应力仪基本构造

应力仪的物理构架与核心组件深度解析

在精密制造、材料科学及光学工程领域，残余应力的量化分析是评估产品可靠性的关键环节。应力仪（通常指偏振光应力仪或自动定量应力分析系统）基于光致双折射原理，通过测量偏振光穿透透明或半透明材料后的相位延迟量，进而换算出应力分布。作为精密光学仪器，其构造设计直接决定了测量的空间分辨率与重复性精度。

光源系统：高均匀度与单色性保障

光源是应力仪的起点，其性能决定了信号的信噪比。现代工业级应力仪普遍摒弃了传统的白炽灯，转向半导体照明方案。

• LED面光源： 采用高弥散透射板，确保整个视场内的光强均匀性误差控制在5%以内。
• 滤光系统： 为了实现定量分析，通常需要特定波长的单色光（如546.1nm或590nm）。单色性越好，干涉色条纹越清晰，计算出的相位延迟越准确。
• 偏振态调制： 光源后方紧跟起偏镜（Polarizer），其消光比通常要求达到10,000:1以上，这是获取纯净线偏振光的基础。

偏振光学路径：相位延迟的捕获机制

偏振光学路径是应力仪的物理中枢。光线在通过被测样品时，受内部应力影响产生双折射，分解为快光和慢光，两者产生相位差。

1. 起偏镜与检偏镜： 二者正交安置形成暗视场。检偏镜（Analyzer）多采用高透过率的偏振膜或格兰-汤普森棱镜。
2. 补偿片（波片）： 常见的是1/4波片，用于Senarmont补偿法。通过旋转检偏镜的角度来抵消样品的相位延迟，将物理位移转化为角度增量，从而实现纳米级的测量精度。
3. 成像物镜： 工业级应力仪多配备远心镜头（Telecentric Lens），以消除透视误差，确保样品边缘和中心的测量比例一致。

关键技术参数指标参考

为了直观呈现高性能应力仪的技术标准，以下列出行业主流设备的典型参数范围：

数字采集与信号处理架构

随着数字化转型的推进，应力仪已从目视对比进化为全自动图像处理。该模块主要由光电传感器与后端算法构成。

• 图像传感器： 采用高动态范围（HDR）的CCD或CMOS，要求具备极低的暗电流噪声。在测量超低应力（如精密光学玻璃）时，传感器的灵敏度决定了能否捕获低于1nm的相位延迟。
• 计算模型： 核心算法涵盖了四步移相法或全场相位解包裹技术。系统将获取的偏振光强度分布通过Mueller矩阵或Jones矩阵运算，实时转换为应力云图。
• 校准补偿模块： 由于机械应力或环境温度变化，光学系统本身可能产生初始双折射。资深从业者深知，高质量的应力仪必须具备“软件调零”功能，通过空载标定消除光路自身的底噪。

结构稳定性与环境适应性设计

在实际的生产线或实验室环境中，应力仪的机械构架同样不容忽视。

• C型/框架式支撑： 必须具备极高的刚性，防止起偏镜与检偏镜在测量过程中产生微小倾斜，否则会引起非正交误差。
• 载物平台： 多采用无应力玻璃支撑或气浮平台，避免夹具压力或自重对薄片类样品产生二次应力干扰。

应力仪并非简单的偏振片组合，而是集光学调制、精密机械与算法解算于一体的综合系统。对于从业者而言，理解这些基本构造及其背后的数据指标，是实现高精度检测与失效分析的前提。