一、引言
 

　　表面应力是指物体表面由于各种内外因素(如外力作用、材料内部残余应力、相变、化学反应等)而产生的应力状态。准确测定表面应力对于材料科学、机械工程、航空航天、半导体等众多领域具有重要意义。例如，在金属材料中，表面应力会影响其疲劳寿命、耐腐蚀性能；在光学薄膜领域，表面应力会导致薄膜的翘曲、开裂等问题，进而影响光学性能。表面应力测定仪作为测量表面应力的关键设备，其工作原理和基本结构的理解对于正确使用该仪器以及深入研究表面应力相关问题至关重要。
  

　　二、表面应力测定仪的工作原理
 

　　(一)基于光弹性效应的原理
 

　　光弹性现象
 

　　光弹性效应是指当透明材料受到应力作用时，其光学性质会发生改变，呈现出双折射现象。也就是说，材料在应力作用下会变成各向异性介质，使得通过该材料的光会产生寻常光(o 光)和非常光(e 光)，且 o 光和 e 光的传播速度不同，从而导致光程差。
 

　　应力 - 光程差关系
 

　　光程差与材料内部的应力状态存在一定的定量关系。对于平面应力问题，通过光弹性实验可以确定主应力差与光程差之间的关系。在表面应力测定中，当光线照射到具有表面应力的材料表面时，由于表面应力引起的双折射效应，反射光或透射光会产生干涉条纹。通过测量干涉条纹的间距、形状等参数，结合光弹性理论公式，就可以计算出表面应力。例如，对于简单的平面应力情况，主应力差 Δσ与光程差 Δ之间满足 Δσ=tCΔ​，其中 C是材料的应力光学常数，t是材料的厚度。
 

　　仪器实现方式
 

　　表面应力测定仪利用光源发出光线，经过光学系统调整后照射到被测物体表面。光线在表面应力作用下发生双折射，产生的干涉条纹被光学探测器(如相机、光电探测器等)捕捉。通过对干涉条纹的图像处理和分析，仪器可以获取条纹的相关参数，进而计算出表面应力。
 

　　(二)基于 X 射线衍射的原理
 

　　X 射线衍射基础
 

　　X 射线衍射是利用 X 射线与晶体物质相互作用时产生的衍射现象来研究物质结构的方法。当 X 射线照射到晶体材料上时，晶体中的原子会对 X 射线产生散射，散射的 X 射线相互干涉，在某些特定方向上形成衍射极大值，这些方向与晶体的晶格结构和原子排列有关。
 

　　应力对衍射的影响
 

　　材料表面应力会使晶格发生畸变，导致晶面间距发生变化。根据布拉格定律 2dsinθ=nλ(其中 d是晶面间距，θ是衍射角，n是衍射级数，λ是 X 射线波长)，晶面间距 d的变化会引起衍射角 θ的改变。通过测量衍射角的变化，就可以推算出晶格畸变的程度，进而计算出表面应力。
 

　　仪器工作过程
 

　　表面应力测定仪中的 X 射线源发射出 X 射线，照射到被测物体的表面。被散射的 X 射线经过探测器接收，探测器记录衍射峰的位置和强度等信息。通过对不同方向上的衍射峰进行分析，仪器可以确定晶面间距的变化情况，结合应力与晶面间距变化的关系公式，计算出表面应力。这种方法对于晶体材料的表面应力测量具有较高的精度，能够测量微区应力。
 

　　(三)基于超声波的原理
 

　　超声波在应力材料中的传播特性
 

　　超声波在材料中传播时，其传播速度与材料的弹性性质有关。当材料存在表面应力时，材料的弹性模量会发生变化，从而导致超声波的传播速度发生改变。此外，超声波在应力材料中传播时还会产生声弹效应，即超声波的传播方向、振幅等也会受到应力的影响。
 

　　应力与超声波参数的关系
 

　　通过建立超声波传播速度、声弹参数与表面应力之间的理论关系，就可以根据测量得到的超声波参数来计算表面应力。例如，对于纵波在材料中传播，其传播速度 v与材料的弹性模量 E和泊松比 ν有关，而表面应力会使 E和 ν发生变化，进而引起 v的改变。通过测量超声波在材料中的传播时间等参数，结合已知的材料原始参数和应力 - 超声波参数关系公式，就可以计算出表面应力。
 

　　仪器工作方式
 

　　表面应力测定仪中的超声波发射探头向被测物体表面发射超声波，超声波在材料中传播后，被接收探头接收。仪器测量超声波的传播时间、振幅等参数，通过对这些参数的分析和处理，结合相应的理论模型，计算出表面应力。
 

　　三、表面应力测定仪的基本结构
 

　　(一)光源系统(基于光弹性原理的仪器)
 

