DE19511707B4 - Method for determining stresses in transparent materials - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Bestimmung von Spannungen in transparenten Materialien, insbesondere
in Glas, wobei polarisiertes Licht durch das Material geschickt
wird und der austretende Lichtstrahl derart analysiert wird, daß eine durch
Doppelbrechung aufgrund von Spannungen im Material eingetretene Änderung
des Polarisationszustandes des Lichtstrahls gemessen wird, dadurch
gekennzeichnet,
– daß zirkular
polarisiertes Licht durch das Material geschickt wird,
– daß gleichzeitig
und unabhängig
voneinander die Intensität
des durch das Material hindurchgetretenen Lichts in zwei zueinander
senkrechten Polarisationskomponenten Ip, Is gemessen
wird und
– daß aus den
Polarisationskomponenten Ip, Is der
Quotient K berechnet wird aus wobei Δ die Summe der Phasenverschiebung
auf Grund der Zirkularpolarisierung und der Phasenverschiebung δb durch
das verspannte transparente Material ist: Method for determining stresses in transparent materials, in particular in glass, wherein polarized light is passed through the material and the exiting light beam is analyzed such that a change in the polarization state of the light beam due to birefringence due to stresses in the material is measured, characterized
That circularly polarized light is transmitted through the material,
- That simultaneously and independently of each other, the intensity of the light passed through the material light in two mutually perpendicular polarization components Ip, I s is measured and
- That from the polarization components I p , I s, the quotient K is calculated from where Δ is the sum of the phase shift due to the circular polarization and the phase shift δ b through the strained transparent material:
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Spannungen in transparenten Materialien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for determining stresses in transparent materials according to the preamble of claim 1.
Aus
der
Nachteilig an dieser Meßmethode ist u.a., daß permanent rotierende Polarisatoren verwendet werden, die gerade bei Messungen in einer Fertigungsstraße von Glasbändern mit deren hohen Temperaturen und hohem Verschmutzungsgrad leicht zu Störungen führen können.adversely at this measuring method is, inter alia, that permanent rotating polarizers are used, which are just measurements in a production line of glass ribbons with their high temperatures and high degree of contamination easily to disturbances to lead can.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von Spannungen in transparenten Materialien, insbesondere in Glas, anzugeben, mit dem ohne rotierende Elemente und mit einer Empfindlichkeit unabhängig von störenden äußeren Einflüssen, wie Helligkeitsänderungen der Lichtquelle und dem Transmissionsgrad des transparenten Materials, gemessen werden kann.Of the Invention is based on the object, a method for determining of stresses in transparent materials, especially in glass, specify with no rotating elements and with a sensitivity independently from disturbing external influences, such as changes in brightness the light source and the transmittance of the transparent material, can be measured.
Unter transparenten Materialien wird Glas, Klarsichtfolie oder Kunststoff wie Plexiglas etc. verstanden, d.h. hindurchtretendes Licht nicht diffus machende durchsichtige Materialien.Under transparent materials is glass, plastic wrap or plastic as plexiglass, etc., i. not passing light diffusing transparent materials.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zirkular polarisiertes Licht durch das Material geschickt wird und daß gleichzeitig und unabhängig voneinander die Intensität des durch das Material hindurchgetretenen Lichts in zwei zueinander senkrechten Polarisationskomponenten Ip, Is gemessen wird.According to the invention this object is achieved in that circularly polarized light is passed through the material and that simultaneously and independently of each other, the intensity of the light transmitted through the material in two mutually perpendicular polarization components Ip, I s is measured.
