CN101672803A - 一种检测钢化玻璃幕墙杂质和缺陷的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种检测钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法和装置，涉及材料检测领域。该方法通过透射式光弹原理，利用自然光和暗箱检偏器设计，形成无能耗的光强差，获取幕墙玻璃的应力条纹图像，然后对应力条纹进行图像处理和分析，找出应力条纹中的奇异或突变点，包括应力集中点，对这些区域进一步放大分析，确定杂质或缺陷的类型、尺寸以及位置。该装置包括-透射式光弹仪系统用于扫描和采集图像、-图像传输系统以及-应力分析系统，通过该装置检测玻璃幕墙的杂质和缺陷类型、位置和尺寸。本发明解决了检测服役钢化玻璃幕墙中杂质和缺陷的难题，对保障玻璃幕墙的安全可靠性有重要意义，所发明的测试装置有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及材料检测领域，具体涉及到一种对钢化玻璃幕墙中杂质和缺陷的无能耗检测方法。具体地说，是利用起偏片和检偏片两边的透射光强差的变化观测得到钢化玻璃的应力状态，判断出现应力斑发生突变的区域，从而确定钢化玻璃幕墙表面或内部杂质和缺陷的类型、尺寸和位置的一种检测方法。
背景技术
在许多现代建筑物中，外表面的大部分是由玻璃组成，构成玻璃幕墙。上世纪80年代以来，我国各大城市相继建造了大量的玻璃幕墙建筑。一幢大的玻璃幕墙大楼一般会有几千到数万块玻璃。在大多数情况下，由于钢化玻璃的强度是普通平板玻璃的数倍，并且破碎时呈现许多小的圆钝角玻璃碎块，出于安全和强度方面的考虑，现代的玻璃幕墙大多采用钢化玻璃。
玻璃是一种典型的脆性材料，具有抗压强度高，抗拉强度低的特点。几乎所有的破坏都是由于拉应力引起，而钢化玻璃的钢化应力状态是表面受压，内部受拉，处于内部受拉区的杂质和缺陷在一定条件下可产生局部应力集中并叠加原有拉应力导致玻璃发生自爆。因此玻璃对其表面或内部的杂质和缺陷极为敏感。虽然钢化玻璃的强度和韧性都有所提高，但自爆是钢化玻璃的世界性难题。对于大面积使用钢化玻璃的玻璃幕墙来说，这些玻璃幕墙大多处在繁华地区或人口密集区域，每一块有风险的幕墙玻璃就像人们头顶上的利剑和炸弹，都有可能造成严重的问题。近几年，玻璃幕墙破裂事故频繁发生。例如：上海日报2006年8月2日报道，上海锦江国际购物中心外36层玻璃幕墙上一块玻璃突然坠落，溅落的玻璃碎片洒落到大楼门前约40平方米范围的人行道和马路上；2006年6月20日辽宁晚报报道，大连市一栋高楼20层的一块玻璃幕墙掉下，碎片砸伤16人；2006年6月，深圳发生一起玻璃幕墙坠落砸死小学男生的不幸事件，其母亲悲痛欲绝。因此，玻璃幕墙的破碎对人民生命财产安全造成重大伤害和损失。大多数玻璃幕墙的破碎都是与玻璃表面或内部的杂质和缺陷密切相关。如果存在杂质或缺陷的钢化玻璃在现场能够鉴别出来，则在其破碎之前就能更换掉它们，从而避免了事故的发生。
钢化玻璃的破碎一般可归咎于玻璃中所含的杂质和缺陷。杂质主要包含硫化镍(NiS)、单质硅(Si)或其它异质相颗粒(Journal of Material Sciences，16，151-158，1981，建筑玻璃与工业玻璃，11，10-14，2007)。缺陷主要包括气泡和孔洞以及外部粒子冲击或腐蚀造成的表面损伤等。钢化玻璃中裂纹的萌发和扩展主要是由于异质相颗粒引起的残余拉伸应力和玻璃在服役状态下本身的残余应力综合作用所导致的。导致这种局部应力集中的原因可以分为两类：一类是异质相颗粒(如硫化镍)在相变膨胀过程中所产生的应力；另一类是由于异质颗粒(如单质硅等)与玻璃基体的热膨胀系数不匹配而产生的热残余应力。可以看出，尽管杂质和缺陷的种类有所不同，但都与钢化玻璃中的应力分布有关。
