CN100590425C

CN100590425C - 一种透明平板材料应力检测方法

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Publication number: CN100590425C
Application number: CN200610031731A
Authority: CN
Inventors: 刘应龙; 刘星沙
Original assignee: CHANGSHA CREATOR SYSTEM INTEGRATION Co Ltd; Central South University
Current assignee: CHANGSHA CREATOR SYSTEM INTEGRATION Co Ltd; Central South University
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: CN101082590A

Abstract

一种透明平板或模型材料应力检测的方法和装置，由光源1、光学系统2、接收器4，5和计算机——图象处理系统6组成。本发明根据两个参照光束与两个不同相位测量光束的光强，利用它们的和差比值求得被测应力角，该方法自动约除了光源波动、光路扰动和光电变换漂移等因素对测量结果的影响。装置的所有部件都在被测玻璃板的一侧，故无须传统方法中的同步驱动和精密补偿机构，运行可靠，实时性强，测量范围大，精度高。

Description

一种透明平板材料应力检测方法

技术领域

本发明涉及一种测量透明平板材料应力的方法和装置。

背景技术

众所周知，透明平板或模型材料如玻璃、有机玻璃，聚碳酸脂、环氧树脂等材料具有暂时双折射性能。国内外的透明平板或模型材料非接触应力测量装置，均采用光弹性应力分析方法。以透明平板玻璃为例，试验测试表明，透明平板玻璃主应力差通常小于I级。故对玻璃表面应力的测量问题，要从光强来确定它的主应力差(σ₁-σ₂)大小，属于非整数条纹级处理范畴，不能应用通常光弹方法中的整数条纹级分析技术。

对于这种非整数条纹级数处理，国内外出现的各种装置，无论在线或离线的玻璃表面应力测量装置，大都采用补偿法。

补偿法就是在线偏振或圆偏振布置的应力光学检测系统中，当光路中未插入被测应力物体时，系统处于平衡(如消光)状态。一旦插入被应力物体，就破坏了原来的平衡，可旋转偏振片或插入一个应力光学补偿器到检测系统中，直至系统恢复到平衡状态(消光状态)。其偏振片旋转的角度或补偿器插入的距离就是对被测对象主应力差的直接描述，如赛纳蒙(Senarmont)法、巴比纳特(Babinet)法等方法。

补偿法的共同特点是必须具有一个旋转偏振片或移动补偿器的精密机械装置，它的机械精密程度直接影响测量精度。

另外，对于在线大视场测量玻璃带的应力，玻璃带宽度通常在3米以上，通常将偏振布置的光学系统分为发射和接受两部分，分别安装在被测玻璃带上、下两侧，由电动机带动它们横向移过玻璃带，得到对玻璃带一次横扫描过程的应力测量。对这种在线应力检测系统，必需有一套在移动过程中保证玻璃带两侧的设备对中并同步横向移动的机械装置。这不仅增加了装置的复杂程度，又降低了它的可靠性。

总之，国内外应用于透明平板如玻璃工业的应力测量装置都需要精密机械补偿机构和伺服电机调零机构；被测玻璃板上下表面都有部件，需要上下部件对中同步移动的同步传动机构，由此带来维护困难，运行可靠性差，测量精度难以保证。

发明内容

为了提高玻璃应力测量装置的可维护性和测量精度，解决大视场应力测量问题，本发明提供了一种透明平板玻璃应力在线自动检测方法和装置，该装置方法将微型计算机-数字图象处理技术应用于工业现场的在线应力检测。

本发明装置可分为四部分组成：光源1、光学系统2、接收器4，5和微型计算机——图象处理系统6。如附图1所示。

光学系统2由起偏器21、1/4波片22、偏振保持光栅23、空间滤波器24、分析镜25、26、聚焦透镜27、28组成；接收器4由CCD感光单元41，接收器5CCD感光单元51组成；计算机图象采集处理系统6由数字图象采集模块、通用或嵌入式计算机及相关显示与通信模块组成。