Der Quotient K wird aus den Polarisationskomponenten Ip, Is berechnet: The quotient K is calculated from the polarization components I p , I s :
Eine
vorteilhafte Ausführungsform
zeichnet sich dadurch aus, dass daraus der Gangunterschied δ aus der
Doppelbrechung berechnet wird zu wobei λ = Wellenlänge der Lichtquelle,
dass
die Materialdicke d des transparenten Materials mittels an sich
bekannter Meßverfahren
ermittelt wird und
dass die Materialspannung A a berechnet
wird aus der Beziehung
that the material thickness d of the transparent material is determined by means of measuring methods known per se, and
that the material tension A a is calculated from the relationship
Ein Kernpunkt der Erfindung ist, daß zirkular polarisiertes Licht durch das Material geschickt wird und gleichzeitig und unabhängig voneinander die Intensität des durch das Material hindurchgetretenen Lichts in zwei zueinander senkrechten Polarisationskomponenten gemessen wird. Verspanntes Glas verändert durch seine Doppelbrechung den Polarisationsgrad des durch das Glas dringenden zirkular-polarisierten Lichts. Hierdurch tritt entweder eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung des Gangunterschiedes δ zwischen den beiden senkrecht zueinander schwingenden Polarisationskomponenten des Lichts auf, je nach Größe und Vorzeichen der Glasspannung. Es wird demnach ein elliptisch polarisiertes Licht das Glas verlassen. Es wird im folgenden für den Begriff "transparentes Material" oft die Bezeichnung Glas verwendet. Wie oben erwähnt, können jedoch außer Glas auch andere Materialien verwendet werden.One The essence of the invention is that circularly polarized Light is sent through the material and simultaneously and independently the intensity of the light which has passed through the material into two mutually vertical polarization components is measured. strained Glass changed by its birefringence the degree of polarization of the glass urgent circular-polarized light. This occurs either an enlargement or a reduction of the path difference δ between the two vertically mutually oscillating polarization components of the light, depending on size and sign the glass tension. It is therefore an elliptically polarized light leave the glass. It is often referred to below for the term "transparent material" Glass used. As mentioned above, can but except Glass also other materials are used.
Die Lichtintensität der Polarisationskomponenten ist eine direkte Funktion des Gangunterschiedes und der Helligkeit der Lichtquelle. Die Lichtintensität wird jedoch durch die Glasfarbe, Glasdicke, Verschmutzung optischer Komponenten im Lichtweg und die Alterung der Lichtquelle beeinflußt. Um diesen Effekt zu beseitigen, wird daher der oben erwähnte Quotient K berechnet, der eine von der Lichtintensität unabhängige Größe darstellt. Dies bedeutet, daß oben erwähnte Effekte keinen Einfluß auf die Messung haben. Der Wertebereich des Quotienten K liegt dabei zwischen –1 und +1.The Light intensity The polarization component is a direct function of the path difference and the brightness of the light source. The light intensity will however through the glass color, glass thickness, contamination of optical components in the light path and the aging of the light source affected. To this To eliminate the effect, therefore, the above-mentioned quotient K is calculated, the one of the light intensity independent Size represents. This means that above mentioned Effects have no effect on the Have measurement. The range of values of the quotient K lies between -1 and +1.
Die Berechnung des Gangunterschiedes δ erfolgt nach der Bestimmung des Quotienten K einfach durch die obige Gleichung. Erforderlich ist lediglich noch die Kenntnis der Wellenlänge λ der Lichtquelle. Vorteilhafterweise wird ein Laser verwendet.The calculation of the path difference δ is made after the determination of the quotient K simply by the above equation. The only requirement is the knowledge of the wavelength λ of the light source. Advantageously, a laser is used.
Mit
der Kenntnis der Materialdicke d am Meßort der Spannungsmessung ergibt
sich die Spannung einfach aus der Beziehung
Bei Glasbändern sind produktionsbedingt die für die Messung interessanten Hauptspannungsrichtungen σ2 und σ1 in Glaslaufrichtung und quer zur Glaslaufrichtung (= Querrichtung). Die zueinander senkrecht orientierten Polarisationskomponenten Ip und Is sind nun wiederum bezüglich des Glasbandes so orientiert, daß ihre Winkelhalbierende mit der Glaslaufrichtung übereinstimmt.In the case of glass bands, the principal stress directions σ 2 and σ 1, which are of interest for the measurement, are in the direction of glass run and transverse to the direction of glass run (= transverse direction). The mutually perpendicular polarization components I p and I s are now in turn with respect to the glass ribbon oriented so that their bisector coincides with the glass direction.
