CN101160607A - 对玻璃断裂能量进行在线测量的声发射系统和方法 - Google Patents

对玻璃断裂能量进行在线测量的声发射系统和方法 Download PDF

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Abstract

本文描述了一种用于检测当玻璃板被划线且断裂时所产生的玻璃断裂能(或另一种参数)的声发射系统和方法。在较佳实施方式中，声发射系统包括声发射传感器、数据获取系统以及处理器。声发射传感器与玻璃板对接并产生声发射信号，这种信号代表当玻璃板被划线且断裂时所产生的声发射波形。数据获取系统记录上述声发射信号。处理器处理所记录的声发射信号以确定玻璃断裂能(或另一种参数)。然后，处理器可以使用玻璃断裂能(或另一种参数)来确定断裂玻璃板的边缘质量。另外，处理器可以将玻璃断裂能(或另一种参数)作为反馈来使用以调节后续玻璃板的划线和断裂。

Description

对玻璃断裂能量进行在线测量的声发射系统和方法
有关申请的交叉参照
本申请要求2005年4月19日提交的题为“Acoustic Emission System andMethod for On-Line Measurement of Glass Break Energy”的美国申请11/109,544的优先权，该美国申请引用在此作为参考。
技术领域
本发明一般涉及玻璃制造领域，尤其涉及可检测在玻璃板上划线并使其断裂时所产生的玻璃断裂能量(或另一种参数)的声发射系统和方法。
背景技术
在玻璃板上划线并使其断裂以除去不想要的部分是一种用于调整玻璃板尺寸的成熟、可靠且经济的过程。为了调整玻璃板的尺寸，用预定的力使划线轮在玻璃板上滚动，这在玻璃板内产生了裂纹。这种裂纹的存在能够使玻璃板很容易地断裂成期望的形状。然而，在划线和断裂的过程中有太多的变量可能使划线和切割边质量较差。例如，划线轮可能已磨损或者划线压力可能太高或太低。这样，若能优化划线和断裂过程以减少因划线不佳而导致的缺陷并增大恰当调整过尺寸的玻璃板的产量，则这将是值得期待的。这种需求以及其它需求在本发明中都得到了满足。
发明内容
本发明包括用于检测在玻璃板被划线且断裂时所产生的玻璃断裂能(或另一种参数)的声发射系统和方法。在较佳实施方式中，声发射系统包括声发射传感器、数据获取系统以及处理器。声发射传感器与玻璃板对接并产生声发射信号，这种信号代表当玻璃板被划线且断裂时所产生的声发射波形。数据获取系统记录上述声发射信号。处理器处理所记录的声发射信号以确定玻璃断裂能(或另一种参数)。然后，处理器可以使用玻璃断裂能(或另一种参数)来确定断裂玻璃板的边缘质量。另外，处理器可以将玻璃断裂能(或另一种参数)作为反馈来使用以调节后续玻璃板的划线和断裂。
附图说明
参照附图，结合下面的详细描述，可以对本发明作更完整的理解，其中：
图1是根据本发明用于检测在玻璃板上划线并使其断裂时所产生的玻璃断裂能(或另一种参数)的声发射系统的框图；
图2是示出了根据本发明用于检测在玻璃板上划线并使其断裂时所产生的玻璃断裂能(或另一种参数)的方法的基本步骤的流程图；
图3是根据本发明在制造玻璃板的同时包括并使用声发射系统的两种不同实施方式的典型玻璃制造系统的框图；
图4是示出了根据本发明第一实施方式的声发射系统的基本组件的框图；
图5是示出了根据本发明第二实施方式的声发射系统的基本组件的框图；以及
图6-9用于帮助描述为证明图5所示声发射系统的功能而进行的三次实验的结果。
具体实施方式
参照图1和2，分别示出了声发射系统100的框图和方法200的流程图，它们可用于检测在玻璃板150被划线且断裂时所产生的玻璃断裂能(或另一种参数)。声发射系统100包括一个或多个声发射传感器102、数据获取系统104以及处理器106(计算机106)。
如图1所示，声发射传感器102(示出了一个)定位成使得它与玻璃板150对接(图2中的步骤202)。声发射传感器102产生并输出一个或多个声发射信号105，这些信号代表当玻璃板150被划线且断裂时所产生的声发射波形108(图2中的步骤204)。特别是，声发射信号105是基于声发射波形108的，声发射波形108代表了因玻璃板150的划线和断裂所引起的以波传播为形式的弹性能的自然释放。数据获取系统104记录了声发射信号105(图2中的步骤206)。处理器106处理所记录的声发射信号105，以检测在玻璃板150被划线且断裂时所产生的玻璃断裂能110(或另一种参数)(图2中的步骤208)。然后，处理器106可以使用测得的玻璃断裂能110(或另一种参数)来确定被分开的玻璃板150的边缘质量(图2中的步骤210)。另外，处理器106可以将测得的玻璃断裂能110用作反馈以调节后续玻璃板150的划线和断裂(图2中的步骤212)。下文结合图3-5详细描述了典型玻璃制造系统300中所包括的声发射系统100的两个不同实施方式。