放置在起偏器21与被测应力的玻璃3之间的1/4波片22，其快轴与起偏器21偏振轴成45°；穿过1/4波片22的光束经过偏振保持光栅23和空间滤波器24后，分裂成与被测玻璃3表面法线呈左右对称的两束光以小角度的方式入射，经被测玻璃3的上、下表面反射后变为四束光，射向光学系统2光路中对应的两个分析镜25和26后，分别投射到CCD感光单元41和51；分析镜25和26的偏振轴分别与起偏器2偏振轴线的夹角为+θ和-θ，并取θ＝45°分析镜25的偏振轴分别与起偏器偏振轴的夹角为+θ和-θ，并取θ＝45°；接收器4，5使用光学系统2中的聚焦透镜27，28，将近似共路的参照光束与测量光束在空间上分离，并采用同一CCD感光变换单元41、51对同一侧的参照光束与测量光束进行光电变换；接收器4，5同时摄取两幅偏振光图像，经A/D转换后，形成数字图象存入计算机图象处理系统6，计算机对采集的数字图像进行运算处理，得到玻璃带横向各点的应力差；根据投射到接收器4，5、CCD感光变换单元41、51上的光束强度I1u、I1d和I2u、I2d，其中I1u、I1d分别对应于左侧入射经透明平板材料(3)上下表面反射光束，I2u、I2d对应于右侧入射经透明平板3上下表面反射光束，计算从分析镜出来的光强为：

I 1 u : = k 1 \cdot \frac{{A 1}^{2}}{2}

I 1 d : = k 1 \cdot τ 1 \cdot \frac{{A 1}^{2}}{2} \cdot [1 - \sin \cdot (δ)]

I 2 u : = k 2 \cdot \frac{{A 2}^{2}}{2}

I 2 d : = k 2 \cdot τ 2 \cdot \frac{{A 2}^{2}}{2} \cdot [1 + \sin \cdot (δ)] - - - (1)

式中A1、A2为滤波器的出射光幅度，k1为左光束到达CCD感光单元41时的光路衰减系数，经玻璃3上下表面反射光光束可以近似认为共光路，忽略其差别，取相同的光路衰减系数，同理，k2为右光束到达CCD感光单元51时的光路衰减系数。τ1、τ2为玻璃3对左右下表面反射光光束的吸收系数，相对生产线上3米多宽玻璃板来说，反射发生在很小的区域，且左右光束对称入射，因此我们可以假定τ1＝τ2。δ为被测玻璃体内主应力差引起的相位差亦称应力角。

由(1)式可得：

\sin (δ) : = \frac{I 1 d \cdot I 2 u - I 2 d \cdot I 1 u}{I 1 d \cdot I 2 u + I 2 d \cdot I 1 u} - - - (2)

由此得到应力角分析式：

δ : = a \sin \cdot (\frac{I 1 d \cdot I 2 u - I 2 d \cdot I 1 u}{I 1 d \cdot I 2 u + I 2 d \cdot I 1 u}) - - - (3)

光束强度I1u、I1d和I1u、I2d经CCD感光单元41和51光电变换成视频信号，视频信号计算机图象采集处理系统处理后，得到相对应的四个灰度值，记为g1u、g1d和g2u、g2d。由于(3)式中的比例关系，光电变换增益系数被自动约除，有：

δ : = a \sin \cdot [\frac{g 1 d \cdot g 2 u - g 2 d \cdot g 1 u}{(g 1 d \cdot g 2 u + g 2 d \cdot g 1 u)}] - - - (4)

本发明利用被测平板玻璃3本身的反射分束特性，上表面反射产生参照光束，下表面反射产生测量光束；参照光束与测量光束共光源共光路，因而能自动消除光源的波动和光路的扰动对测量结果的影响。采用分析镜两个不同安置角度(±45°)，测取两个不同相位的偏振光的光强，由(4)式运算出被测应力角大小。采用聚焦透镜27和28在空间上分离参照光束与测量光束，采用同一CCD感光单元对一侧的参照光束与测量光束进行感光；保证其光电变换的一致性，同时允许测量过程中光束的空间取向有一定变化。

我们称基于(3)和(4)式的测量原理为相位法。采用(4)式的相位测量方法，它不再含有光幅度A这个量，即其测量精度不受光功率的变化影响，亦不受光电变换增益系数影响。克服了光度法的困难，即消除了光功率随机波动和光电变换增益漂移的问题。

从式(4)可以看出，当g1d*g2u-g2d*g1u＞0时，应力角为正值，它表示为张应力；反之则为压应力；两者相等时，则应力为零。在不旋转偏振片的情况下就能判别出拉张或压应力，无需精密补偿机构和同步机构，就可以测得应力值。

