应力仪工作原理

偏光应力仪的核心物理基础：光测弹性力学

在玻璃、塑料以及各类透明电介质材料的生产与品质控制中，内应力（Residual Stress）是决定产品光学性能、结构强度及热稳定性的关键指标。应力仪，特别是基于偏振光学原理的应力检测设备，其核心理论支撑源于“光测弹性力学”。

当透明材料处于无应力状态时，表现为光学各向同性。一旦材料内部存在加工热应力或机械应力，其微观分子结构会发生定向排列，导致各向异性的产生，这种现象被称为“暂时双折射”。当一束偏振光穿透带有应力的样品时，光波会被分解为两束偏振方向互相垂直、传播速度不同的快光和慢光。两束光在穿过样品后产生的相位差（或称光程差），与材料内部的应力值成正比关系。

双折射现象与相位延迟的定量定量关系

应力仪的测量逻辑本质上是对“光程差”的精确捕获与换算。根据布鲁斯特定律（Brewster's Law），应力值与光程差的关系遵循以下数学模型：

$$R = C \cdot d \cdot (\sigma1 - \sigma2)$$

其中：

• R 为光程差（Retardation），单位通常为纳米（nm）；
• C 为材料的应力光学系数（Stress-Optical Coefficient）；
• d 为材料在光路方向的厚度；
• ($\sigma1 - \sigma2$) 为主应力差。

在实际操作中，现代应力仪多采用 Senarmont 补偿法或相位移技术（Phase Shifting）。通过旋转检偏镜或使用高频视觉采集系统，将难以观测的相位延迟转换为可见的光强变化或颜色干涉图谱。对于高精度的实验室检测，系统通常会配置 546nm 或 589nm 的单色光源，以消除色散对测量精度的干扰。

关键技术参数与材料应力特性参考

• 常见材料应力光学系数 (C值，单位：10⁻¹² Pa⁻¹)
  • 钠钙硅玻璃（普通平板玻璃）：2.5 - 2.7
  • 硼硅玻璃（实验室器皿）：3.5 - 4.0
  • 聚碳酸酯 (PC)：70 - 90（对应力极度敏感）
  • 聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)：-4.0 - -5.0（呈现负双折射特性）
  
  
• 主流应力仪技术指标要求
  • 测量精度：≤ 0.1nm（科研级）或 ≤ 1nm（工业级）
  • 测量范围：0 - 3000nm（涵盖定性干涉色观察到定量精密分析）
  • 空间分辨率：取决于CCD像素尺寸，通常需达到微米级（用于微电子封装应力分析）
  
  

现代应力仪的数字化演进与应用边界

随着机器视觉与图像处理算法的深度融合，应力仪已从传统的“目视比色法”演变为自动化的数字化分析系统。这种演进解决了人为观测带来的主观误差，特别是在应对复杂几何形状零件（如手机盖板玻璃、汽车前挡风玻璃）时，全场应力分布图（Full-field Stress Map）能够直观地揭示应力集中点。

在应用层面，应力仪的职能已不再局限于末端质检。在研发阶段，通过模拟不同热处理工艺（如退火、钢化）下的应力演变规律，工程师可以优化工艺曲线。例如，在半导体封装领域，利用应力仪监控硅片与塑封料之间的热失配应力，是预防分层和芯片破碎的核心手段。

需要注意的是，对于不透明材料（如金属或陶瓷），光学应力仪将不再适用，此时需转而采用 X 射线衍射法（XRD）或超声波法。在透明与半透明材料领域，偏光应力仪凭借其非接触、高效率以及极高的空间分辨率，始终占据着不可替代的统治地位。