参照图3，示出了典型玻璃制造系统300的示意图，该系统可以在制造玻璃板150的同时还包括并使用两种实施方式的声发射系统100a和100b。玻璃制造系统300包括熔化容器310、澄清容器315、混合容器320(比如搅拌腔320)、供给容器325(比如供料筒325)、成形容器335(比如均质腔(isopipe)335)、拉辊组件340、水平划线设备350、垂直划线设备355以及两种不同类型的声发射系统100a和100b。
如图3所示，熔化容器310是引入成批玻璃材料312并使其熔化成熔融玻璃326的地方。澄清容器315(比如澄清管315)具有高温处理区域，该区域接收来自熔化容器310的熔融玻璃326(此时未示出)并且从熔融玻璃326中除去气泡。通过澄清管到搅拌腔连接管322，澄清容器315便连接到混合容器320(比如搅拌腔320)。通过搅拌腔到供料筒连接管327，混合容器320便连接到供给容器325。供给容器325通过降液管330将熔融玻璃326供给到入口332并进入成形容器335(比如均质腔335)。
成形容器335包括用于接收熔融玻璃326的开口336，熔融玻璃326流入料槽337，然后从料槽337中溢出再沿两边338a和338b向下，最后在根部339处熔融在一起。根部339是两边338a和338b合在一起的地方，还是熔融玻璃326的两个溢流壁重新结合(比如重新熔融)的地方，最后拉辊组件340将其向下拉出以形成玻璃板150。然后，划线设备350水平划线并将所拉出的玻璃板分成不同的玻璃板150。当划线设备350水平划线并将所拉出的玻璃板150分开时，第一实施方式的声发射系统100a检测在玻璃板150被划线且分开时所产生的玻璃断裂能110a(或另一种参数)。下文参照图4详细描述了声发射系统100a。
参照图4，该框图示出了根据本发明第一实施方式的声发射系统100a的基本组件。声发射系统100a包括一个或多个声发射传感器102a、数据获取系统104a和处理器106a(比如计算机106a)。在本实施方式中，声发射传感器102a(示出了一个)实际上并不接触玻璃板150。可以看出，非接触声发射传感器102a定位成使得它在划线设备350进行划线并使所拉出的玻璃板150分开的位置附近的一点处与玻璃板150对接。非接触声发射传感器102a是想要的，因为它不受玻璃制造过程中常见的高温或震动的影响。在较佳的实施方式中，该非接触声发射传感器102a是一种激光干涉仪，它包括光学探头404和激光-超声波检测器406。例如，非接触声发射传感器102a可以是TENCAR所制造的被称为“法布里-波罗激光-超声波检测器(Fabry-Perot Laser-Ultrasonic Detector)”的设备，或者它可以是由加拿大的国家研究理事会(NRC)的工业材料研究所(IMI)或LASSON所制造的设备之一。
在操作过程中，声发射传感器102a产生并输出一个或多个声发射信号105a，这些信号基于当玻璃板150被划线且断裂时所产生的声发射波形108a。数据获取系统104a记录声发射信号105a。处理器106a处理声发射信号105a以确定当玻璃板150被划线且分开时所产生的玻璃断裂能110a(或另一种参数)。然后，处理器106a可以使用测得的玻璃断裂能110a(或另一种参数)以确定被分开的玻璃板150的边缘的质量(参照图8A-8D)。另外，处理器106a可以将玻璃断裂能110a(或另一种参数)作为反馈来使用以调节后续玻璃板150的划线和断裂。例如，处理器106a可以将测得的玻璃断裂能110a(或另一种参数)作为反馈来使用以调节水平划线设备350中的划线轮的划线压力。处理器106a可以使用测得的玻璃断裂能110a(或另一种参数)来检测水平划线设备350内的划线轮是否已磨损并需要更换。