相位测量法还有另一优点，就是测量系统的传感器工作区刚好在它的灵敏区，而不是象补偿法那样传感器工作在(消光状态)光强等于零附近的不灵敏区。而相位测量法从式(4)可知，应力角为零时必g1d*g2u＝g2d*g1u。又从式(1)可知，该时测量光束光强I1d和I2d为其最大值的一半，参考光束光强I1u和I2u与值应力值无关。通常玻璃表面应力值在±45°以内，故它们必然处在装置的测量灵敏线性区。

图象处理系统6包括图象采集处理器、计算机、打印机等组成。图象采集处理器同时采集来自CCD感光单元41和51的两幅偏振光强图像，这两幅偏振光强图像分别包含四束光光强度I1u、I1d和I2u、I2d信号。计算机图象采集处理系统6从数字图像中提取出相对应的四个灰度值g1u、g1d和g2u、g2d，按(4)式进行运算处理，得出玻璃带横向各点的应力差即应力角δ，在监示器上显示出被测玻璃应力差分布曲线，并可由打印机打印记录。

为了实现对玻璃带宽3～4米以上的大视场应力测量，本发明将所有测量器件封装为应力测量盒，由导轨及驱动系统驱动扫描过被检玻璃板，得到整个玻璃断面应力分布。由于在被检玻璃板另一侧没有测量部件，故不需要同步对中机构。

在预先编制好的程序控制下，整套应力检测装置可连续自动在线测量。

本发明将计算机——数字图象处理技术应用于工业生产现场在线应力自动检测，测量快速，操作方便，实时性强，显示直观。无需精密补偿机构和同步传动机构，就能实时地在线测量大视场的应力大小和方向。并且运行可靠性高，使用维护简单，造价低廉。测量时与光幅度无关，综合误差小，而且系统误差又能很方便进行补偿，装置定标方便，测量精度高。测量光束两次通过被测玻璃板，检测灵敏度增加一倍。本测量方法也同样适应于其他透明平板和模型材料的应力测量。

附图说明

图1为本发明光路原理图；

图2为实施例图。

实施方式

以玻璃工业生产应力测量为例。如附图2所示，为了实现对板宽为3～4米以上玻璃的大视场应力测量，首先在被测玻璃的输送辊道7上架设测量桥9，输送辊道7上有工业生产的被测玻璃3，将附图1中除被测玻璃3以外的所有器件封装为附图2中的应力测量盒10，由导轨及驱动系统9驱动扫描过被检玻璃板3，完成整个玻璃断面应力分布测量。

如附图1所示，光源1采用准直半导体激光器，波长650nm；波片22为对应于650nm波长的1/4波片，偏振保持光栅23采用普通金属光栅，滤波器24采用带两孔的不透明片，只允许光栅的±1级光透过。起偏器21和分析镜25和26采用高比偏振片，聚焦透镜27，28采用大口径低渐晕透镜、CCD感光单元41，51为两台工业摄像机(取γ值为1)，选用每一行像素不少500的面阵(或线阵)摄像机，例如TM765型CCD摄像机，矩形像素765×581，低照度灵敏度0.3Lux。它放置光学系统2聚焦透镜27，28的后面。

设起偏器21的偏振轴与玻璃带3的运动方向相同，放置在起偏器21与被测应力的玻璃3之间的1/4波片22，其快轴与起偏器21偏振轴成45°；穿过波片22的光束经过偏振保持光栅23和空间滤波器24后，分裂成与玻璃3表面法线呈左右对称的两束光以小角度的方式入射，经玻璃3的上下表面反射后变为四束光，分别射向光路中对应的分析镜25、26后，分别投射到CCD感光单元41和51，分析镜25、26的偏振轴分别与X轴(即输送辊子轴线，如图2所示)夹角为+θ和-θ，并令θ＝45°。

投射到CCD感光单元41和51的光束强度分别记为I1u、I1d和I2u、I2d，I1u、I1d分别对应于左侧入射经玻璃3上下表面反射光束；I1u、I2d对应于右侧入射经玻璃3上下表面反射光束。从检偏镜出来的光强为：

I 1 u : = k 1 \cdot \frac{{A 1}^{2}}{2}

I 1 d : = k 1 \cdot τ 1 \cdot \frac{{A 1}^{2}}{2} \cdot [1 - \sin \cdot (δ)]

I 2 u : = k 2 \cdot \frac{{A 2}^{2}}{2}

I 2 d : = k 2 \cdot τ 2 \cdot \frac{{A 2}^{2}}{2} \cdot [1 + \sin \cdot (δ)] - - - (1)

