玻璃光弹常数测量装置及测量方法与流程

本发明涉及玻璃光弹常数测量领域，特别是指一种玻璃光弹常数测量装置及测量方法。

背景技术：

光弹常数又称为应力光学常数，是玻璃或其它透明非晶材料应力测量的关键参数，对产品残余应力、结构应力、机械应力的精密测量与计算具有重要的意义。在介绍光弹常数之前，首先要理解玻璃应力的测量原理，应力是玻璃材料重要的检测项目，对材料产品的质量控制、机械性能评价、失效分析等关键领域评价具有重要意义。导致玻璃材料产生应力因素较多，比如退火不均匀导致的热应力，玻璃成分不均匀导致的结构应力，玻璃自重或者安装导致的机械应力等，由于玻璃材料的特性，玻璃应力的直接测量较难实现。

在玻璃和透明材料的应力表征领域，常以光程差这一光学参数作为玻璃应力的评价指标，该测量方法为非破坏性方法，操作简单，然而光程差单位为nm/cm，它只是玻璃材料由于应力双折射效应导致的一种光学现象，该参数并不是玻璃应力mpa的表征单位。因此，要实现玻璃材料应力的精确测量，就必须建立玻璃光程差与应力之间的关系参数——光弹常数(单位nm/cm/mpa)。要实现玻璃应力的精确测量，需要首先采用光学原理测量玻璃应力光程差，然后除以光弹常数计算出玻璃的应力。因此可以看出，光弹常数是玻璃应力测试必不可少的“桥梁”参数。

传统上，由于玻璃品种相对较少，加之玻璃的应用领域对玻璃材料应力评价精度要求不高，业内常以特定的估计值作为玻璃光弹常数进行计算，比如一般业内认为钠钙玻璃的光弹常数为26nm/cm/mpa，或者26.5nm/cm/mpa，甚至粗略认为玻璃的光弹常数为30nm/cm/mpa；对于石英玻璃，常以36nm/cm/mpa作为应力计算参数。

近年来，随着玻璃材料在工业领域应用范围不断扩大，玻璃材料品种越来越多，特种玻璃的应用及市场领域也越来越宽。在这种趋势下，玻璃应力高精度测量需求越来越多，尤其是高表面应力的玻璃品种，比如当下比较火热的化学强化型超薄盖板玻璃，该玻璃品种经化学强化处理后，其表面压应力高达900mpa以上，高强的表面应力使化学强化玻璃成为电子玻璃中应用热点，表面应力的评价成为了电子玻璃的关键指标，然而表面应力的测量离不开光弹常数的测试。由于目前行业内光弹常数测量水平不高，且精度较差，导致玻璃应力精确测量行业难题，玻璃光弹常数的测量问题急需解决。

关于玻璃光弹常数测量，上世纪90年代，iso10345-1：1992和iso10345-2：1992标准分别提出了弯曲加载和拉伸加载结合1/4波片补偿原理测量光程差的原理测量光弹常数，该方法是目前玻璃光弹常数普遍采用的方法，但是该方法存在以下测量缺陷。

1)相位差(光程差)测量精度差

1/4波片补偿原理测量光程差测量的原理是对施加应力后的玻璃样品进行相位差补偿测量进而计算光程差，该方法依靠人眼观察视场明暗程度来旋转偏光片的角度进行补偿，由于多数玻璃属于高度透明材料，人眼难以对玻璃试样中的明暗效果做出准确判定，这直接导致光程差测量误差较大，当玻璃厚度小于10cm时，测量误差更大，相位差测量误差大于5nm，并且每采集一个数据大约需要5min，测试时间长。

2)该方法能基本满足厚度10mm以上的玻璃品种光弹常数的测试，对于厚度小于10mm的薄片玻璃，由于玻璃透明度较高，玻璃样品产生的应力该方法基本无法满足测试，特别是当玻璃厚度小于3mm时，更无法准确测量。

3)由于1/4波片补偿原理测量方法需要用人眼进行判别，为使得人眼感受清晰，要求玻璃表面经过抛光处理，对试样加工精度要求较高。对于测试用小片玻璃，只能采用手工抛光的加工方式，对样品制备人员技术要求较高，一般熟练工人需要0.5天的时间抛光样品。

4)采用拉伸法加载应力测量光弹常数时，需要在玻璃测量样上加工2个内孔，加工难度较大。玻璃属于脆性材料，这更加增加了玻璃样品制备的难度。当对玻璃进行应力施加时，上下两个孔周围会产生应力集中区域，使测量视场颜色变化不一致，从而容易导致测量误差。

5)当采用弯曲法加载应力测量光弹常数时，弯曲产生的应力最大点在玻璃表层，最大应力区域明暗区域判断区域很窄，仅仅是一个黑点或黑色短线，在光程差测量视场内难以准确捕捉。此外，弯曲法采用的四点接触方式，接触点附近容易产生应力集中，影响最大光程差测量判断，这也增加了测量误差。

