CN219328542U - 一种透明样件内应力方向检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种透明样件内应力方向检测装置，属于内应力检测技术领域，解决了现有技术中内应力方向无损检测的问题。包括光学平台，以及依次安装在光学平台定位孔上的入射装置、样件固定工装和接收装置；所述入射装置包括入射光组件以及带有起偏器的第一偏振片镜架，所述入射光组件发出的平行光经所述起偏器入射至待测样件；所述样件固定工装为一个带有凹槽的U型装置，用于固定待测样件；所述接收装置包括接收光组件、第二光纤以及光谱仪，所述接收装置用于接收从待测样件出射的平行光。实现了透明样件内应力方向无损检测。
Description
技术领域
本实用新型涉及内应力检测技术领域，尤其涉及一种透明样件内应力方向检测装置。
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，仍存在于材料内部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。而材料内应力的检测可以反映材料自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。
内应力检测主要包括内应力水平与内应力方向两个方面。内应力水平一般是指内应力的幅值，即内应力的大小。通过测量和计算材料的内应力水平，并与材料自身的力学参数进行比较，可以分析和预测内应力存在时材料的结构安全性和使用寿命；而内应力方向是另一个重要的方面，很多情况下，内应力方向都值得关注和了解。通过内应力方向的准确检测，可以帮助判断内应力与材料特定结构间的关系，可以帮助预测材料内应力的进一步发展及影响范围，以及为采取有效的防范措施提供依据和参考。而目前国内外对于内应力检测局限于内应力水平的检测。
内应力方向的准确检测充满难度和挑战，理想的检测方式是针对待测材料采用无损检测方法，即在完成内应力方向检测后也不会影响材料的正常使用，不会造成待测材料自身结构的破坏。在航空航天舷窗玻璃、潜水器舷窗玻璃、透明大型结构、电子产品屏幕等透明材料相关应用领域，对于内应力方向的无损检测都有着强烈的需求。
实用新型内容
鉴于上述分析，本实用新型旨在提供一种透明样件内应力方向检测装置，用以解决现有内应力方向无损检测的问题。
本实用新型的目的主要通过以下技术方案实现：
一种透明样件内应力方向检测装置，包括光学平台，以及依次安装在光学平台定位孔上的入射装置、样件固定工装和接收装置；
所述入射装置包括入射光组件以及带有起偏器的第一偏振片镜架，所述入射光组件发出的平行光经所述起偏器入射至待测样件；
所述样件固定工装为一个带有凹槽的U型装置，用于固定待测样件；
所述接收装置依次包括带有波片的波片镜架、带有检偏器的第二偏振片镜架和接收光组件；经待测样件出射的平行光依次经所述波片、第二偏振片入射至接收光组件；其中，所述第一偏振片镜架、波片镜架和第二偏振片镜架均设置有刻度盘。
可选地，所述入射光组件包括光源、第一光纤、准直透镜、第一转接板和第一连接杆；
第一转接板四角及中间均有通孔，所述准直透镜固定在中间的通孔内；光源发出的光线通过第一光纤传输至准直透镜；
所述第一偏振片镜架的四角设置有与第一转接板四角对应的通孔，所述第一连接杆的两端分别通过第一转接板和第一偏振片镜架四角的通孔，支撑第一转接板和第一偏振片镜架。
可选地，所述接收光组件包括第二转接板、第二连接杆、第二光纤以及光谱仪；
所述第二转接板四角及中间均有通孔，所述中间的通孔内设置有转接结构，接收的光线通过转接结构传输给第二光纤；
所述第二偏振片镜架的四角设置有与第二转接板四角对应的通孔；
所述波片镜架的四角设置有与第二转接板四角对应的通孔；
所述第二连接杆的两端分别通过波片镜架、第二转接板和第二偏振片镜架四角的通孔，连接波片镜架、第二转接板和第二偏振片镜架。
可选地，所述入射装置还包括第一连接杆支腿、第一支腿固定件；
第一连接杆支腿通过支架支撑第一连接杆；
第一支腿固定件分别与第一连接杆支腿和位于光学平台上的孔洞连接。