参照图3，在水平划线设备350在所拉出的玻璃板150上划线并使其断裂之后，便将该切割好的玻璃板150移至制造过程中具有垂直划线设备355的那一部分。垂直划线设备355用于垂直划线并将两端152a和152b从玻璃板150上切下来。当垂直划线设备355在玻璃板150上划线并使其断裂时，使用第二实施方式的声发射系统100b来检测玻璃板150被划线且断裂时在压力点502a和502b处所产生的玻璃断裂能110b′和110b″(或另一种参数)。下文参照图5A和5B详细描述了声发射系统100b。
参照图5A和5B，示出了根据本发明第二实施方式的声发射系统100b的基本组件。声发射系统100b包括一个或多个声发射传感器102b、数据获取系统104b以及处理器106b(比如计算机106b)。在本实施方式中，声发射传感器102b(示出了8个)在两端152a和152b处实际接触玻璃板150，这两端152a和152b将要被垂直划线设备355(参照图3)切割掉。从图5A中可以看出，玻璃基板150的一端152b位于压板502和四个声发射传感器102b之间，这四个传感器102b附着于支撑底座504(另一端152a也如此)。每一个声发射传感器102b都可以由装有弹簧的夹具506来支撑着。每一个装有弹簧的夹具506使玻璃板150的界面与声发射传感器102b稳定地接触着。在较佳实施方式中，声发射传感器102b是一种压电式换能器，它能够进行模态声发射测量。例如，声发射传感器102b可以是由DIGITAL WAVE制造的被称为“B1025系列传感器”的器件。
在操作过程中，声发射传感器102b产生并输出一个或多个声发射信号105b，这些信号基于当玻璃板150被划线且断裂时所产生的声发射波形108b。数据获取系统104b记录声发射信号105b。处理器106b处理声发射信号105b以确定当端152a和152b被划线且分开时在玻璃板150上的点502a和502b处所分别产生的玻璃断裂能110b′和110b″(或其它参数)。然后，处理器106b可以使用测得的玻璃断裂能110b′和110b″(或其它参数)以确定被分开的玻璃板150的边缘的质量(参照图8A-8D)。另外，处理器106b可以将玻璃断裂能110b′和110b″(或其它参数)作为反馈来使用以调节后续玻璃板150的划线和断裂。例如，处理器106b可以将测得的玻璃断裂能110b′和110b″(或其它参数)作为反馈来使用以调节垂直划线设备355中的划线轮的划线压力。处理器106b可以使用测得的玻璃断裂能110b′和110b″(或其它参数)来检测垂直划线设备355内的划线轮是否已磨损并需要更换。
下文所给出的讨论描述了为测试第二实施方式的声发射控制系统100b而进行的三个实验的结果。在一个实验中，四个声发射传感器102b在装有弹簧的夹具506的帮助下被安装到玻璃板150的端152b(入口端152b)上(参照图5A和5B)。这四个声发射传感器102b被标记为通道1、2、3和4。然后，使用垂直划线设备355在玻璃板150上划线并使端152b从玻璃板150上分离下来。在分离过程中，数据获取系统104b接收到来自四个声发射传感器102b的四个声发射信号105b。这四个声发射信号105b分别示出在图6A-6D。
处理器106b分析这四个声发射信号105b并且确定四个不同的玻璃断裂能110b″，它们仅是声发射信号105b中的许多参数/特征之一。图7表示“典型的”声发射信号105b中能被处理器106b测量的其它特征/参数中的一些。这些特征/参数包括：
·检测的时间
·通道计数
·信号强度
·绝对能量(玻璃断裂能110b″)
·振幅
·能量
·计数
·持续时间
·平均频率
·上升时间
·计数-峰值
在另一个实施方式中，使用声发射控制系统100b来确定由四个不同声发射传感器102b所输出的四个不同声发射信号105b的“绝对能量”(玻璃断裂能110b′)和“信号强度”。处理器106b使每一对“绝对能量”和“信号强度”相关，以确定切割好的玻璃板150的边缘的质量(参照图8A-8D)。在这些图中，应该注意到，边缘分数越高，则玻璃板150的切割边缘上的缺陷就越多。
在另一个实验中，使用声发射控制系统100b，以实时和在线的方式连续地监控7个连续的玻璃板150的划线/断裂过程。特别是，声发射控制系统100b输出在7个不同的玻璃板150被划线期间所产生的一系列声发射信号105b(参照图9A-9F)。如上所述，这种与不同声发射信号105b相关的数据可用作反馈，以改进后续玻璃板150的划线和切割工艺。应该注意到，图9B-9F的y轴的单位是相对的，因为该信号是电压输出并且可以被任意放大。对于图6A-6D中的y轴，情况也如此。