将钢化玻璃放置在两片十字交叉的偏振片之间，就可以观察到玻璃中的应力条纹。在玻璃工业中，应用十字交叉的偏振光来研究玻璃中应力分布的技术，是人们所熟知的。常见的检测方法是将十字交叉的偏振光弹仪固定，移动钢化玻璃进行检测。这种技术一般需要额外的光源，能够检测的玻璃样品比较小，十字交叉的偏振光弹仪不能移动而需移动玻璃样品，一般适用于玻璃出厂时的检测，不适合在线检测大型的玻璃幕墙。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测钢化玻璃幕墙杂质和缺陷的方法，适用于对大型钢化玻璃幕墙和门窗的缺陷进行在线检测。
一种检测钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法，通过透射式光弹原理，利用自然光和暗箱检偏器设计，形成无能耗的光强差，获取幕墙玻璃的应力条纹图像，然后对应力条纹进行图像处理和分析，找出应力条纹中的奇异或突变点，包括应力集中点，对这些区域进一步放大分析，确定杂质或缺陷的类型、尺寸以及位置。
所述检测钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法，使用无能耗起偏器，将自然光作为起偏器的入射光源，利用经磨砂处理后的有机玻璃平板形成漫反射光源。
所述检测钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法，利用暗箱检偏器与自然光的光强差获得玻璃内部和表面的光弹应力斑。
所述检测钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法，按以下步骤进行：
1)将带有偏振片的有机玻璃平板悬挂放置在某一单元幕墙玻璃外侧，将经磨砂处理后的有机玻璃面朝外，而将贴有偏振片的一面朝向幕墙玻璃一侧；
2)将暗箱检偏器放置正对幕墙玻璃的待检区域，通过移动对玻璃幕墙进行分块扫描；
3)利用暗箱中的数码摄像设备记录下扫描图像数据，并传输到与之相连接的计算机；
4)计算机对获取的图像进行分析，确定应力分布状态，找出在应力分布图出现突变的奇异点；
5)计算机对奇异点进一步分析，确定玻璃幕墙中的杂质和缺陷的类型、尺寸及准确位置。
所述检测方法中，步骤5)中的奇异点为应力条纹图像中出现突变的区域，常见的是应力集中点。
所述数码摄像设备为分辨率等于或高于200万像素的相机。
所述暗箱的移动用手持式或采用自动装置将暗箱上下左右移动，所述自动装置为在室内紧挨幕墙玻璃设置两条铝型材导轨和一个支架，在计算机上设置控制装置与暗箱呼应，计算机遥控带有摄像设备和检偏器的暗箱在导轨上自由移动。
本发明另一目的是提供可以方便、简捷进行在线检测钢化玻璃幕墙中杂质和缺陷的装置。
本发明检测玻璃幕墙杂质和缺陷的装置，包括-透射式光弹仪系统、-图像记录与传输系统以及-应力分析系统；其中
所述透射式光弹仪系统包括一有机玻璃平板，其外表面经磨砂处理，另一面贴附一张或几张同方向的偏振片作为起偏片；透射式光弹仪系统还包括另一偏振片作为检偏片，该检偏片固定在一铝合金暗箱的前端面，位置和前述起偏片相平行并分置于待检测玻璃幕墙的两面，且起偏片和检偏片的偏振方向相互垂直；
所述图像记录与传输系统由高分辨率的数码摄像设备和数据传输导线组成，数码摄像设备固定在暗箱的后端底部；
所述应力分析系统为计算机以及装载于计算机中的图像数据库，数码摄像设备通过数据传输导线与计算机连接。
所述检测玻璃幕墙杂质和缺陷的装置，其中有机玻璃平板面积大于待检测玻璃幕墙的最大单元面积。暗箱其它各面均避光。