可选地，所述接收装置还包括第二连接杆支腿、第二支腿固定件；
第二连接杆支腿通过支架支撑第二连接杆；
第二支腿固定件分别与第二连接杆支腿和位于光学平台上的孔洞连接。
可选地，所述第一偏振片镜架刻度盘朝向与第二偏振片镜架刻度盘朝向相反放置。
可选地，所述光学平台上带有定位孔洞，用于固定安装所述入射装置和接收装置。
可选地，所述波片为四分之一波片。
可选地，还包括螺丝，所述螺丝位于U型装置同一侧，用于固定位于凹槽内的样件。
可选地，所述第一光纤和第二光纤芯径规格为1mm。
与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：
1、通过在透明样件两侧设置入射装置和接收装置，并在接收装置处设置带有波片的波片镜架，通过已知波片的慢轴方向从而确定透明样件内应力方向，实现了内应力方向的检测。
2、分别调整起偏器、波片以及检偏器刻度盘的刻度值，并保持起偏器与波片刻度盘刻度值之和为360°，起偏器与检偏器刻度盘刻度值之和为90°，记录光谱仪上的光谱数据；当采集的光谱数据曲线幅值最小时，得到透明样件内应力的可能方向为与波片慢轴方向平行或垂直，再通过波片光程差与透明样件光程差的叠加结果最终确定透明样件的内应力方向。
保持当前时刻波片刻度值不变，同步转动起偏器刻度盘与检偏器刻度盘，记录光谱仪上的光谱数据，此时光谱数据为波片光程差与透明样件光程差的叠加结果；当所述叠加结果为波片与透明样件的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差和值的绝对值时，如果透明样件存在的内应力为压应力，则压应力方向与波片慢轴方向平行；如果存在的内应力为张应力，则张应力方向与波片慢轴方向垂直；
当波片与透明样件的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差差值绝对值时，如果透明样件存在的内应力为压应力，则压应力方向与波片慢轴方向垂直；如果存在的内应力为张应力，则张应力方向与波片慢轴方向平行。
本实用新型中，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。本实用新型的其他特征和优点将在随后的内容中阐述，并且，部分优点可从说明书中显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过文字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，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本实用新型实施例中透明内应力方向检测装置；
图2为本实用新型实施例中带刻度盘的偏振片镜架；
图3为本实用新型实施例中透明材料光弹性产生干涉光的光路图；
图4为本实用新型实施例中实验光路中光矢量在各个器件方向上的分量图；
图5为本实用新型实施例中波片快慢轴方向示意图；
图6为本实用新型透明样件内应力方向示意图。
附图标记：
1-光源；2-第一光纤；3-准直透镜；4-第一转接板；5-第一连接；6-第一偏振片镜架；7-第一连接杆支腿8-第一支腿固定件；9-透明样件；10-样件固定工装；11-光学平台；12-波片镜架；13-第二偏振片镜架；14-第二转接板；15-第二支腿固定件；16-第二连接杆支腿；17-第二光纤；18-光谱仪；19-支架。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。
本实用新型的一个具体实施例，公开了一种透明样件内应力方向检测装置。如图1所示，具体包括：包括光学平台，以及依次安装在光学平台定位孔上的入射装置、样件固定工装和接收装置；
所述入射装置包括入射光组件以及带有起偏器的第一偏振片镜架，所述入射光组件发出的平行光经所述起偏器入射至待测样件；所述样件固定工装为一个带有凹槽的U型装置，用于固定待测样件；所述接收装置依次包括带有波片的波片镜架、带有检偏器的第二偏振片镜架和接收光组件；经待测样件出射的平行光依次经所述波片、第二偏振片入射至接收光组件；其中，所述第一偏振片镜架、波片镜架和第二偏振片镜架均设置有刻度盘。