下面便是本发明的一些特征、优点和用途：
·声发射系统100能够对玻璃边缘质量进行实时在线监控。
·声发射系统100能实时且在线地准确检测玻璃分离过程中的声波特征波形。
·声发射系统100能利用宽带滤波器(较佳的)或窄带滤波器来处理声发射信号105。
·应该理解，可以使用非接触式声发射系统100a来替代接触式声发射系统100b，以检测垂直划线设备355所产生的玻璃断裂能(或其它参数)。
·应该理解，玻璃制造系统300是示例性的并且其它类型和配置的玻璃制造系统可以包括并使用本发明的声发射系统100和方法200。
·关于利用熔融工艺生产玻璃板150的玻璃制造系统300的更多细节，请参照美国专利3,338,696和3,682,609。这些专利的内容引用在此作为参考。
尽管在附图和上文的详细描述中已示出了本发明的两种实施方式，但是应该理解，本发明并不限于所揭示的各种实施方式，而是能在不背离权利要求书所阐明和定义的本发明的精神的情况下作出大量的重新安排、修改和替代。

Claims (30)

1.一种系统，包括：
声发射(AE)传感器，它能够与玻璃板对接；
所述AE传感器还能够产生AE信号，所述AE信号基于当玻璃板被划线且断裂时所产生的AE波形；
数据获取系统，它能够记录所述AE信号；以及
处理器，它能够处理所记录的AE信号以获得所记录的AE信号中的玻璃断裂能或另一种特征。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述AE传感器在玻璃板被划线且断裂的同时实际接触所述玻璃板。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述AE传感器是压电换能器。
4.如权利要求2所述的系统，还包括能够支撑所述AE传感器的装有弹簧的夹具。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述AE传感器在玻璃板被划线且断裂的同时并不实际接触所述玻璃板。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述AE传感器是非接触式激光干涉仪。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述非接触式激光干涉仪包括光学探头和激光-超声波波检测器。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器还能够处理所记录的AE信号中的玻璃断裂能或另一种特征以确定已断裂的玻璃板的边缘的质量。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测得的玻璃断裂能被用作反馈以调节后续玻璃板的划线和断裂。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述AE信号是基于AE波形的，所述AE波形代表了因玻璃板的划线和断裂所引起的以波传播为形式的弹性能的自然释放。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述AE信号是由宽带滤波器来处理的。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述AE信号是由窄带滤波器来处理的。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个AE信号都包括玻璃断裂能和下列参数：
检测的时间；
通道计数；
信号强度；
振幅；
能量；
计数；
持续时间；
平均频率；
上升时间；以及
计数-峰值。
14.一种用于获取与玻璃板的划线和断裂相关的信息的方法，所述方法包括如下步骤：
使声发射(AE)传感器与玻璃板对接；
当所述AE传感器检测到在玻璃板上划线并使其断裂时所产生的AE波形时，产生AE信号；
记录所述AE信号；以及