采用本发明的技术方案，解决了大型既有钢化玻璃幕墙中杂质和缺陷难以检测的问题，突出该检测装置以自然光作为入射光，不需要电源和灯管，而且不受现场测试地点电源插座限制的优点。对玻璃幕墙形态没有特定要求，节约了大量的能源和试验经费。
采用本发明的技术方案，可以实现在线检测出大型钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷，在初步确定了杂质和缺陷的类型后，可以进一步准确确定杂质和缺陷的尺寸以及位置。
本发明使用十字交叉的偏振光来研究玻璃中应力分布的这项技术应用于大型玻璃幕墙，同时采用自然光作为入射光，设计一套活动的检测装置，一方面可以节约能源，另一方面能检测出大型钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷，从而达到降低钢化玻璃炸裂的风险，对于保障人民生命财产安全都有着重要的意义。
附图说明
图1为本发明中检测钢化玻璃幕墙的杂质和缺陷的装置示意图。
图2为本发明中检测钢化玻璃幕墙的杂质和缺陷的操作流程图。
图3为现场检测的玻璃幕墙中含结石(a)和孔洞(b)的照片。
具体实施方式
本发明是应用透射的十字交叉偏振光来检测在役幕墙玻璃中的杂质和缺陷。本发明主要采用自然光作为入射光，通过对测得的应力条纹分布进行分析，确定幕墙玻璃中的杂质或缺陷的类型、尺寸和位置。
本发明中检测既有玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法，分为以下步骤：
1)将带有偏振片的大型有机玻璃平板悬挂放置在某一单元幕墙玻璃外侧，将经磨砂处理后的有机玻璃面朝外，而将贴有偏振片的一面朝向幕墙玻璃一侧；
2)手持或采用自动驱动装置将一装有检偏器的暗箱放置在正对幕墙玻璃的某处，对整个玻璃幕墙进行分块扫描；
3)利用装设在暗箱尾部的数码摄像机记录下扫描图像数据，并传输到与之相连接的计算机；
4)计算机对获取的图像与标准图像进行比较分析，确定应力分布状态，找出在应力分布图出现突变的奇异点；
5)计算机对奇异点进一步放大处理，与数据库中相关缺陷应力条纹图像比对后，确定玻璃幕墙中的杂质和缺陷的类型、尺寸及准确位置。
本发明主要是利用透射式光弹仪测试原理，通过现场观测并记录下玻璃幕墙的应力条纹分布状态，对采集应力条纹分布图像中的奇异点或突变点进行分析，判断出玻璃幕墙中的杂质或缺陷。检测过程可结合图2所示。
所述透射式光弹仪是利用自然光作为光源，检偏器和起偏器成十字交叉式的光弹仪。在本发明中，起偏器即为步骤1)中带有偏振片的大型有机玻璃平板，所述暗箱的前端面上装设另一偏振方向与起偏器垂直的偏振片形成检偏器，在固定起偏器之后，移动检偏器便可对整个玻璃幕墙进行扫描；
扫描过程中，利用装设在暗箱后端的数码摄像机记录扫描到的玻璃的应力条纹，并将扫描的图像传输到与之相连的计算机中。
计算机对传输的图像进行分析处理：首先，计算机对每次记录下的应力条纹图像与计算机图像数据库内存储的正常条纹图像进行对比，找出应力条纹分布图像中的奇异点或突变点，同时利用计算机对这些所谓的奇异点或突变点进一步放大处理，与计算机图像数据库内存储的各种形式和尺寸的缺陷或杂质图像进行比对，根据奇异点或突变点周围应力条纹图像的变化特点可以确定奇异点或突变点的类型(杂质型或缺陷型)、位置和尺寸。具体来说，在奇异点周围的应力条纹出现明显的花瓣状分布状态一般为结石，而出现比较对称的周向环型应力分布的一般为孔洞缺陷。
图像数据库中的图像，包括不具有任何缺陷和杂质的正常条纹图像(标准应力条纹)，还包括各种类型和尺寸的杂质或缺陷对应的图像(杂质和缺陷标准数据)。图像数据库的图像可用现有技术的偏振光弹仪采集，或者使用现有钢化玻璃出厂检测的标准图像。
本发明所提供的检测玻璃幕墙杂质和缺陷的装置，包括-透射式光弹仪系统、-图像记录与传输系统以及-应力分析系统。