所述入射光组件包括光源、第一光纤、准直透镜、第一转接板和第一连接杆；第一转接板四角以及中间均有通孔，所述准直透镜固定在中间的通孔内；光源发出的光线通过第一光纤传输至准直透镜；所述第一偏振片镜架的四角设置有与第一转接板四角对应的通孔，所述第一连接杆的两端分别通过第一转接板和第一偏振片镜架四角的通孔，支撑第一转接板和第一偏振片镜架。
所述接收光组件包括第二转接板、第二连接杆、第二光纤以及光谱仪；所述第二转接板四角以及中间均有通孔，所述中间的通孔内设置有转接结构，接收的平行光通过转接结构传输至第二光纤；具体地，采用PLA塑料熔丝，采用3D打印技术得到一个过渡结构件，用于将接收装置接收到的平行光传输给第二光纤，过渡结构件形式上类似于漏斗。过渡结构件较宽的一端插入第二转接板中间通孔中，尺寸上相匹配；过渡结构件较窄的另一端，可将光谱仪光纤插入，尺寸上也匹配，从而实现第二转接板与光谱仪光纤的连接。
所述第二偏振片镜架的四角设置有与第二转接板四角对应的通孔；所述波片镜架的四角设置有与第二转接板四角对应的通孔；所述第二连接杆的两端分别通过波片镜架、第二转接板和第二偏振片镜架四角的通孔，连接波片镜架、第二转接板和第二偏振片镜架。
第一转接板中间是通孔形式，这里还用到了一个环形转接片。环形转接片首先旋入转接板通孔中，而环形转接片中间通孔尺寸又与准直透镜外径匹配，再将准直透镜插入环形转接片通孔从而固定；光源发出的光线通过第一光纤传输至准直透镜；准直透镜将接收到的光线转成平行光；所述第一连接杆的两端分别连接第一转接板和第一偏振片镜架，用于支撑第一转接板和第一偏振片镜架。位于入射装置和接收装置中间的样件固定工装为一个带有凹槽的U型装置，还包括螺丝，所述螺丝位于U型装置同一侧，用于固定位于凹槽内的样件。
所述接收装置用于接收从待测样件出射的平行光。所述入射装置还包括第一连接杆支腿、第一支腿固定件；第一连接杆支腿通过支架支撑第一连接杆；第一支腿固定件分别与第一连接杆支腿和位于光学平台上的孔洞连接。
所述接收装置还包括第二连接杆支腿、第二支腿固定件；第二连接杆支腿通过支架支撑第二连接杆；第二支腿固定件分别与第二连接杆支腿和位于光学平台上的孔洞连接。
其中，第一偏振片镜架、第二偏振片镜架、波片镜架分别带有刻度盘，用于在测试过程中进行刻度的精准标记。且入射装置与所述接收装置中带刻度盘的装置方向相反，即第一偏振片镜架刻度盘朝向与第二偏振片镜架刻度盘朝向相反放置。
另外，接收装置还通过第二光纤将接收的平行光传递至光学平台上的光谱仪，通过光谱仪记录的数据得到测试结果。第二光纤一端连接第二转接板，一端连接光谱仪。
具体在实际测量中，采用的是卤钨灯光源，对于测量而言，所用到的工作波长为420～680nm。连接光源的光纤芯径选择1mm规格。准直透镜一端与光纤末端连接，另一端固定在转接板上，准直透镜的作用是产生平行光。测量中采用了带刻度盘的第一偏振片镜架、第二偏振片镜架，且刻度盘可旋转；通过刻度盘读数，可以精确的控制偏振片的偏振方向。对于入射装置中入射端而言，偏振片(起偏器)安装于第一偏振片镜架内，当起偏器的偏振方向与刻度盘的0°对齐后，旋入第一转接板中间的卡环固定，便可保证刻度盘旋转操作时起偏器的偏振方向始终与刻度盘的0°对齐。在这种条件下，当刻度盘旋转至任意角度，比如刻度盘某一时刻读数为60°，便可知悉当前起偏器的偏振方向与刻度盘的标识线呈60°的夹角。另外，在测试光路上采用透射方法进行检测。
优选地，波片按种类可分为四分之一波片、半波片以及全波片。实际测试中使用的是四分之一波片，其材质为石英晶体，属于正晶体。由正晶体制作而成的四分之一波片具有以下特征：正晶体波片的快轴(Fast)，与发生双折射时的寻常光(o光)的振动方向平行；而与正晶体波片快轴方向垂直的慢轴(Slow)，则与发生双折射时的非寻常光(e光)的振动方向平行。四分之一波片出厂时，会安装于金属卡套内，且卡套外壳会标注快轴方向(Fast)，指明该四分之一波片的快轴方向。安装时，使四分之一波片的快轴方向始终与刻度盘90°对齐；由于跟快轴方向垂直的方向为波片的慢轴方向，即安装上可以保证波片的慢轴方向始终与刻度盘0°对齐。在本实用新型实施例中，我们探究的是透明样件内应力方向与波片慢轴方向的关系。