(1)式中A1、A2为附图1中滤波器24的出射光幅度，k1为左光束到达CCD感光单元41时的光路衰减系数，经玻璃3上下表面反射光光束可以近似认为共光路，忽略其差别，取相同的光路衰减系数，同理，k2为光束到达CCD感光单元51时的光路衰减系数。τ1、τ2为玻璃4对左右光束的吸收系数，相对生产线上3米多宽玻璃板来说，反射发生在很小的区域，且左右光束对称入射，因此可以假定τ1＝τ2。δ为被测玻璃体内主应力差引起的相位差即应力角。

由(1)式可得：

\sin (δ) : = \frac{I 1 d \cdot I 2 u - I 2 d \cdot I 1 u}{I 1 d \cdot I 2 u + I 2 d \cdot I 1 u} - - - (2)

δ : = a \sin \cdot (\frac{I 1 d \cdot I 2 u - I 2 d \cdot I 1 u}{I 1 d \cdot I 2 u + I 2 d \cdot I 1 u}) - - - (3)

为了在同一时刻对同一干涉图象摄像，两台摄像机必须在计算机的控制下同步采集。

当摄像机将摄取的光束强度I1u、I1d和I2u、I2d转换成电量后，经视频信号输送给计算机图象处理系统6，计算机从数字图像中提取出相对应的四个灰度值g1u、g1d和g2u、g2d，按(4)式进行运算处理，得出玻璃带横向各点的应力差即应力角δ，同时计算机控制附图2中的驱动系统4完成对玻璃板的扫描，就可以得到玻璃带横向分布的应力值，在监示器上显示出被测玻璃应力差分布曲线，并可由打印机打印记录。

Claims

1.一种透明平板应力的检测方法，其特征在于：采用放置在起偏器(21)与被测平板材料(3)之间的1/4波片(22)，其快轴与起偏器偏振轴成45°，穿过1/4波片(22)的光束经过偏振保持光栅(23)和空间滤波器(24)后，分裂成与平板材料(3)表面法线呈左右对称的两束光以小角度的方式入射，经透明平板材料(3)上下表面反射后变为四束光，射向光学系统(2)中对应的两个分析镜(25)，(26)后分别投射到不同的接收器(4)，(5)；分析镜(25)的偏振轴分别与起偏器偏振轴的夹角为+θ和-θ，并取θ＝45°；接收器(4)，(5)使用光学系统(2)中的聚焦透镜(27)，(28)，将近似共路的参照光束与测量光束在空间上分离，并采用同一CCD感光变换单元(41)、(51)对同一侧的参照光束与测量光束进行光电变换；接收器(4)，(5)同时摄取两幅偏振光图像，经A/D转换后，形成数字图象存入计算机图象处理系统(6)，计算机对采集的数字图像进行运算处理，得到玻璃带横向各点的应力差；根据投射到接收器(4)，(5)、CCD感光变换单元(41)、(51)上的光束强度I1u、I1d和I2u、I2d，其中I1u、I1d分别对应于左侧入射经透明平板材料(3)上下表面反射光束，I2u、I2d对应于右侧入射经透明平板(3)上下表面反射光束，计算从分析镜出来的光强为：

I 1 u : = k 1 \cdot \frac{{A 1}^{2}}{2}

I 1 d : = k 1 \cdot τ 1 \cdot \frac{{A 1}^{2}}{2} \cdot [1 - \sin \cdot (δ)]

I 2 u : = k 2 \cdot \frac{{A 2}^{2}}{2}

I 2 d : = k 2 \cdot τ 2 \cdot \frac{{A 2}^{2}}{2} \cdot [1 + \sin \cdot (δ)] - - - (1)

式中A1、A2为滤波器的出射光幅度，k1为左光束到达CCD8时的光路衰减系数，k2为光束到达CCD8时的光路衰减系数，τ1、τ2为玻璃对左右光束的吸收系数，δ为被测玻璃体内主应力差引起的相位差，再根据(1)式得到应力公式：

\sin (δ) : = \frac{I 1 d \cdot I 2 u - I 2 d \cdot I 1 u}{I 1 d \cdot I 2 u + I 2 d \cdot I 1 u}

或

δ : = a \sin \cdot [\frac{g 1 d \cdot g 2 u - g 2 d \cdot g 1 u}{(g 1 d \cdot g 2 u + g 2 d \cdot g 1 u)}] .