　　光源
 

　　光源是提供测量所需光线的部件。对于光弹性测量，通常采用白光光源或单色光光源。白光光源可以提供宽光谱的光线，能够观察到丰富的干涉条纹信息，但后续需要对不同波长的光进行分离和处理；单色光光源(如激光)具有单一波长，干涉条纹更加清晰，便于精确测量，但可能需要额外的光源切换或处理以适应不同的测量需求。
 

　　光学调整部件
 

　　包括透镜、反射镜、偏振片等。透镜用于聚焦和准直光线，使光线能够准确地照射到被测物体表面，并使反射光或透射光能够有效地被探测器接收。反射镜用于改变光线的传播方向，以满足不同的测量布局需求。偏振片用于控制光线的偏振状态，在光弹性测量中，通过调整偏振片可以增强干涉条纹的对比度，提高测量的准确性。
 

　　(二)探测器系统
 

　　光学探测器（光弹性原理仪器）
 

　　如相机或光电探测器。相机可以拍摄到干涉条纹的图像，通过对图像的数字处理，可以获取条纹的间距、形状、颜色等信息。光电探测器则可以将光信号转换为电信号，通过对电信号的分析来获取干涉条纹的相关参数。探测器需要具有高分辨率、高灵敏度和良好的线性响应，以确保能够准确地捕捉到微弱的干涉条纹信号。
 

　　X 射线探测器（基于 X 射线衍射原理的仪器）
 

　　用于接收 X 射线衍射产生的信号。常见的 X 射线探测器有闪烁计数器、半导体探测器等。闪烁计数器通过将 X 射线能量转换为可见光，再通过光电倍增管将可见光信号转换为电信号；半导体探测器则直接将 X 射线能量转换为电信号。探测器需要能够准确地测量衍射峰的位置、强度和宽度等参数，以用于后续的应力计算。
 

　　超声波探测器（基于超声波原理的仪器）
 

　　包括发射探头和接收探头。发射探头将电信号转换为超声波信号并发射出去，接收探头将接收到的超声波信号转换为电信号。探头通常由压电材料制成，能够实现电能与声能的高效转换。探测器的性能直接影响超声波的发射和接收效果，进而影响表面应力的测量精度。
 

　　(三)样品台
 

　　样品台用于放置被测物体，需要能够精确地调整样品的位置和角度。样品台通常具有三维平移和旋转功能，以便能够从不同的方向和位置对样品进行测量。样品台的移动精度对于保证测量的准确性和重复性非常重要，一般要求具有微米甚至纳米级别的移动精度。此外，样品台还需要具备稳定的支撑结构，以避免在测量过程中样品发生晃动或位移。
 

　　(四)数据处理系统
 

　　数据采集单元
 

　　负责将探测器获取的信号进行采集和初步处理。对于光学探测器，数据采集单元将图像信号或电信号转换为数字信号；对于 X 射线探测器和超声波探测器，数据采集单元将探测器输出的模拟信号转换为数字信号。数据采集单元需要具有高速、高精度的采集能力，以确保能够准确地获取测量数据。
 

　　数据分析软件
 

　　数据分析软件是表面应力测定仪的核心软件部分，它根据不同的测量原理和测量数据，运用相应的理论模型和算法对数据进行处理和分析。例如，在光弹性测量中，软件通过对干涉条纹图像的分析，计算出条纹间距、形状等参数，然后结合应力 - 光学常数等材料参数，计算出表面应力；在 X 射线衍射测量中，软件根据衍射峰的位置和强度等信息，计算出晶面间距变化，进而得出表面应力；在超声波测量中，软件根据超声波的传播时间、振幅等参数，结合应力 - 超声波参数关系公式，计算出表面应力。数据分析软件还需要具备数据存储、显示、报告生成等功能，方便用户对测量结果进行查看和管理。
 

　　(五)机械结构与外壳
 

　　机械结构
 

　　仪器的机械结构用于支撑和固定各个部件，确保仪器的稳定性和可靠性。机械结构需要具有良好的刚性和减震性能，以减少外界振动对测量结果的影响。例如，仪器的底座通常采用厚重的金属材料制成，并配备减震垫，以降低地面振动对仪器的影响。
 

　　外壳
 

　　外壳用于保护仪器内部的各个部件，防止灰尘、水分、电磁干扰等外界因素对仪器造成损害。外壳通常采用金属材料或工程塑料制成，具有良好的密封性和电磁屏蔽性能。同时，外壳的设计还需要考虑仪器的操作便利性和人机工程学，方便用户进行操作和维护。
 

　　四、总结
 

　　表面应力测定仪通过不同的工作原理(如光弹性效应、X 射线衍射、超声波等)来测量物体表面的应力状态，每种原理都有其独特的优势和适用范围。其基本结构包括光源系统(光弹性原理仪器)、探测器系统、样品台、数据处理系统以及机械结构与外壳等部分，各个部分相互协作，共同实现对表面应力的准确测量。深入了解表面应力测定仪的工作原理和基本结构，有助于正确使用该仪器，为材料研究、工程应用等领域提供可靠的表面应力数据，从而保障产品质量和性能。