作，为LED光源配置具有散热功能的风机，使LED光源能够及时散热，保证光源能够连续工作几个小时后仍能维持温度稳定，从而避免了温度变化对光源的影响，提高了光源的稳定性，进而进一步提高透明材料应力光学系数的标定结果的精度。

优选的，起偏器和检偏器均为偏振片，采用的偏振片的透射比为千分之一，即偏振片对偏振方向上的偏振光的透射率接近100％，对非偏振方向上的偏振光的透射率为0.1％。由于检偏器偏振方向上的偏振光能够反映透明材料应力的大小，因此采用上述偏振片作为检偏器能够很好的采集其偏振方向上的偏振光，并过滤非偏振方向的偏振光，从而降低非偏振方向的偏振光对采集的光谱的影响。

为了避免人工目测调整起偏器或检偏器的偏振角度产生的视觉误差，以及应力仪法中采用独立的偏振片调整起偏器或检偏器的偏振角度导致的操作繁琐、视觉误差大等缺陷，优选的，为起偏器和检偏器配置对应的角度刻度盘，该角度刻度盘的精度优于±1°，从而提高了对起偏器和检偏器偏振角度的调整精度。

为了防止光谱仪达到饱和而不能很好的采集出射光束，优选的，采用衰减片对出射光的强度进行削弱，此外，还可以通过调节LED光源的光强对出射光束的光强进行调整，以避免光谱仪达到饱和，从而获得有效、高质量的光谱。

优选的，如图2所示，测试光路机构1还包括第一连接杆组108、第一转接板101、光纤固定结构102、透镜镜架103、第一偏振片镜架104、第二偏振片镜架105、第二转接板106及衰减片镜架107。其中，第一偏振片镜架104和第二偏振片镜架105相同，如图3所示；第一转接板101与第二转接板106结构相同，如图4所示；图5至图7分别示出透镜镜架103、光纤固定结构102以及衰减片镜架107的示意图。

第一转接板101、第二转接板106、透镜镜架103、第一偏振片镜架104、第二偏振片镜架105的四个角位置处均设置有连接孔，第一连接杆组108包括四根连接杆，分别通过连接孔依次串接固定第一转接板101、透镜镜架103、第一偏振片镜架104、第二偏振片镜架105及第二转接板106，从而实现测试光路的固定准直。

优选的，光纤固定结构102设置于第一转接板101上，用于固定连接光源发生装置4的光纤5。

聚焦透镜内置于透镜镜架103中，用于对从光纤5出射的可见光束进行聚焦，从而提高光斑质量。

起偏器内置于第一偏振片镜架104内，检偏器内置于第二偏振片镜架105内，第一偏振片镜架104和第二偏振片镜架105还用于分别固定角度刻度盘，以方便精准调整起偏器和检偏器的偏振角度。

衰减片内置于衰减片镜架107中，用于削减经检偏器出射的出射光光强，避免接收出射光的光谱仪发生饱和；衰减片镜架107设置于第二转接板106上。

优选的，测试光路机构还包括转接头，如图8所示，转接头的一侧端口(口径大的端口)套接在衰减片镜架107上，转接头口径大的端口一侧如图9所示，另一侧端口(口径小的端口)与光纤连接，通过光纤将出射光束导入光谱仪中，从而进行光束采集。

优选的，具体实施时，第一连接杆组108竖向布置。

为了保证测试光路的稳定性，还包括用于固定测试光路机构的固定部6，所述固定部6包括第二连接杆组602、转接立方体601和两个转接板件603；第二连接杆组602与第一连接杆组108垂直。其中，图10示出了转接立方体601的示意图，转接板件603的结构与第一转接板101、第二转接板106相同。具体的，转接立方体601上设置有与第二连接杆组602相对应的连接孔，第二连接杆组602也包括四根连接杆，分别穿过各连接孔，且第二连接杆组602的两端分别与两个转接板件603连接，每一转接板件603的底部安装有支腿604和支腿固定件605，用于将固定部固定于光学平台上。优选的，转接板件603可在第二连接杆组602上滑动，通过调整转接板件603在第二连接杆组602上的位置，可以使该测试光路机构工作于不同大小的光学平台上。