处理所记录的AE信号以确定所记录的AE信号中的玻璃断裂能或另一个特征。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述对接的步骤包括：当玻璃板被划线且断裂时使AE传感器实际连接到所述玻璃板。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述AE传感器是压电换能器。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述对接的步骤包括：当玻璃板被划线且断裂时使AE传感器与所述玻璃板实际分开。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述AE传感器是一种包括光学探头和激光-超声波检测器的非接触式激光干涉仪。
19.如权利要求14所述的方法，还包括如下步骤：处理所记录的AE信号中的玻璃断裂能或另一种特征，以确定已断裂的玻璃板的边缘的质量。
20.如权利要求14所述的方法，还包括如下步骤：将测得的玻璃断裂能用作反馈，以调节后续玻璃板的划线和断裂。
21.一种玻璃制造系统，包括：
至少一个用于熔化成批材料并形成熔融玻璃的容器；
用于接收熔融玻璃并形成玻璃板的成形装置；
用于拉出所述玻璃板的拉动机器；
用于水平切割玻璃板并使其断裂的第一切割机；
第一声发射(AE)系统，包括：
第一AE传感器，它能够与玻璃板对接，还能够基于水平切割玻璃板并使
其断裂时所产生的声发射波形来产生第一AE信号；
数据获取系统，它能够记录第一AE信号；和
处理器，它能够处理所记录的第一AE信号以获得所记录的第一AE信号中的第一玻璃断裂能或另一个特征；
用于垂直切割先前切割过的玻璃板并使其断裂的第二切割机，以及
第二AE系统，包括：
第二AE传感器，它能够与玻璃板对接，还能够基于垂直切割玻璃板并使其断裂时所产生的声发射波形来产生第二AE信号；
数据获取系统，它能够记录第二AE信号；和
处理器，它能够处理所记录的第二AE信号以检测所记录的第二AE信号中的第二玻璃断裂能或另一个特征。
22.如权利要求21所述的玻璃制造系统，其特征在于，所述第一AE传感器在玻璃板正被切割且断裂的同时并不实际接触所述玻璃板。
23.如权利要求21所述的玻璃制造系统，其特征在于，所述第二AE传感器在玻璃板正被切割且断裂的同时实际接触所述玻璃板。
24.如权利要求21所述的玻璃制造系统，其特征在于，所述第一和第二AE信号中的第一玻璃断裂能、第二玻璃断裂能以及其它特征中的至少一种被用于确定已断裂的玻璃板的至少一个边缘的质量。
25.如权利要求21所述的玻璃制造系统，其特征在于，所述第一和第二AE信号中的第一玻璃断裂能、第二玻璃断裂能以及其它特征中的至少一种被用于调节后续玻璃板的切割和断裂。
26.一种用于生产玻璃板的方法，所述方法包括如下步骤：
使成批材料熔化以形成熔融玻璃；
处理所述熔融玻璃以形成玻璃板；
拉出所述玻璃板；
水平切割所拉出的玻璃板并使其断裂；
使用第一声发射(AE)系统，它执行如下步骤：
使第一AE传感器与玻璃板对接；
当第一AE传感器检测到在水平切割玻璃板并使其断裂时所产生的AE波形时，产生第一AE信号；
记录所述第一AE信号；和
处理所记录的第一AE信号以检测所述第一AE信号中的第一玻璃断裂能或另一种特征；
垂直切割先前切割好的玻璃板并使其断裂；以及
使用第二AE系统，它执行下列步骤：
使第二AE传感器与玻璃板对接；
当第二AE传感器检测到在垂直切割玻璃板并使其断裂时所产生的AE波形时，产生第二AE信号；
记录所述第二AE信号；和
处理所记录的第二AE信号以检测所述第二AE信号中的第二玻璃断裂能或另一种特征。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述第一AE传感器在玻璃板正被切割且断裂的同时并不实际接触所述玻璃板。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述第二AE传感器在玻璃板正被切割且断裂的同时实际接触所述玻璃板。
29.如权利要求26所述的方法，还包括如下步骤：使用所述第一和第二AE信号中的第一玻璃断裂能、第二玻璃断裂能以及其它特征中的至少一种，来确定已断裂的玻璃板的至少一个边缘的质量。
30.如权利要求26所述的方法，还包括如下步骤：使用所述第一和第二AE信号中的第一玻璃断裂能、第二玻璃断裂能以及其它特征中的至少一种，来调节后续玻璃板的切割和断裂。
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