如图1所示，本发明中所述透射式光弹仪系统包括一有机玻璃平板1，其外表面经磨砂处理，在有自然光的条件下，就构成一个漫反射光源。该有机玻璃平板面积需大于待检测玻璃幕墙3的最大单元面积。在有机玻璃平板1的另一面贴附一张或几张同方向的偏振片作为起偏片2，这样构成一个大面积均匀分布的偏振光源；透射式光弹仪系统还包括另一偏振片作为检偏片8，该检偏片8固定在一铝合金暗箱7的前端面，位置和前述起偏片2相平行并分置于待检测玻璃幕墙3的两面，且要求起偏片2和检偏片8的偏振方向相互垂直；暗箱7其它各面均避光。当自然光经磨砂处理后的有机玻璃平板1后的漫反射光源通过起偏片2后穿过玻璃幕墙3，则有一部分光到达检偏片8上，由此，在检偏片8上就可以观测到幕墙钢化玻璃的应力条纹。移动暗箱7可对整个玻璃幕墙进行扫描。
可用手持式或采用自动装置将暗箱7上下左右移动。自动装置可参照下述方法：设置两条铝型材导轨和一个支架，能够在室内紧挨幕墙玻璃，在计算机上设置控制装置，能够遥控带有摄像机和检偏器的暗箱在导轨上自由移动。
本发明中所述图像记录与传输系统主要由高分辨率的数码摄像机6和数据传输导线5组成。数码摄像机6固定在暗箱7的后端底部，其视野能够覆盖整个检偏片8的范围，并具有自动对焦调节功能。当暗箱7前端面的检偏片8在某一位置时，通过高分辨率的数码摄像机6拍摄此时的应力条纹图像，然后通过数据传输导线5传输到计算机4中等待处理，同时记录下此时拍摄所对应的位置。
所述应力分析系统为计算机4以及装载于计算机4中的图像数据库。通过计算机4将获取的应力条纹图像与图像数据库中的标准应力条纹进行比对，分析所得到的应力条纹图像，找出其中的奇异点或突变点(包含应力集中点)，等待做进一步分析。然后利用计算机对这些所谓的奇异点或突变点进一步放大处理，与图像数据库中杂质和缺陷标准数据进行比对，确定该奇异点或突变点的类型、位置和尺寸。
在具体实施中，检偏片8的大小决定了一次能测得的玻璃幕墙面积，在完成某一位置的检测分析之后，移动暗箱8进行下一次测量，直至完成整个玻璃幕墙的检测。
以下结合具体实施例详细说明本发明。实施例只为具体公开本发明钢化玻璃幕墙杂质和缺陷的检测方案，不作为对本发明其他实施方式的限制。
检测实例：
待检玻璃幕墙：中国建筑材料科学研究总院某栋玻璃幕墙，每块玻璃尺寸为1.8×2m2；
检测装置：磨砂有机玻璃平板尺寸2.0×2.2m2，起偏片10块，每块尺寸500×1000mm2；暗箱为头大尾小的喇叭形状，前端面固定的检偏片尺寸300×200mm2，数码摄像机型号MV-DC200，分辨率为200万像素，计算机为笔记本电脑，内装标准应力条纹、杂质和缺陷标准数据。
操作过程：和前述过程相同，将磨砂有机玻璃平板挂于待检玻璃外侧，将每块玻璃分为大约80个区域，在待检玻璃内侧每个区域中移动暗箱，对各区域进行逐一扫描与分析。
检测结果：发现具有杂质和缺陷的玻璃区域3个，其中2个为结石，1个为气泡孔洞。图3是现场检测的玻璃幕墙中含结石(a)和孔洞(b)的照片，其中图3(a)所示结石的尺寸约为400μm。图3(b)所示气泡孔洞的尺寸约为350μm。
通过以上说明可以归纳本发明具有如下特征：
1)在线检测玻璃幕墙的杂质和缺陷。应用透射式光弹仪原理的检测装置可以现场检测并测量玻璃幕墙的应力大小及分布，进而通过测得的应力状态判断所含杂质或缺陷的尺寸和位置。
2)实验装置简单，无需人员进行高空作业。只需将带有偏振片的大块有机玻璃放置在室外紧靠幕墙玻璃。而操作人员以及比较贵重的仪器设备均可在室内进行，降低了人员风险，也节约了测试成本。
3)本测试方法的核心是暗箱设计和利用自然光作为入射光，无需额外的辅助光源系统，达到无能耗测试的目的，节约了能源并避免了测试现场电源插座较困难的问题。