该转接立方体601上还设置有与测试光路机构中第一连接杆组108相对应的连接孔，第一连接杆组108的一端穿入该连接孔，从而使第一连接杆组108与第二连接杆组602相互垂直，以固定测试光路机构。优选的，转接立方体601的侧面和顶部还设置有圆孔，便于光纤通过圆孔将光源发生装置发出的光束导入测试光路机构1。

优选的，如图11所示，拉力机构2除了包括样品槽204之外，还包括丝杠201、力学传感器202、数显表203和壳体205。具体的，壳体205为稳定性强的凹面形壳体，该凹面形机构壳体的两侧面上方固定有两个连接杆，且两个连接杆处于同一水平平面；样品槽包括第一固定部和第二固定部；其中，第一固定部活动连接于两个连接杆上，第二固定部固定连接于两个连接杆上，第一固定部与丝杠201固定连接，第二固定部与力学传感器202固定连接，丝杆201转动可带动样品槽的第一固定部移动，即通过扭转丝杠可以对待检测透明材料标准件7施加不同大小的轴向拉力，具体的，可以通过扳手扭转丝杠上的螺母进而产生轴向拉力；力学传感器，用于实时测量施加于待检测透明材料标准件上的轴向拉力；数显表，用于显示力学传感器测量的轴向拉力的数值。

考虑到转动丝杆201带动样品槽204的第一固定部移动能够对待检测透明材料标准件产生轴向拉力，优选的，标定装置还包括样品夹持件，用于夹持固定待检测透明材料标准件，该样品夹持件与样品槽204相匹配，示例性的，该样品夹持件为螺栓夹持件，在实际测量过程中，将待检测透明材料标准件的两侧打孔，并通过螺栓夹持固定，螺栓夹持件夹持样品后如图12所示。如图11所示，螺栓夹持件夹持样品后，其两端分别卡合在样品槽的第一固定部和第二固定部上，第一固定部和第二固定部上的阻挡部使转动丝杠201时，能够对待检测透明材料标准件产生轴向拉力。

优选的，如图1所示，在实际测量的过程中，布置固定部两端的转接板件跨过拉力机构的壳体固定于光学平台上，使固定部的转接立方体位于拉力机构内部，进而使待检测透明材料标准件位于测试光路机构的光路上的同时，能够使标定装置结构更加紧凑。

现对本发明提出的测试光路机构对透明材料应力光学系数进行标定所基于的原理进行说明：

透明材料内部存在残余应力时，该透明材料会由各向同性材料变为各向异性材料，因此光经过存在残余应力的透明材料时会产生双折射，非寻常光在各个方向的折射率不同，根据维尔泰姆应力光学定律，透明材料两个相互垂直的主应力方向，即x方向、y方向的应力σ_x、σ_y的差与透明材料折射率的关系为：

n_x-n_y＝C(σ_x-σ_y) (1)

上式中，n_x、n_y分别表示x、y方向的折射率；σ_x、σ_y表示x、y两个主应力方向的应力；C表示透明材料的应力光学系数，该系数属于物性常数，仅与透明材料的类型有关。

光经过厚度为d的透明材料(各向异性材料)时，光程差δ与折射率的关系为：

δ＝d(n_x-n_y) (2)

根据式(1)、(2)可得透明材料的残余应力与光程差的关系为：

由上式可知，确定透明材料在两个主应力方向上的光程差后，便可以得到透明材料在两个主应力方向上的应力差。若是一个主应力方向上的应力为零或者可以忽略，则可以求得一个应力方向上的应力值，这种情况下残余应力与光程差的关系为：

采用上述方法计算双折射材料残余应力的方法称为光弹性法，透明材料光弹性产生干涉光的光路如图13所示，图中起偏器和检偏器中的直线分别表示起偏器和检偏器的偏振方向，起偏器的偏振方向与检偏器的偏振方向垂直，中间的长方体表示透明材料。透明材料的主平面垂直于经过起偏器的线偏振光的传播方向，透明材料内的主应力方向平行于透明材料的主平面。沿入射光传播光路的方向，光矢量在各个方向上的分量图如图14所示，图中起偏器和偏振片的偏振方向相互垂直，透明材料中两个主应力方向也相互垂直。设起偏器的偏振方向与透明材料中一个主应力方向的夹角为θ。光经过起偏器后形成振幅为a的线偏振光，起偏器产生的线偏振光经过透明材料时产生双折射，双折射产生的寻常光与非寻常光的振动方向分别与两个主应力方向平行，该线偏振光在两个主应力方向上的分量的光矢量的振幅分别为：