现将本实用新型中用于对透明样件内应力检测装置的检测原理进行如下说明：
在本实用新型实施例中，采用光谱测量方法对内应力方向进行检测。
具体地，透明材料内部存在内应力时，会导致透明材料由各向同性材料转变成各向异性材料，光经过存在内应力的透明材料时会产生双折射现象。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(x、y)上的应力(σx、σy)之差与折射率的关系可以表示为：
nx-ny＝C(σx-σy) (1)
上式中，nx、ny分别表示x、y方向的折射率；σx、σy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(nx-ny) (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。若其中一个主应力方向的应力值接近于零或可以忽略，那么这种情况下内应力与光程差之间的关系可以表示为：
在本发明实施例中对透明材料光弹性产生干涉光的实验光路图如4所示。
在图3中，起偏器的偏振方向与检偏器的偏振方向相互垂直，中间的长方体表示透明材料试件。透明材料入射光的界面垂直于经过起偏器的线偏振光的传播方向，透明材料中的主应力方向平行于透明材料入射光的界面。用这种方法计算双折射透明材料内应力的方法称为光弹性法。沿光路中光传播的方向看过去，并做光矢量在各个方向上的分量图，如图4所示。
图4中起偏器与检偏器的偏振方向相互垂直，透明材料中两个主应力方向(x、y)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内部时产生双折射现象，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光矢量的幅分别为：
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：
将以上表达式进行化简，可得经过检偏器的光的振幅平方值。因为光强I＝A2，所以经过检偏器后光强值可以表示为：
实验中为便于分析，将起偏器与主应力夹角θ设置为45°，因而上式可化简为：
在实际测量过程中，光源各波长的光强值并不相等，即α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：
式中a(λ)2表示的是光源光强所对应的光谱。为进一步更为准确的测量与研究，自然光环境本底光强所对应的光谱在测试前也被采集，记为IBG。考虑自然光环境本底光强对实验过程的影响，公式(10)可以进一步表示为：
光路设计上，将起偏器与主应力夹角θ设置为45°，但在实际调节中这个角度可能会存在一定的偏差，因而公式(8)中的sin2(2θ)值可能不等于1，在进行数据拟合时也需将sin2(2θ)值考虑为一个拟合参数。于是公式(11)可以进一步表示为：
值得指出的是，波片与待测透明材料光程差“叠加”的实际测试过程中，起偏器采用多个偏振角度进行数据采集与统计，以得到更准确的测量结果。上述描述中的45°只是若干个偏振角度中的一个。因此，公式(12)中的sin2(2θ)引入也是必要和合理的。
公式(12)中涉及的若干测试量均以光谱形式进行采集，这体现了本专利所采用的光谱测量方法，是实际测量过程中的重要手段。
通过以上检测原理以及装置的设定，我们对透明材料的内应力方向进行检测。
内应力方向检测装置中接收装置的接收端，将四分之一波片安装于带刻度盘的波片镜架内，当波片的快轴方向与刻度盘的90°对齐后，旋入卡环固定，便可保证刻度盘旋转操作时波片的快轴方向始终与刻度盘的90°对齐；等效的，也便保证了波片的慢轴方向始终与刻度盘的0°对齐。此外，四分之一波片出厂时，还会提供其光程差标定值；四分之一波片的光程差值与透明样件的光程差进行“叠加”测试和分析，从而判断透明样件的内应力方向。实际测量中采用的光谱仪波长分辨率达到0.3nm，具有优良的测试性能。
