应力仪使用教程

工业透明材料内应力检测：从原理到量化分析的深度指南

在玻璃制造、塑料成型及光学元件加工领域，内应力是影响产品结构强度与光学性能的关键隐性因素。作为质量控制的核心环节，应力仪（Polariscope/Stress Viewer）的应用不仅限于观察应力分布的可视化条纹，更在于通过精确的光程差补偿实现定量分析。本文将结合一线检测经验，详述应力仪的标准操作流程及关键技术参数。

物理基础与测量原理

定性与定量测量内应力的物理基础是光致双折射效应。当透明材料内部存在应力分布不均时，其折射率会发生各向异性改变。当偏振光穿透待测样品时，会分解为两束速度不同的偏振光，其相位差（光程差）与应力强度成正比。

在实际操作中，我们通常采用 Senarmont 补偿法或目视比色法。前者通过旋转检偏镜角度，将光程差转化为角度读数，从而实现纳米级（nm）的精度控制；后者则依赖于灵敏色片（Tint Plate），通过干涉色级次快速判定应力类别及分布趋势。

标准操作流程与技术要点

1. 环境准备与仪器校准

检测环境需避开强光直射，背景光过强会稀释干涉条纹的对比度。开机后，首要任务是确认起偏镜（Polarizer）与检偏镜（Analyzer）的正交状态。在无样品状态下，视场应呈现完全暗场；若存在漏光，需重新调零。

2. 样品的放置与方位修正

应力具有矢量性，样品在载物台上的摆放角度直接影响测量结果。对于圆棒或管材，应使主应力方向与起偏镜偏振轴成45°夹角，此时干涉效应为明显。对于复杂异形件，需缓慢旋转样品，寻找干涉色亮（光程差大）的方位作为基准点。

3. 定量补偿测量（以Senarmont法为例）

• 寻找原始暗区：转动检偏镜至刻度盘0°。
• 定位特征点：观察样品应力集中的部位。
• 角度补偿：缓慢转动检偏镜，直至目标检测区域由亮转暗（或干涉色回归至初始背景色）。记录此时检偏镜转过的角度 $\theta$。
• 数值换算：利用公式 $R = \lambda \cdot (\theta / 180)$ 计算光程差 $R$（nm），其中 $\lambda$ 为光源中心波长（通常取546nm或589nm）。

核心技术参数与典型材料参考

在进行应力评价时，单纯的光程差数值并不能完全说明问题，必须结合材料的厚度以及光弹性系数（Photoelastic Constant）进行应力值（Mpa）转换。以下为实验室常见透明材料的相关技术指标参考表：

误差来源分析与精度提升

在从业者的视角下，操作细节往往决定了数据的可靠性。以下几点是提升检测精度必须规避的陷阱：

1. 边缘效应误差：在测量玻璃边缘时，由于热梯度导致的应力梯度极大，光束可能会发生偏转。建议使用浸液法（将样品置于折射率匹配液中）来消除表面折射干扰。
2. 视觉疲劳与主观判定：目视比色法存在约 ±10nm 的主观误差。对于高精度科研项目，推荐配置CCD图像采集系统，通过像素级的相位移算法（Phase Shifting）替代人工肉眼判定。
3. 光源单色性限制：白光光源虽然便于观察干涉色，但在进行大光程差测量时会产生色散。进行定量分析时，务必加装窄带滤光片以确保波长参数的唯一性。

维护与保养建议

应力仪属于精密光学仪器，核心偏振膜片具有极强的吸湿性和热敏性。实验室应常年保持湿度在50%以下，避免偏振膜受潮脱胶。严禁使用含酒精以外的有机溶剂擦拭镜片表面，防止破坏偏振层的分子取向，确保长期检测的一致性与溯源性。