这两个光矢量的振幅即为透明材料中的寻常光与非寻常光的振幅。光通过透明材料后寻常光与非寻常光会产生一定的光程差，设光程差为δ。这两个方向上的光矢分量在经过检偏器时，只有与检偏器平行的光矢分量才能通过检偏器，因而将两个主应力方向的光矢分量再分解一次，将其分解在检偏器偏振方向和与检偏器垂直的方向上。由几何关系可知，经过检偏器的光在检偏器两个正交方向上的分量分别为：

在检偏器偏振方向的两个光矢分量是振动方向相同、相位差为

的两个相干光，因而这两个光矢分量的合矢量振幅满足：

根据式(6)、(7)可得经过检偏器的光的振幅的平方，因为光强I＝A²，所以经过检偏器后出射光的光强值为：

根据以上推导，用光弹性法检测透明材料应力双折射时，光路中射出检偏器的不同波长光的光强值满足公式(8)。为了便于分析将起偏器偏振方向与主应力夹角θ设置为45°，因而式(8)可简化为：

在实际测量过程中，光源各波长的光强值并不相等，即a不是一个常数，而是由光源决定的与波长有关的量，利用公式(9)对光谱数据直接进行拟合会产生较大误差，因此对公式(9)进行转换得到：

上式中，a(λ)²表示起偏器与检偏器的偏振方向平行时，光源通过检偏器后对应各个波长光的光强(光源光强)，即第一函数。为了规避环境本底光强对光谱测量的影响，对测试环境的自然光本底光强也进行测量，将测试环境本底光强考虑在内，公式(10)可进一步表示为：

在透明材料应力光学系数标定过程中，在光路设计上，是将起偏器偏振方向与透明材料主应力(这里指拉力机构施加拉力的方向)夹角θ设置为45°，但在实际调节中该角度可能会存在一定的偏差，即公式(8)中的sin²(2θ)的值可能不等于1，为了提高系数标定的精度，对公式(11)进一步改进获得：

其中，I(λ)表示待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应获得的预设波段范围内出射光的光强，I_BG(λ)表示测试环境本底光强，a(λ)²表示可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强，δ表示光程差，λ表示预设波段范围内出射光的波长，θ表示起偏器的偏振方向与拉力机构施加拉力的方向间的夹角。

根据该公式基于可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强、测试环境本底光强以及待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强，即可拟合获得透明材料处于不同大小轴向拉力时对应的光程差，然后基于透明材料处于不同轴向拉力(即不同大小的应力)与对应光程差间的映射关系以及透明材料的厚度，即可计算获得透明材料的应力光学系数。优选的，通过数值拟合法进行拟合时，还包括拟合获得sin²(2θ)，并将sin²(2θ)的值与1进行比较，一方面能够判断标定过程中调整的θ是否准确或在误差允许范围内，另一方面也能够判断光程差拟合的准确度，从而有利于提高待检测透明材料标准件应力光学系数的标定结果的精度。

基于上述标定原理以及图1所示的标定装置，在具体标定过程中，具体包括以下步骤：

步骤1、将该标定装置放置于光学平台上，保证其稳定可靠；将夹持有待检测透明材料标准件的螺栓夹持件放置于拉力机构的样品槽中，并使其位于起偏器和检偏器之间，且平行于起偏器和检偏器；调整螺栓夹持件的一端与第二固定部的阻挡部贴合，并调整第一固定部的位置，使其阻挡部与螺栓夹持件的另一端贴合，并旋紧丝杠上的螺母，使数显表上显示的数值恰好为零，作为初始状态。

