中国北京大学团队研制双折射测试仪获国家发明奖四等奖
2026-07-08 14:51
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维度网讯,中国北京大学力学系退休教授张远鹏及其团队利用电光调制器(EOM)成功研制出双折射测试仪,将应力测量从人工目视判读升级为电信号自动分析。该测试仪获国家发明奖四等奖,后续在此基础上研发的全自动光测弹性仪获得国家发明专利。此举解决了传统光弹性测量方法效率低、误差大的行业技术瓶颈。

2025年8月22日,西成铁路尖扎黄河特大桥施工项目因违规采购一万九千余件劣质螺栓发生重大垮塌,导致13人遇难、3人失联,直接经济损失近4900万元。这一事故凸显了机械装备、桥梁等结构件强度校核的极端重要性。光测弹性仪作为校核构件应力的核心检测设备,传统方法依赖人工在等差线图上读取干涉条纹级数,尤其在分数级条纹判读上存在效率低、误差大的固有缺陷。

传统光弹性测量法利用透明环氧树脂模型模拟实际构件,在偏振光场中通过等倾线和等差线计算内部应力分布。但人工取数过程繁琐,严重制约了这一方法的工程应用效率。张远鹏在完成陕西省石头河水库泄洪洞弧形闸门支承结构的三维光弹性应力分析课题后,开始寻找自动化解决方案。

图4  X,Y代表晶体的主轴

研究团队创新性地引入电光调制器(EOM),利用其在外加电压下产生电致双折射的特性,精准补偿受力模型因应力产生的双折射光程差。通过在正交偏振光场中施加交变信号并引入光电转换与示波器显示,系统能够输出稳定的倍频信号,取代了传统人工对“明暗”点的主观判断,使测量灵敏度和精度大幅提升。

图8 示波器上的倍频信号

实验验证了该技术的可靠性。对EOM电致双折射线性度的实测表明,其线性误差约0.5%,与高精度巴比涅-索利尔补偿器性能相当。在对径受压圆盘实测中,采用EOM自动化方案获得的应力分布数据与三维有限元计算结果高度吻合,各截面应力分配趋势一致,最大误差小于10%。

图6 对径受压圆盘

表2  O-O截面上7个点的σ₁、 σ₂和τₓᵧ

图7 应力随圆盘变动的分布,图中的虚线是有限元的解

基于该技术研制的高精度、高灵敏度双折射测试仪由北京大学电子仪器厂生产,获北京市科技成果二等奖和国家发明奖四等奖。该项测试技术曾用于上海电视机厂生产线的玻璃应力检测,并取得较好经济效益。三年后,团队成功研制出具备完全自主知识产权的全自动光测弹性仪,获得国家发明专利授权。

图9 国家发明奖四等奖证书和照片

 

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