测试过程中采用标准的光学平台，利用光学平台自身的定位孔洞，可以实现入射端与接收端的光路准直，从而保证检测结果的准确性。
为使透明样件在检测过程中保持静止，设计和制作了样件固定工装。将透明样件放置于工装卡槽内，通过旋紧工装侧面的螺丝，直至刚好顶住样件，便可实现内应力方向检测过程中样件始终保持静止。
优选的，基于上述检测装置对待测透明材料样件的内应力方向进行检测，首先，经透明样件出射的平行光经波片、检偏器、接收光组件进入光谱仪；所述起偏器、波片、检偏器分别设置于带刻度盘的第一偏振片镜架、波片镜架、第二偏振片镜架中。
具体地，将入射装置、接收装置以及透明样件进行组装，并根据上述组成内应力方向检测装置。
具体地，将入射装置、接收装置以及透明样件按照透明样件内应力方向检测装置进行安装并固定。
其次，调整第一偏振片镜架、波片镜架、第二偏振片镜架的刻度盘，在光谱仪采集的光谱数据整体光谱曲线幅值最小时，得到透明样件内应力的可能方向；其中，所述可能方向包括与波片慢轴方向平行或垂直。
具体地，首先将入射装置的入射端起偏器刻度值置为0°，即刻度盘的0°与镜架标识线对齐。由于起偏器偏振方向始终与刻度盘的0°对齐，因此初始时刻起偏器的偏振方向与镜架标识线平行。
再将接收装置接收端波片刻度值置为0°，由于波片的慢轴方向始终与刻度盘的0°对齐，因此初始时刻波片的慢轴方向与入射端起偏器的偏振方向平行。将接收端检偏器刻度值置为90°；完成后，检偏器的偏振方向与起偏器的偏振方向保持正交。
将光源打开，经过准直透镜后将发出平行光，穿过透明样件后进入接收端。将光谱仪连接计算机，启动光谱采集软件，设定曝光时间(通常设定20～50ms)，并实时观察软件界面中的光谱状态。
通过从低刻度值开始逐步调高入射端起偏器刻度值a，对应的逐步降低接收端波片的刻度值b和检偏器刻度值c；其中，a+b＝360；a+c＝90；直至光谱仪采集到的的整体光谱曲线达到最小值时，判定透明样件内应力方向与起偏器偏振方向平行或垂直。
示例性地，将入射端起偏器刻度值置为10°，将接收端波片刻度值置为350°，将接收端检偏器刻度值置为80°，观察光谱仪采集软件界面中的光谱状态(整体光谱曲线幅度增强，还是整体光谱曲线减弱)。在这个操作过程中，波片的慢轴方向始终与起偏器的偏振方向保持平行，而检偏器的偏振方向始终与起偏器的偏振方向保持正交。
再将入射端起偏器刻度值置为20°，将接收端波片刻度值置为340°，将接收端检偏器刻度值置为70°，观察光谱仪采集软件界面中的光谱状态(整体光谱曲线幅度增强，还是整体光谱曲线减弱)。在这个操作过程中，波片的慢轴方向始终与起偏器的偏振方向保持平行，而检偏器的偏振方向始终与起偏器的偏振方向保持正交。
以此类推，再将入射端起偏器刻度值置为30°，将接收端波片刻度值置为330°，将接收端检偏器刻度值置为60°，观察光谱仪采集软件界面中的光谱状态(整体光谱曲线幅度增强，还是整体光谱曲线减弱)。在这个操作过程中，波片的慢轴方向始终与起偏器的偏振方向保持平行，而检偏器的偏振方向始终与起偏器的偏振方向保持正交。
具体来讲，入射端起偏器刻度值在某一数值时，比如50°(对应接收端波片刻度值为310°，接收端检偏器刻度值为40°)，观察到光谱仪采集软件界面中的整体光谱曲线趋于最小值(整体光谱曲线趋于直线)时，那么此时透明样件内应力方向理论上与波片慢轴方向平行，或与波片慢轴方向垂直，透明样件内应力方向应是这两种情况中的一种，依据是公式(12)
其中，I表示经过检偏器的光强度，IBG为自然光环境下的本底光强，a(λ)2表示的是光源光强所对应的光谱，δ表示光程差，λ表示波长。
如果透明样件内应力方向与起偏器偏振方向(亦是波片慢轴方向)平行，此时θ对应值为0°；则公式(12)等号右边结果为0，也对应光谱仪采集软件界面中的整体光谱曲线幅值趋于最小值。
如果透明样件内应力方向与起偏器偏振方向(亦是波片慢轴方向)垂直，此时θ对应值为90°；则公式(12)等号右边结果也为0，也同样对应光谱仪采集软件界面中的整体光谱曲线幅值趋于最小值。