步骤2、基于角度刻度盘调整起偏器和检偏器的偏振方向平行，示例性的，调整起偏器的偏振角度为45°、检偏器的偏振角度也为45°，利用光谱仪测量获得可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强，进而建立不同波长的出射光与对应的光强间的第一函数a(λ)²，即光源光强；优选的，此时对于起偏器与检偏器偏振方向相对于拉力方向的夹角，原则上并没有特殊要求，即任意角度均可，为了减少测量变量产生的误差，以及方便后续测量，将此夹角调整为45°。

然后基于角度刻度盘调整起偏器和检偏器的偏振方向正交，示例性的，保持起偏器的偏振角度为45°、将检偏器的偏振角度调整为315°测量获得测试环境本底光强I_BG(λ)；

以及，在调整起偏器和检偏器的偏振方向正交的基础上，保持起偏器偏振方向与拉力机构施加拉力的方向间的夹角为45°，并分别通过拉力机构施加不同大小的轴向拉力(F₁，F₂，F₃...F_n)，测量获得待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强I(λ)。

步骤3、采用数值拟合法拟合获得多个光程差(δ₁，δ₂，δ₃...δ_n)。

具体的，在对待检测透明材料标准件施加每一拉力F时，获得对应的预设波段范围内的光谱，根据该光谱能够确定预设波段范围内每一波长对应的光强，根据每一波长对应的光强利用公式(12)进行数值拟合能够获得与该拉力F对应的光程差δ，从而获得每一拉力对应的每一光程差，并根据下述公式将拉力转换为待检测透明材料标准件的应力：

上式中，S表示待检测透明材料标准件的截面积，σ表示待检测透明标准件的应力；

根据转换后的待检测透明材料标准件的应力σ与光程差δ进行线性拟合，拟合获得的直线如图15所示，进而获得两者间的映射关系：

δ＝kσ+b，

其中，k表示拟合获得的直线的斜率，其包含了应力光学系数的信息，b表示拟合获得的直线的截距；

进而结合公式(4)计算获得待检测透明材料标准件的应力光学系数：

其中，d表示待检测透明材料标准件的厚度，C表示待检测透明材料标准件的应力光学系数，对应的单位为Pa^-1。

优选的，本发明公开的标定装置还可以用于透明材料残余应力的检测。在对待检测透明材料标准件的应力光学系数进行标定时，需要对待检测透明材料标准件施加轴向拉力，因此需要在待检测透明材料标准件的两侧打孔，并通过螺栓夹持件对其进行固定，并放置于与其相匹配的样品槽中，而在检测透明材料的残余应力时，无需也不应对透明材料施加任何力，因此在实际检测时，无需对透明材料进行切割或打孔，只要将透明材料放置于样品槽上，利用简单的弹性软夹对其进行固定即可，该弹性软夹并不会对透明材料的残余应力产生影响。

优选的，基于上述标定装置对透明材料的残余应力进行检测，主要包括以下步骤：

步骤1、基于角度刻度盘分别调整起偏器和检偏器的偏振方向处于多组不同的角度，优选的，在调整过程中，始终保持起偏器和检偏器的偏正方向相互正交，示例性，起偏器和检偏器偏振方向所处的角度组合分别为(0°,270°)、(15°,285°)、(30°,300°)、(45°,315°)、(60°,330°)、(75°,345°)及(90°,360°)，分别测量获得对应的光谱。优选的，也可以设置起偏器偏振方向的角度在[0°,90°]的范围内以5°的间隔变化，并在此过程中，相应调整检偏器的偏振方向，使起偏器和检偏器的偏振方向始终保持正交，从而进一步提高检测精度。

在实际检测的过程中，经过大量的实验验证，选取光谱波段范围为[500nm,600nm]的光谱进行后续处理计算时，对应获得的光程差最显著，基于该波段的光谱对透明材料的残余应力的检测结果精确度高。

步骤2、基于步骤1测量获得的多个光谱，进行比较，确定其中光谱幅值最大的光谱，并确定该光谱对应的起偏器偏振方向的角度，并将与该角度相差45°的两个角度所对应的方向确定为透明材料的残余应力的方向。具体的，根据该装置及方法无法最终确定两个角度所对应的方向中哪一方向是残余应力的方向，但可以确定，两个角度所对应的方向中必定有一个是残余应力的方向，因此能够将透明材料的应力方向从360°的范围缩小到两个具体的方向上，具有显著的效果。