4)测试结果准确可靠。通过本检测方法和装置可以确定玻璃幕墙的杂质和缺陷的类型、大小和准确的位置。
本发明的技术思路，除了在线检测钢化玻璃幕墙的杂质和缺陷，也可应用于其它钢化玻璃产品中的杂质和缺陷的检测。
Claims (10)
1、一种检测钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法，其特征在于：通过透射式光弹原理，利用自然光和暗箱检偏器设计，形成无能耗的光强差，获取幕墙玻璃的应力条纹图像，然后对应力条纹进行图像处理和分析，找出应力条纹中的奇异或突变点，包括应力集中点，对这些区域进一步放大分析，确定杂质或缺陷的类型、尺寸以及位置。
2、如权利要求1所述检测钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法，其特征在于，使用无能耗起偏器，将自然光作为起偏器的入射光源，利用经磨砂处理后的有机玻璃平板形成漫反射光源。
3、如权利要求1或2所述检测钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法，其特征在于，利用暗箱检偏器与自然光的光强差获得玻璃内部和表面的光弹应力斑。
4、如权利要求1所述检测钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法，其特征在于：按以下步骤进行：
1)将带有偏振片的有机玻璃平板悬挂放置在某一单元幕墙玻璃外侧，将经磨砂处理后的有机玻璃面朝外，而将贴有偏振片的一面朝向幕墙玻璃一侧；
2)将暗箱检偏器放置正对幕墙玻璃的待检区域，通过移动对玻璃幕墙进行分块扫描；
3)利用暗箱中的数码摄像设备记录下扫描图像数据，并传输到与之相连接的计算机；
4)计算机对获取的图像进行分析，确定应力分布状态，找出在应力分布图出现突变的奇异点；
5)计算机对奇异点进一步分析，确定玻璃幕墙中的杂质和缺陷的类型、尺寸及准确位置。
5、如权利4要求所述检测方法，其特征在于：所述步骤5)中的奇异点为应力条纹图像中出现突变的区域，常见的是应力集中点。
6、如权利要求4所述检测钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法，其特征在于：所述数码摄像设备为分辨率等于或高于200万像素的相机。
7、如权利4要求所述检测钢化玻璃幕墙中的杂质和缺陷的方法，其特征在于：所述暗箱的移动用手持式或采用自动装置将暗箱上下左右移动，所述自动装置为在室内紧挨幕墙玻璃设置两条铝型材导轨和一个支架，在计算机上设置控制装置与暗箱呼应，计算机遥控带有摄像设备和检偏器的暗箱在导轨上自由移动。
8、一种检测玻璃幕墙杂质和缺陷的装置，其特征在于，包括-透射式光弹仪系统、-图像记录与传输系统以及-应力分析系统；其中
所述透射式光弹仪系统包括一有机玻璃平板，其外表面经磨砂处理，另一面贴附一张或几张同方向的偏振片作为起偏片；透射式光弹仪系统还包括另一偏振片作为检偏片，该检偏片固定在一铝合金暗箱的前端面，位置和前述起偏片相平行并分置于待检测玻璃幕墙的两面，且起偏片和检偏片的偏振方向相互垂直；
所述图像记录与传输系统由高分辨率的数码摄像设备和数据传输导线组成，数码摄像设备固定在暗箱的后端底部；
所述应力分析系统为计算机以及装载于计算机中的图像数据库，数码摄像设备通过数据传输导线与计算机连接。
9、根据权利要求8所述检测玻璃幕墙杂质和缺陷的装置，其特征在于，所述有机玻璃平板面积大于待检测玻璃幕墙的最大单元面积。
10、根据权利要求8所述检测玻璃幕墙杂质和缺陷的装置，其特征在于，暗箱其它各面均避光。
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