可选地，起偏器偏振方向的刻度值间隔为10°，实际测量过程中，可根据具体需求进行调整，如调整为5°。较小的刻度值间隔对于提高检测的准确性有利，但是会增加检测时间。
此时，可以确定透明样件的内应力方向已经锁定在两个最可能的方向上，且这两个最可能的方向又是明确的——与波片慢轴方向平行，或与波片慢轴方向垂直，需进一步测试和判断。
再根据此时波片镜架的刻度，保持当前时刻波片刻度值不变，同步转动起偏器刻度盘与检偏器刻度盘，记录光谱仪上的光谱数据，此时光谱数据为波片光程差与透明样件光程差的叠加结果；所述叠加结果为波片与透明样件的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差和值的绝对值或波片与透明样件的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差差值的绝对值；
另外，透明样件内应力为压应力或者张应力中之一，在应力方向检测前已预先知道透明样件内应力具体是压应力还是张应力。
根据得到波片光程差与透明样件光程差的叠加结果，最终确定透明样件的内应力方向；当所述叠加结果为波片与透明样件的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差和值的绝对值时，如果透明样件存在的内应力为压应力，则压应力方向与波片慢轴方向平行；如果存在的内应力为张应力，则张应力方向与波片慢轴方向垂直。
当波片与透明样件的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差差值的绝对值时，如果透明样件存在的内应力为压应力，则压应力方向与波片慢轴方向垂直；如果存在的内应力为张应力，则张应力方向与波片慢轴方向平行。
具体地实验过程为：保持波片当前刻度值不变，即波片刻度盘不再旋转，仅同步旋转入射端起偏器刻度盘与接收端检偏器刻度盘，并始终保持起偏器与检偏器的偏振方向正交。示例性的，当前入射端起偏器的刻度值为50°，接收端波片的刻度值为310°，接收端检偏器刻度值为40°。入射端起偏器刻度值置为60°，接收端波片的刻度值保持不变，接收端检偏器刻度值置为30°，操作结束后，保存光谱仪采集软件界面中的光谱数据文件至指定路径下，并令文件名为“60°”，表示的是起偏器刻度值为60°时对应得到的光谱数据。
再将入射端起偏器刻度值置为70°，接收端波片的刻度值始终保持不变，接收端检偏器刻度值置为20°，操作结束后，保存光谱仪采集软件界面中的光谱数据文件至指定路径下，并令文件名为“70°”，表示的是起偏器刻度值为70°时对应得到的光谱数据。
再将入射端起偏器刻度值置为80°，接收端波片的刻度值始终保持不变，接收端检偏器刻度值置为10°，操作结束后，保存光谱仪采集软件界面中的光谱数据文件至指定路径下，并令文件名为“80°”，表示的是起偏器刻度值为80°时对应得到的光谱数据。
上述操作得到的光谱数据对应公式(12)等号左边分子中的I。
以此类推，可根据实验具体需求采集和保存一定数量的光谱数据文件。较多的数据文件对于提高检测的准确性有利，但是会增加检测时间。
以下应用具体的实施例对本实用新型进行进一步说明：
实施例1采集光源光强光谱a(λ)2和自然光环境本底光强所对应的光谱IBG，其中光源光强光谱a(λ)2分两步来完成，具体包括：
将入射端起偏器刻度值置为0°，同时也将接收端检偏器刻度值置为0°，保存光谱仪采集软件界面中的光谱数据文件至指定路径下，并令文件名为“light0”；保持入射端起偏器刻度值不变，再将接收端检偏器刻度值置为90°，保存光谱仪采集软件界面中的光谱数据文件至指定路径下，并令文件名为“light90”，光源光强光谱a(λ)2可以通过“light0-IBG”与“light90-IBG”之“和”获得，即a(λ)2＝(light0-IBG)+(light90-IBG)