步骤3、基于上述确定的光谱幅值最大的光谱，采用下述公式拟合获得光程差：

基于该光程差以及标定获得的应力光学系数，采用下述公式计算得到透明材料的残余应力的大小：

其中，λ表示光谱幅值最大的光谱中的波长，光谱波长范围为[500nm,600nm]，I(λ)表示与该波长对应的光强，I_BG(λ)表示测试环境本底光强，a(λ)²表示不同波长的出射光与对应的光强间的函数关系，即光源光强，δ表示对应的光程差，C表示标定获得的应力光学系数，d表示透明材料的厚度。

与现有技术相比，本发明实施例公开的透明材料应力光学系数的标定装置，首先，采用高稳定性且输出光强可调节的LED光源照射顺序设置的聚焦透镜、起偏器、检偏器以及衰减片，并基于角度刻度盘调整起偏器和检偏器的偏振角度，以测试获得环境本底光强、光源光强以及透明材料标准件处于不同拉力条件下对应获得的光强，并基于上述参数拟合获得透明材料的应力光学系数，该装置能够适用于自然光环境中，应用场景不受限制；其次，配置有对应的角度刻度盘，能够精确调整起偏器和检偏器的偏振角度，无需人工目测或借助单独的偏振片调整起偏器和检偏器的偏振角度，调整方法简单且避免了人工目测的视觉误差，提高了标定结果的精度。其次，本发明将测试光路机构固定于固定部上，并设置固定部连接杆两侧的转接板件位于拉力机构的两侧，使拉力机构样品槽中的待检测透明材料标准件位于测试光路机构的光路上，使整个标定装置结构更加紧凑，且转接板件在固定部连接杆上可滑动，因此通过调整转接板件可使标定装置工作于不同大小的光学平台上。并且，本发明实施例公开的透明材料应力光学系数的标定装置，通过数值拟合法拟合获得待检测透明材料标准件处于每一轴向拉力下对应的光程差，同时对起偏器的偏振方向与拉力机构施加拉力的方向间的夹角进行拟合，进而判断对光程差拟合结果的准确度，有利于提高光程差拟合结果的精度，进而提高对待检测透明材料标准件的应力光学系数的标定精度。最后，本发明提供的标定装置不仅能够对透明材料的应力光学系数进行标定，还能够对透明材料残余应力的大小和方向进行检测。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种透明材料应力光学系数的标定装置，其特征在于，包括：

拉力机构，包括用于放置待检测透明材料标准件的样品槽，用于对所述待检测透明材料标准件施加不同大小的轴向拉力；

光源发生装置，用于产生可见光束；

测试光路机构，包括沿入射光方向依次设置的聚焦透镜、起偏器、检偏器及衰减片，所述起偏器和检偏器均配置有对应的角度刻度盘，用于调整所述起偏器与检偏器的偏振方向；所述测试光路机构的光路与样品槽中放置的待检测透明材料标准件的主平面垂直，用于接收所述可见光束，以及，用于获得测试环境本底光强、可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强和待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强；

处理器，用于基于所述可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强、测试环境本底光强以及待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强，利用数值拟合法获得所述待检测透明材料标准件的内应力与光程差间的映射关系，并根据该映射关系对所述待检测透明材料标准件的应力光学系数进行标定；其中，

所述处理器通过下述方式对所述待检测透明材料标准件的应力光学系数进行标定：基于所述可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强建立不同波长的出射光与对应的光强间的第一函数；基于第一函数、测试环境本底光强以及待检测透明材料标准件处于每一轴向拉力时对应获得的预设波段范围内出射光的光强，通过数值拟合法拟合获得不同大小的轴向拉力下对应的光程差；计算得到不同大小的轴向拉力下对应的待检测透明材料标准件的内应力，结合不同大小的轴向拉力下对应的光程差进而获得待检测透明材料标准件的内应力与光程差间的映射关系；根据该映射关系通过下述公式获得待检测透明材料标准件的应力光学系数：

