应力仪主要原理

应力仪的核心测量原理与技术解析

在材料科学与精密制造领域，残余应力往往是决定产品寿命与安全性的“隐形杀手”。作为实验室与质检一线的高频使用仪器，应力仪（通常指偏振光应力仪）的物理基础主要源于材料的物理光学特性。理解其底层原理，不仅有助于选型，更能提升对检测数据的解读深度。

物理基础：光致双折射效应

应力仪核心的理论依据是光致双折射效应（Photoelastic Effect）。对于玻璃、塑料或光学晶体等透明/半透明材料，在未受力状态下通常表现为光学各向同性。当材料内部存在残余应力或受到外力作用时，其内部分子排列发生畸变，导致物理性质呈现各向异性。

此时，当一束偏振光穿过该材料时，光波会分解为两束振动方向互相垂直、传播速度不同的偏振光（快轴光与慢轴光）。这种由应力引起的折射率变化，即为双折射现象。

核心公式：布鲁斯特定律（Brewster's Law）

应力仪并非直接读取压力值，而是通过测量光学相位延迟（Optical Retardation）来反推应力大小。其遵循的数学模型为：

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

其中：

• R：光程差（Retardation），单位通常为 nm。
• C：材料的应力光学常数（Stress-optical Coefficient），体现了材料对应力的敏感程度。
• d：光线穿过材料的厚度。
• ($\sigma1 - \sigma2$)：主应力差，即我们最终需要获取的目标数值。

通过该公式可知，在材料种类和厚度确定的前提下，光程差与内部应力呈线性正相关。应力仪的本质，就是一套精密测量 R 值的系统。

测量路径：从偏振片到传感器

现代应力仪通常采用定量的测量补偿法或相移技术，其光路布局精密，主要包含以下关键组件：

1. 起偏器（Polarizer）：将光源发出的自然光转变为线性偏振光。
2. 波片（Wave Plate）：通常引入 1/4 波片产生圆偏振光，以消除样品摆放角度对应力方向判定的干扰。
3. 检偏器（Analyzer）：通过旋转检偏器或改变偏振角度，捕捉通过样品后的光强变化。
4. 成像传感器（CCD/CMOS）：在高精度数字应力仪中，图像传感器会捕捉全场的干涉条纹或光强分布，利用算法进行像素级的相位解调。

主流技术参数对比

在实际的工业检测与科研场景中，不同类型的应力仪在量程与精度上存在显著差异。下表汇总了目前行业内主流应力仪的技术指标参考：

行业应用中的关键考量

在实验室实操中，从业者不仅关注数值，更关注“应力取向”。通过改变偏振光的偏振态，应力仪可以识别出主应力的方向（快轴方向）。这对于玻璃钢化工艺的均匀性评估、光纤预制棒的内部质量控制以及晶圆划片后的边缘应力监控至关重要。

随着工业 4.0 的推进，应力仪正从单纯的实验室静态测量向在线监测演进。利用高速相移技术，设备可以在数毫秒内完成全场应力分布的抓取，生成应力等值线图。这种从“点”到“面”的转换，极大地提升了研发过程中对热应力和结构应力演变的控制能力。

总结而言，应力仪是光学理论与传感器技术的结晶。掌握其双折射的核心原理，并结合特定材料的应力光学常数，才能在复杂的失效分析与工艺改进中，洞察材料内部的力学状态。