关闭光源，保存光谱仪采集软件界面中的光谱数据文件至指定路径下，并令文件名为“BG”，对应得到的是自然光环境本底光强所对应的光谱IBG。得到了明确的IBG形式，也就对应得到明确的a(λ)2形式。至此，透明样件内应力方向所需要的测试数据准备齐全，进入后面波片光程差与透明样件光程差的“叠加”分析环节。
所谓的波片光程差与透明样件光程差的“叠加”，是指根据上述条件测试得到的I、a(λ)2和IBG数据文件，计算波片与透明样件总的光程差，再与波片光程差(波片光程差是已知的，出厂前已做标定)进行比较，通过判断透明样件内应力方向与波片慢轴方向的关系(内应力方向与波片慢轴方向平行，还是与波片慢轴方向垂直)，从而最终确定透明样件的内应力方向。根据得到的波片光程差与透明样件光程差的叠加结果最终确定透明样件的内应力方向；当所述叠加结果为总的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差和值的绝对值时，如果透明样件存在的内应力为压应力，则压应力方向与波片慢轴方向平行；如果存在的内应力为张应力，则张应力方向与波片慢轴方向垂直；
当总的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差差值的绝对值时，如果透明样件存在的内应力为压应力，则压应力方向与波片慢轴方向垂直；如果存在的内应力为张应力，则张应力方向与波片慢轴方向平行。总的光程差即为波片光程差与透明样件光程差的叠加结果。
优选地，四分之一波片为多级四分之一波片。
实际测试中用到的多级四分之一波片光程差标定值为10565nm。
当透明样件内应力为压应力，且压应力方向与波片慢轴方向平行时，波片与透明样件总的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差和值的绝对值；当透明样件压应力方向与波片慢轴方向垂直时，波片与透明样件总的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差差值的绝对值。
当透明样件内应力为张应力，且张应力方向与波片慢轴方向垂直时，波片与透明样件总的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差和值的绝对值；当透明样件张应力方向与波片慢轴方向平行时，波片与透明样件总的光程差数值上等于波片光程差与透明样件光程差差值的绝对值。
实施例2作为透明样件内应力方向检测方法的验证，实验室对一块光程差值为5754nm、且内应力方向明确的透明样件(内应力为压应力)按照上述完整方法和步骤进行测试和分析。通过数值拟合方法计算波片与透明样件总的光程差，再与波片光程差进行比较，从而判断透明样件的内应力方向。由于测试中采用的是内应力为压应力、且压应力方向明确的透明样件，可以帮助检验专利中的内应力方向检测方法是否有效和正确。具体如下：
1)当透明样件内应力(压应力)方向与波片慢轴方向平行，如图5所示：
这种情况下，数值拟合计算得到的波片与透明样件总的光程差结果为16319nm；而16319＝∣10565+5754∣，表明光程差值为5754nm的透明样件内应力(压应力)方向与波片慢轴方向平行，亦与波片快轴方向垂直。通过观察测试装置中的接收端波片，波片刻度盘上的0°方向即为透明样件的内应力方向。
2)当透明样件内应力(压应力)方向与波片慢轴方向垂直；
这种情况下，数值拟合计算得到的波片与透明样件总的光程差结果为4811nm；而4811＝∣10565-5754∣，表明光程差值为5754nm的透明样件内应力(压应力)方向与波片慢轴方向垂直，亦与波片快轴方向平行。通过观察测试装置中的接收端波片，波片刻度盘上的90°方向即为透明样件的内应力方向，如图6所示。
以上两种情况的测试与分析，验证了专利中内应力方向检测方法的有效性和可操作性，得到了证明；专利中的方法对于透明材料具有普适性。
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，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