δ＝Cdσ

其中，σ表示待检测透明材料标准件的内应力，δ表示对应的光程差，d表示待检测透明材料标准件的厚度，C表示待检测透明材料标准件的应力光学系数。

2.根据权利要求1所述的透明材料应力光学系数的标定装置，其特征在于，所述处理器还用于，基于可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强、测试环境本底光强以及待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强，利用函数关系通过数值拟合法拟合获得不同大小的轴向拉力下对应的光程差，所利用的函数关系为：

其中，I(λ)表示待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应获得的预设波段范围内出射光的光强，I_BG(λ)表示测试环境本底光强，a(λ)²表示可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强，δ表示光程差，λ表示预设波段范围内出射光的波长，θ表示起偏器的偏振方向与拉力机构施加拉力的方向间的夹角。

3.根据权利要求2所述的透明材料应力光学系数的标定装置，其特征在于，通过数值拟合法进行拟合时，还包括拟合获得sin²(2θ)，并将sin²(2θ)的值与1进行比较，以判断拟合的准确度。

4.根据权利要求1所述的透明材料应力光学系数的标定装置，其特征在于，所述待检测透明材料标准件设置于所述起偏器和检偏器之间，且平行于所述起偏器和检偏器；

通过设置所述起偏器和检偏器的偏振方向平行，测量获得可见光束入射时对应的预设波段范围内不同波长的出射光的光强；

通过设置所述起偏器和检偏器的偏振方向正交，测量获得测试环境本底光强；

通过设置所述起偏器和检偏器的偏振方向正交，并调整起偏器偏振方向与拉力机构施加拉力的方向间的夹角为45°，测量获得待检测透明材料标准件处于不同大小的轴向拉力时对应的预设波段范围内出射光的光强。

5.根据权利要求1或4所述的透明材料应力光学系数的标定装置，其特征在于，所述测试光路机构还包括第一连接杆组、第一转接板、光纤固定结构、透镜镜架、第一偏振片镜架、第二偏振片镜架、第二转接板及衰减片镜架；

所述第一转接板、第二转接板、透镜镜架、第一偏振片镜架及第二偏振片镜架四个角位置处均设置有连接孔，所述第一连接杆组通过连接孔依次串接固定所述第一转接板、透镜镜架、第一偏振片镜架、第二偏振片镜架及第二转接板；

所述光纤固定结构设置于所述第一转接板上，用于固定连接所述光源发生装置的光纤；

所述聚焦透镜内置于所述透镜镜架中，用于对从光纤出射的可见光束进行聚焦；

所述起偏器内置于第一偏振片镜架内，所述检偏器内置于第二偏振片镜架内，所述第一偏振片镜架和第二偏振片镜架还用于分别固定所述角度刻度盘；

所述衰减片内置于所述衰减片镜架中，用于削减经检偏器出射的出射光光强；所述衰减片镜架设置于所述第二转接板上。

6.根据权利要求5所述的透明材料应力光学系数的标定装置，其特征在于，还包括用于固定所述测试光路机构的固定部，所述固定部包括第二连接杆组、转接立方体和两个转接板件；所述第二连接杆组与所述第一连接杆组垂直；

所述转接立方体上设置有与第二连接杆组相对应的连接孔，第二连接杆组穿过该连接孔，且第二连接杆组的两端分别与两个转接板件连接，每一转接板件的底部安装有支腿和支腿固定件；

所述转接立方体上还设置有与测试光路机构中第一连接杆组相对应的连接孔，所述第一连接杆组的一端穿入该连接孔，以固定所述测试光路机构。

7.根据权利要求1所述的透明材料应力光学系数的标定装置，其特征在于，所述拉力机构还包括丝杠、力学传感器和数显表；

所述丝杠，用于通过扭转对所述待检测透明材料标准件施加不同大小的轴向拉力；

所述力学传感器，用于实时测量施加于所述待检测透明材料标准件上的轴向拉力；

所述数显表，用于显示所述力学传感器测量的轴向拉力的数值。

8.根据权利要求1所述的透明材料应力光学系数的标定装置，其特征在于，还包括光谱仪，用于探测经测试光路机构产生的出射光。

9.根据权利要求1所述的透明材料应力光学系数的标定装置，其特征在于，所述光源发生装置为LED光源，所述预设波段范围为[500nm,600nm]。

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