Zweckmäßigerweise besteht der Transmitter aus einem Laser als Lichtquelle, einer Blende und einem Polarisationsfilter mit nachgeschalteter Lambda/4-Platte. Der Transmitter erzeugt so zirkular polarisiertes Licht, welches dann durch das Glas hindurchgeschickt wird.Conveniently, the transmitter consists of a laser as a light source, a diaphragm and a polarizer with a downstream lambda / 4 plate. The transmitter thus generates circularly polarized light which then sent through the glass.
Der Receiver besteht u.a. aus zwei Polarisatoren, bevorzugt aus zwei Brewsterplatten, die jeweils zueinander gekreuzt sind und in einem Winkel von 45° zur Glaslaufrichtung angeordnet sind. Mit diesen Brewsterplatten werden somit die beiden senkrecht zueinander stehenden Polarisationskomponenten Ip, Is sauber getrennt.The receiver consists inter alia of two polarizers, preferably two Brewster plates, which are each crossed to each other and are arranged at an angle of 45 ° to the glass direction. With these Brewster plates thus the two mutually perpendicular polarization components I p , I s are cleanly separated.
Die Intensität der zwei zueinander senkrecht stehenden Polarisationskomponenten werden erfindungsgemäß mittels PIN-Dioden mit nachgeschaltetem Lock-In Verstärker gemessen.The intensity the two mutually perpendicular polarization components are inventively means PIN diodes with downstream lock-in amplifier measured.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren, die nachfolgend eingehend beschrieben werden. Es zeigt:Further Features of the invention will become apparent from the figures below be described in detail. It shows:
Oberhalb
des Glasbandes
Da
zur Bestimmung der Spannung auch die Messung der Dicke der Glasbahn
Die
Bestimmung der momentanen Glasspannung, auch "Wärmespannung" Δσwarm bezeichnet,
erfolgt dann nach dem weiter oben beschriebenen Verfahren. Dieser
Wert der Glasspannung gilt jedoch nur für den Meßort und für die momentane Temperatur
der Glasbahn zum Zeitpunkt der Messung. Für die Berechnung der Permanentspannung
wird folgende bekannte Gleichung verwendet:
Hierbei ist Δσk die permanente Glasspannung und ΔσW, die Warmspannung aus der Messung, T(x) die Temperatur am Meßort. Tm ist die mittlere Glastemperatur gemittelt über die Glasbreite am Meßort und F eine Konstante, die elastische Eigenschaften für die bestimmte Glassorte beschreibt. Für diese Konstante wird bei Float-Glas bevorzugt der Wert F = 0,63 N/mm2K benutzt.Here, Δσ k is the permanent glass tension and Δσ W , the warm voltage from the measurement, T (x) the temperature at the measurement location. T m the mean glass transition temperature is averaged over the glass width at the measurement site and F is a constant that describes the elastic properties for the particular type of glass. For this constant, the value F = 0.63 N / mm 2 K is preferably used for float glass.
Da
der Wertebereich für
den Quotienten K zwischen –1
und +1 liegt, ergibt sich der maximale Meßbereich für den Gangunterschied δ zu
Der verwendete Dioden-Laser hat eine Wellenlänge von 688 mm, wodurch der Meßbereich für den Gangunterschied zwischen –172 nm und +172 nm liegt. Bei einer mittleren Glasdicke von 5 mm entspricht dies einer Glasspannung Δσ zwischen –12,08 N/mm2 und +12,08 N/mm2. Die Meßergebnisse sind dabei nicht von den absoluten Intensitätswerten der Polarisationskomponenten abhängig.The diode laser used has a wavelength of 688 mm, whereby the range for the path difference between -172 nm and +172 nm. With a mean glass thickness of 5 mm, this corresponds to a glass tension Δσ between -12.08 N / mm 2 and + 12.08 N / mm 2 . The measurement results are not dependent on the absolute intensity values of the polarization components.
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