6)传统光程差测量仅仅能够实现单点数据收集，无法连续捕捉应力加载与相位差的关系曲线。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种玻璃光弹常数测量装置及测量方法，本发明能够有效解决厚度为1.1mm及以上的玻璃样品光弹常数测量，解决了以往薄片玻璃无法检测难题，并且测量快速，精度高。

本发明提供技术方案如下：

一种玻璃光弹常数测量装置，包括不透光壳体和计算机，所述不透光壳体内设置有提供竖直方向压力的压力加载系统、光源、光路调制系统和相位差采集相机，所述压力加载系统和相位差采集相机与计算机数据连接；

所述光源和相位差采集相机分别设置在所述压力加载系统的两侧，所述光路调制系统设置在所述光源和压力加载系统之间；

所述压力加载系统包括工作台和位于工作台上方的滑块，所述工作台和滑块分别配备有用于与玻璃试样下表面和上表面接触的缓冲垫片。

进一步的，所述工作台的顶部和滑块的底部分别通过球铰连接有压块。

进一步的，所述相位差采集相机通过面扫描相位差算法扫描得到偏光相位差图像并测量相位差，图像扫描速度小于0.1s/张，所述相位差的测量精度不低于0.5nm。

进一步的，所述光源的波长范围为450nm-630nm。

进一步的，所述缓冲垫片的邵氏硬度范围为60hrc-100hrc。

进一步的，所述压力加载系统的控制精度不小于0.1n，压力加载范围不小于0-600n。

一种使用前述的玻璃光弹常数测量装置进行玻璃光弹常数测量的方法，包括：

s1：将玻璃制备成需要尺寸的玻璃试样；

s2：将所述玻璃试样放置于压力加载系统上，并向玻璃试样的上表面和下表面分别放置缓冲垫片；

s3：开启光源，通过压力加载系统向玻璃试样从零开始施加压力，并通过相位差采集相机获取相位差；

s4：通过计算机实时获取压力加载系统施加的压力以及相位差采集相机获取的相位差，拟合得到相位差与压力的曲线，通过曲线得到玻璃光弹常数。

进一步的，所述s1还包括：对所述玻璃试样进行抛光或磨面处理，并进行退火处理。

本发明具有以下有益效果：

本发明使用相位差采集相机代替人眼测量相位差，相位差测量精度高；并且测量的玻璃试样厚度范围大，能够满足厚度为1.1mm及以上厚度玻璃光弹常数测量；对玻璃试样的加工要求不高，不仅能测试抛光面玻璃，也能磨面玻璃，即光滑玻璃和磨砂玻璃均能测试，极大降低了玻璃试样加工难度；采用连续的压力加载系统，实现了玻璃样品的连续压力加载，便于高精度测量，较大提升了玻璃光弹常数测量精度；该压力加载装置为非刚性加载，能够保证玻璃压力受压均匀，玻璃样品与加载装置之间的采用垫片缓冲；通过结合连续加载压力和快速捕捉相位差的分析，建立了相位差与压力的连续多点曲线图，通过对散点图的分析计算，最大限度提升了测量精度；该装置能够实现压力加载和光弹相位差连续捕捉分析，形成压力与光程差曲线，并拟合出光弹常数，测量精度更高。

附图说明

图1为本发明的玻璃光弹常数测量装置的示意图；

图2为示例1所示的10mm厚度玻璃的相位差-压力曲线；

图3为示例2所示的5mm厚度玻璃的相位差-压力曲线；

图4为示例3所示的1.1mm厚度玻璃的相位差-压力曲线。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明实施例提供一种玻璃光弹常数测量装置，如图1所示，包括不透光壳体1和计算机7，不透光壳体1内设置有提供竖直方向压力的压力加载系统2、光源3、光路调制系统4和相位差采集相机5，压力加载系统2和相位差采集相机5与计算机2数据连接。

光源3和相位差采集相机5分别设置在压力加载系统2的两侧，光路调制系统4设置在光源3和压力加载系统2之间；

压力加载系统2包括工作台21和位于工作台21上方的滑块22，工作台21和滑块22分别配备有用于与玻璃试样6下表面和上表面接触的缓冲垫片23。

本发明在使用时，将玻璃试样放置到压力加载系统上，开启光源，并开启压力加载系统向玻璃试样从零开始连续加载压力，通过相位差采集相机采集相位差(光程差)，通过计算机将获取的压力以及相位差数据进行曲线拟合得到光程差-压力曲线，曲线的斜率即为光弹常数。

