一个国家发明奖的诞生赛先生

光弹性测量是检测桥梁、大坝等构件应力的经典方法，但从干涉条纹中判读数据长期依赖专家肉眼，效率与精度难以兼得。

本文作者为北京大学教授张远鹏。他与同事另辟蹊径，用电光调制器将光学判读转化为电压读数，由此走通了一条从人眼到仪表、从手动到自动的技术路径，并凭借相关成果获得国家发明奖四等奖。

尖扎黄河大桥。图源：probeinternational.org

我的技术探索小记

2025年8月22日凌晨3点钟左右，西成铁路尖扎黄河特大桥施工项目发生重大垮塌事故。经官方调查，该事故是由于施工方违规采购和使用了一万九千余件劣质螺栓引起。事故最终造成13人遇难、3人失联，直接经济损失近4900万元。

这是一起基础零部件的质量缺陷直接影响灾难性后果的典型案例。

机械装备、航空航天飞行器、船舶、桥梁、水利大坝等支撑国家建设的各类实体工程，从微小零部件到整套完整系统，都绕不开安全稳定运行这一核心底线。各类设施在服役周期内，任何构件、零件的强度不达标，都可能诱发系统性重大安全事故。为防范此类重特大安全事故重演，确保各类零部件性能完全符合设计指标，必须对各类构件、坝体、闸门等结构开展系统的强度校核工作。

“光测弹性仪”是现阶段检测各类构件与零部件应力、校核结构强度的核心检测设备之一。

光弹性测量，用偏振光看见应力

我初次接触“光测弹性测量”，是在清华大学大二的《材料力学》课上。老师将它作为实验应力分析的一种方法，为我们做了示范。而我真正全面了解这一方法，并亲自完整地用它去解决一个工程问题，大约是在1978年。当时我们在北京大学汉中分校，固体教研室承接了“陕西省石头河水库泄洪洞的弧形闸门支承结构“[1]的三维应力分析课题。教研室组织了包括我在内的五名成员，采用光弹性测量方法开展研究工作。

用光弹性实验方法测定受力模型上任意一点的应力，在理论上已十分完善。经过近一个世纪的不断发展与工程应用，其实验方法也很成熟。一般来说，用于加载测试的受力模型，多采用“环氧树脂”材料，按照实际构件的形状与尺寸，以 N:1 的比例制作而成。这种材料对光是透明的，且在自然状态下表现为各向同性，受力后会产生双折射效应。光束入射后将分解为两束沿不同方向传播的偏振光，其折射率各不相同。当光线穿过厚度为 d 的模型后，会产生相应的光程差 R 与相位差 α。它们之间存在这样的规律：

R = Cd(σ₁ − σ₂) (1)

α = (2π/λ)Cd(σ₁ − σ₂) (2)

以上两个方程叫两向应力—光性定律，其中C为应力—光性系数， σ₁、σ₂表示待测点的两个主应力。根据方程（1）和（2）可知，模型上的每一个待测点的主应力差（σ₁ − σ₂），可以通过求该点的光程差或相位差得到。为了获得相应的光程差与相位差，我们可以将受力模型放在一个正交偏振光场中，由待测点的应力产生的光学双折射而产生的两束光，在经过检偏镜后就产生了光的干涉。从干涉的图形，我们就可以量出这个R值，由这即可以得到测点的主应力差值（参见图1）。

图1 平面偏振光场通过受力模型后的光效应，P为起偏镜，A为检偏镜

想要完整算出受力模型上任意一点的内应力（主应力σ₁、 σ₂和x轴向正应力 σx、y轴向正应力 σy、切应力τₓᵧ），需要借助等倾线和等差线提供的数据。

（i）等倾线

借助图1这套偏振光照射透明受力模型的光路装置做实验，能拍出图2所示的图像，图中黑色曲线为等倾线。同步转动设备里成对的偏振镜片，整套黑色曲线会跟着整体移动；同一条等倾线上所有点位，构件内部主应力的倾斜朝向完全一致。偏振镜片每固定一个角度，就能拍出一套对应倾斜角度的等倾线；不同角度拍下的多组等倾线结合在一起，就能得到模型各个位置主应力的倾斜角度。

