干涉法檢測(cè)鋼化玻璃的研究

劉旭東，陳景玉，史顏波，劉會(huì)龍，董 淵

(1.長(zhǎng)春市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，長(zhǎng)春 130012;2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

隨著玻璃工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，建筑玻璃與汽車玻璃的制造工藝越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)技術(shù)的要求也越來(lái)越高，鋼化玻璃是將優(yōu)質(zhì)的浮法玻璃加熱接近軟化點(diǎn)時(shí)，在玻璃表面急速冷卻，使壓縮應(yīng)力分布在玻璃表面，而張引應(yīng)力則在中心層，因?yàn)橛袕?qiáng)大相等的壓縮應(yīng)力，使外壓所產(chǎn)生的張引應(yīng)力被玻璃強(qiáng)大的壓縮應(yīng)力所抵消，從而增加玻璃的安全度。因此辨別鋼化玻璃的優(yōu)劣，需要對(duì)其應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。

目前，變形測(cè)量主要應(yīng)用數(shù)字全息法，運(yùn)用反射式數(shù)字全息法測(cè)量不透明物體形變［1-2］，但是對(duì)于透明物體的變形測(cè)量，多集中在透明物體的定性檢測(cè)，對(duì)于透明物體變形量的定量測(cè)量還未見(jiàn)報(bào)道，為此，本文提出了一種激光干涉法定量測(cè)量鋼化玻璃的變形，激光干涉技術(shù)所具有的全場(chǎng)、靈敏、非接觸、非破壞、精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)［3］，在干涉檢測(cè)領(lǐng)域有著較廣的發(fā)展前景。

1 干涉理論:

對(duì)于任意一列平面單色波［4］可以表示為:

其中A是復(fù)矢量，分量為:Ax=a1(r)，Ay=a2(r)，Az=a3(r)。

式中aj和mj其中(j=1，2，3)是實(shí)函數(shù)，單色平面波中，振幅aj是常數(shù)，相函數(shù)mj可以表示為mj(r)=K·R-δj，其中K是光波傳播矢量，δj是決定偏正態(tài)的相常數(shù)。由(1)式可以得到

現(xiàn)在假定，兩個(gè)單色波E1和E2在空間P點(diǎn)疊加在一起。則P點(diǎn)的總電場(chǎng)為

可以得到

因此，P點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為:

式中:

J是這兩列波的干涉項(xiàng)。

設(shè)A和B是這兩列波的復(fù)振幅，其中Ax=，Bx=…，一般情況下這兩列波是由不同空間傳播到P點(diǎn)，所以這兩個(gè)實(shí)位相mj和nj是不相同的。我們假定各個(gè)分量的位相差都一樣，且都等于δ，則

式中，ΔS是這兩個(gè)波從它們的共同光源P點(diǎn)的光程差，λ0是真空中的波長(zhǎng)。用A和B表示，

由(10)可以看出，干涉項(xiàng)決定于兩列波的振幅分量和位相差。

現(xiàn)在我們討論兩線偏振光沿z方向傳播，E的方向沿x軸，這時(shí)，a2=b2=a3=b3=0，由(6)和(10)可以得到

由(5)式可得到總的光場(chǎng)強(qiáng)度，

取一個(gè)特殊情況，當(dāng)I1=I2時(shí)，(12)式可簡(jiǎn)化為

由此可知強(qiáng)度在極大值I極大=4I1和極小值I極小=0之間變化。

由MATLAB仿真的干涉場(chǎng)強(qiáng)度變化［5-6］，如圖1所示。

圖1 干涉場(chǎng)光強(qiáng)的分布

2 實(shí)驗(yàn)原理

圖2是激光干涉檢測(cè)鋼化玻璃光路原理圖，照明光束為準(zhǔn)直激光束，該光束經(jīng)分束鏡S1分為沿水平方向照明的物光波和垂直向下的參考光波。水平方向光波透過(guò)待測(cè)的鋼化玻璃，形成攜帶有需求信息的物光波，經(jīng)M1反射至S2，通過(guò)半反半透鏡S2反射到達(dá)CCD。參考光波經(jīng)反射鏡M2反射，透過(guò)半反半透鏡S2到達(dá)CCD。鋼化玻璃在外力F作用下，物光波和參考光波在空間疊加位置CCD處將形成干涉條紋。計(jì)算機(jī)對(duì)CCD上的干涉條紋進(jìn)行連續(xù)采集并定位和跟蹤，根據(jù)對(duì)應(yīng)條紋位移量可以定量計(jì)算出鋼化玻璃的量。

圖2 激光干涉系統(tǒng)光路圖

圖3是實(shí)驗(yàn)所采集到的干涉條紋，并對(duì)干涉條紋進(jìn)行標(biāo)記，通過(guò)條紋的移動(dòng)數(shù)目可以計(jì)算出玻璃的形變量［7-9］。

圖3 實(shí)驗(yàn)采集的干涉條紋

如圖4所示，鋼化玻璃與光線傳播的z軸垂直，光線通過(guò)鋼化玻璃只有相位變化，傳播方向不會(huì)發(fā)生改變。假設(shè)鋼化玻璃在力F(方向沿y負(fù)向)作用下發(fā)生微小變形，現(xiàn)分析鋼化玻璃內(nèi)任意點(diǎn)受力F(x，y)與條紋移動(dòng)量Δm(x，y)之間的關(guān)系，設(shè)鋼化玻璃折射率為n，空氣折射率n0，光波波長(zhǎng)為λ，鋼化玻璃的初始厚度為t(x0，y0)=d。

圖4 鋼化玻璃變形對(duì)光波相位的影響

則變形后的光波相位差δ(x，y)可以表示為:

其中 Δt(x，y)為鋼化玻璃的變形量，由(13a)可得 δ(x，y)=2πΔm(x，y)，帶入上式得:

Δt(x，y)是由于鋼化玻璃受力引起的，Δt(x，y)與 Δm(x，y)之間的關(guān)系［10］

其中μ為泊松比， 為彈性模量，從而可得到F(x，y)大小為:

由(18)式我們可以看出，鋼化玻璃受力F(x，y)和Δm(x，y)之間成線性關(guān)系，只要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量出Δm(x，y)，相應(yīng)的力F(x，y)大小就可以知道。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了干涉法檢測(cè)鋼化玻璃形變量的方法，通過(guò)理論推導(dǎo)，建立了鋼化玻璃受力F(x，y)大小和條紋變化量Δm(x，y)之間的關(guān)系，該方法有檢測(cè)精度高，檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著鋼化玻璃的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如何更近一步提高測(cè)量精度，使得系統(tǒng)能完成高度線性和可重復(fù)性的測(cè)量，還有在保證測(cè)量精度的同時(shí)，進(jìn)一步提高檢測(cè)速度，降低儀器的成本等都是需要值得考慮的問(wèn)題。干涉檢測(cè)有全場(chǎng)、靈敏、非接觸、非破壞、精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)損檢測(cè)方面有非常廣的應(yīng)用前景。

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