本发明具有以下益效果：

本发明使用相位差采集相机代替人眼测量相位差，相位差测量精度高；并且测量的玻璃试样厚度范围大，能够满足厚度为1.1mm及以上厚度玻璃光弹常数测量；对玻璃试样的加工要求不高，不仅能测试抛光面玻璃，也能磨面玻璃，即光滑玻璃和磨砂玻璃均能测试，极大降低了玻璃试样加工难度；采用连续的压力加载系统，实现了玻璃样品的连续压力加载，便于高精度测量，较大提升了玻璃光弹常数测量精度；该压力加载装置为非刚性加载，能够保证玻璃压力受压均匀，玻璃样品与加载装置之间的采用垫片缓冲；通过结合连续加载压力和快速捕捉相位差的分析，建立了相位差与压力的连续多点曲线图，通过对散点图的分析计算，最大限度提升了测量精度；该装置能够实现压力加载和光弹相位差连续捕捉分析，形成压力与光程差曲线，并拟合出光弹常数，测量精度更高。

本发明中，工作台21的顶部和滑块22的底部分别通过球铰24连接有压块25。

通过球铰和压块的连接方式，保证压力加载系统是假的压力垂直于玻璃试样的上下表面，提高测量精度。

相位差采集相机5通过面扫描相位差算法扫描得到偏光相位差图像并测量相位差，能够快速捕捉偏光相位差图像，然后对图像中测量样品与背景之间的相位差。图像扫描速度小于0.1s/张，相位差的测量精度不低于0.5nm。

光源3的波长可调节控制，范围为450nm-630nm。

缓冲垫片23的邵氏硬度范围为60hrc-100hrc。

压力加载系统2的控制精度不小于0.1n，压力加载范围不小于0-600n。

本发明实施例还提供一种玻璃光弹常数测量装置进行玻璃光弹常数测量的方法，该方法包括：

s1：将玻璃制备成需要尺寸的玻璃试样。

s2：将所述玻璃试样放置于压力加载系统上，并向玻璃试样的上表面和下表面分别放置缓冲垫片。

其中，若装置不包括球铰和压块，则工作台和滑块通过缓冲垫片与玻璃试样接触，若装置包括球铰和压块，则压块通过缓冲垫片与玻璃试样接触。

s3：开启光源，通过压力加载系统向玻璃试样从零开始施加压力，并通过相位差采集相机获取相位差。

光源发出的光线经光路调制系统调制，经过玻璃试样后备相位差采集相机采集，并测量得到相位差。

s4：通过计算机实时获取压力加载系统施加的压力以及相位差采集相机获取的相位差，拟合得到相位差与压力的曲线，通过曲线得到玻璃光弹常数。

示例性的，以压力为横坐标，相位差为纵坐标拟合曲线，该曲线的斜率即为光弹常数。

前述的s1中，可以对所述玻璃试样进行抛光或磨面处理，并进行退火处理。

本发明不要求对玻璃试样进行抛光处理，当然抛光处理后的玻璃试样也可以通过本发明的装置和方法进行测量。

为使得本发明更加清楚，下面以几个具体实验示例对本发明进行详细阐述。

示例1：

取无气泡、条纹、及明显应力缺陷的钠钙透明玻璃，将玻璃制备成尺寸为10mm*10mm*30mm的玻璃试样，各面进行抛光处理，然后将玻璃试样在550℃条件下进行退火处理。退火后将玻璃试样放置于玻璃光弹常数测量装置的压力加载系统上，缓冲垫片邵氏硬度选用60hrc。启动计算机软件，设置光源参数为450nm，设定压力加载范围为0-600n；软件自动控制压力加载及相位差图像捕捉，并拟合出相位差与压力曲线如图2所示，经数据处理后，得出该玻璃材料的光弹常数为26.40nm/cm/mpa。

示例2：

取与示例1材质相同的无气泡、条纹、及明显应力缺陷的钠钙透明玻璃，将玻璃制备成尺寸为5mm*5mm*30mm的玻璃试样，各面仅进行磨面处理，然后将玻璃试样在550℃条件下进行退火处理。退火后将玻璃试样放置于玻璃光弹常数测量装置的压力加载系统上，缓冲垫片邵氏硬度选用100hrc。启动计算机软件，设置光源参数为630nm，设定压力加载范围为0-250n，软件自动控制压力加载及相位差图像捕捉，并拟合出相位差与压力曲线如图3所示，经数据处理后，得出该玻璃材料的光弹常数为26.43nm/cm/mpa。

示例3：

取与示例1材质相同的无气泡、条纹、及明显应力缺陷的钠钙透明玻璃，将玻璃制备成尺寸为10mm*1.1mm*20mm的玻璃试样，各面仅进行磨面处理，然后将玻璃试样在550℃条件下进行退火处理。退火后将玻璃试样放置于玻璃光弹常数测量装置的压力加载系统上，缓冲垫片邵氏硬度选用80hrc。启动计算机软件，设置光源参数为590nm，设定压力加载范围为0-45n，软件自动控制压力加载及相位差图像捕捉，并拟合出光程差与压力曲线如图4所示，经数据处理后，得出该玻璃材料的光弹常数为26.41nm/cm/mpa。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。