本实用新型仅需要将各个具有相应功能的装置通过本实用新型实施例所给出的连接关系进行连接即可，其中并不涉及任何程序软件方面的改进。而至于各个相应功能的硬件装置之间的连接方式，均是本领域技术人员可以采用现有技术实现的，在此不做详细说明。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种透明样件内应力方向检测装置，其特征在于，包括光学平台，以及依次安装在光学平台定位孔上的入射装置、样件固定工装和接收装置；
所述入射装置包括入射光组件以及带有起偏器的第一偏振片镜架，所述入射光组件发出的平行光经所述起偏器入射至待测样件；
所述样件固定工装为一个带有凹槽的U型装置，用于固定待测样件；
所述接收装置依次包括带有波片的波片镜架、带有检偏器的第二偏振片镜架和接收光组件；经待测样件出射的平行光依次经所述波片、第二偏振片入射至接收光组件；其中，所述第一偏振片镜架、波片镜架和第二偏振片镜架均设置有刻度盘。
2.根据权利要求1所述的透明样件内应力方向检测装置，其特征在于，所述入射光组件包括光源、第一光纤、准直透镜、第一转接板和第一连接杆；
第一转接板四角及中间均有通孔，所述准直透镜固定在中间的通孔内；光源发出的光线通过第一光纤传输至准直透镜；
所述第一偏振片镜架的四角设置有与第一转接板四角对应的通孔，所述第一连接杆的两端分别通过第一转接板和第一偏振片镜架四角的通孔，支撑第一转接板和第一偏振片镜架。
3.根据权利要求1所述的透明样件内应力方向检测装置，其特征在于，所述接收光组件包括第二转接板、第二连接杆、第二光纤以及光谱仪；
所述第二转接板四角及中间均有通孔，所述中间的通孔内设置有转接结构，接收的光线通过转接结构传输给第二光纤；
所述第二偏振片镜架的四角设置有与第二转接板四角对应的通孔；
所述波片镜架的四角设置有与第二转接板四角对应的通孔；
所述第二连接杆的两端分别通过波片镜架、第二转接板和第二偏振片镜架四角的通孔，连接波片镜架、第二转接板和第二偏振片镜架。
4.根据权利要求1所述的透明样件内应力方向检测装置，其特征在于，所述入射装置还包括第一连接杆支腿、第一支腿固定件；
第一连接杆支腿通过支架支撑第一连接杆；
第一支腿固定件分别与第一连接杆支腿和位于光学平台上的孔洞连接。
5.根据权利要求1所述的透明样件内应力方向检测装置，其特征在于，所述接收装置还包括第二连接杆支腿、第二支腿固定件；
第二连接杆支腿通过支架支撑第二连接杆；
第二支腿固定件分别与第二连接杆支腿和位于光学平台上的孔洞连接。
6.根据权利要求1所述的透明样件内应力方向检测装置，其特征在于，所述第一偏振片镜架刻度盘朝向与第二偏振片镜架刻度盘朝向相反放置。
7.根据权利要求2或3任一所述的透明样件内应力方向检测装置，其特征在于，所述光学平台上带有定位孔洞，用于固定安装所述入射装置和接收装置。
8.根据权利要求1所述的透明样件内应力方向检测装置，其特征在于，所述波片为四分之一波片。
9.根据权利要求1-6任一所述的透明样件内应力方向检测装置，其特征在于，还包括螺丝，所述螺丝位于U型装置同一侧，用于固定位于凹槽内的样件。
10.根据权利要求2所述的透明样件内应力方向检测装置，其特征在于，所述第一光纤和第二光纤芯径规格为1mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202320084638.2U CN219328542U (zh) | 2023-01-29 | 2023-01-29 | 一种透明样件内应力方向检测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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2023
- 2023-01-29 CN CN202320084638.2U patent/CN219328542U/zh active Active
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