图2 对径受压圆环的等倾线

（ii）等差线

借助图1这套光路装置，也能拍出图3所示的布满黑色纹路的等差线图像。图里每一组环形纹路中心的黑色斑块，代表这个位置的两个主应力大小完全一样，主应力差等于0；向外延伸的每一圈黑色线条上，所有位置的主应力差全都相同，对应整数级数（次）。从中心黑斑往外数，第一条黑线是1级、第二条是2级、第三条是3级，依次递增。两条黑色环线中间的亮区，对应的是非整数的分数级数（次）。只要实验时光源、模型材料、试件厚度这些条件保持不变，我们通过读出某处条纹对应的级数数字，就能算出该位置的主应力差。

图3 对径受压圆环的等差线

有了模型各个位置主应力的倾斜角度和主应力差，结合模型边界的已知初始应力，再运用“剪应力差法”可以算出各个位置的内应力。显然，这一套实验下来最困难的地方就是在等差线图上读取数据。就是从等差线图上取下待测点的干涉条纹级数，这个条纹是有整数级数（次）和分数级数（次），特别是条纹的分数级次。比如说，点在3级条纹和4级条纹之间，是取3.5或3.4或3.6难以确定。因此这是一件很困难的事情，全靠人工去操作，效率低误差也很大。

陕西省石头河水库实验任务完成后，在验收会上，我向水坝设计方介绍了用光测法测试受力构件的一般原理。结合本课题任务，我着重说明：最大的困难是闸门周围结构比较复杂。闸门的旋转支柱是固定在型钢箱式组合梁上的，钢梁又插入泄洪洞的两边侧墙中，在钢梁的后面还衬了很大尺寸的钢筋混凝土梁。还准备在钢梁的前面配置若干拉筋将它向前拉住。按实际弧形闸门的支撑结构，我们做一个符合相似定律的环氧树脂模型，然后模拟在外受力情况下冷冻它，将模型因外力产生的内部应力冻结在模型中。

为保险起见，我们一次冻结了3个模型，冻结工序完成以后，挑选一个最好的模型，按照D=4mm，切成一片一片的做成二维平面应力状态来实验。在光弹仪上拍照、取数后，用“剪应力差法”算出截面上各点的内应力，最后找出最大的应力截面和最大的受力区域。为了考虑实验的可靠性，实验进行的过程中同时也进行了三维有限元的计算。结果是，几个主要截面的应力分配情况大致一致。最大误差小于10%，对方认可了实验结果和计算的结果。

“电光调制器”带来的灵感

这项任务完成之后，我就开始琢磨，怎么能使这样一个工作自动化呢？这不仅能解放人力大大提高工作效率，且测量精度也能保证。

首先我就查资料，从国内的资料一直查到国外的资料，都没有看到这方面的内容。回到北京以后，我咨询实验力学界的一些老前辈，得知北京理工大学有一台来自美国的“自动光弹仪”。我立即找到实验室负责人潘少川教授，他告诉我这是美国Vishay公司的产品，在中国展览后，他们学校买下来的。随后又给我介绍了它的工作原理。

原来，Vishay公司的所谓自动化根本就不是那么回事。测量过程还是跟原来一模一样，无非是在原来需要人用手去旋转的偏振镜或镜片的外面，装了一个个伺服马达来控制这些镜片的旋转，不再需要实验人员手工去操作。在我看来，这只能说是一种改善，远远谈不上真正的“自动化”。不仅如此，电机的不停旋转反而增添了实验室的噪音，而整个实验，依然需要在暗室中进行。

1979年冬，我们从汉中分校回到北京。由于力学大院的原址在我们去汉中的这段时间被北大制药厂占用，我们回来时，整个院子正在拆除装修，我就去了物理系光学教研室张合义教授科研组参加一部分工作，也是在此期间，遇见了一个叫做“电光调制器”（EOM）的元件，我对它产生了兴趣。

其实这元件我在学《激光原理》课时见过，但当时没有引起我多大注意，因当时的我知识面太窄，不可能把电光调制器与应力测量联系起来。现在，当我深入了解电光调制器的原理之后，我就觉得有戏。它在外加电压作用下也能够产生光学双折射，出射后也能产生光程差。一直在寻求光弹测量方法自动化的我，有一种“众里寻他千百度，蓦然回首……”的兴奋。我觉得让它来参与我们的实验工作是完全是可行的。

我想，如果用“电光调制器”因外加电压而产生的双折射光程差，来抵消我们的受力模型因应力而产生的双折射光程差，这不就解决问题了吗？