ES2211004T3 - Medicion de las tensiones de forma en un material transparente, tal como un acristalamiento. - Google Patents
Medicion de las tensiones de forma en un material transparente, tal como un acristalamiento.Info
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Abstract
EL DISPOSITIVO PARA LA MEDICION DE LAS TENSIONES DE FORMA COMPRENDE UN DISPOSITIVO EMISOR DE LUZ DISPUESTO POR UN LADO DEL MATERIAL TRANSPARENTE (40) Y QUE COMPRENDE UNA FUENTE DE LUZ MONOCROMATICA (42), UN POLARIZADOR FIJO (44) Y UN MODULADOR FOTOELASTICO (46), QUE PROPORCIONA DOS FRECUENCIAS DE REFERENCIA F 0 Y 2F 0 , UNA BANDA DE DIFUSION (60) COLOCADA AL OTRO LADO DEL MATERIAL TRANSPARENTE, MEDIOS DE DESPLAZAMIENTO DEL HAZ LUMINOSOS EMITIDOS (62) EN TODA LA LONGITUD DE LA BANDA DE DIFUSION Y UN DISPOSITIVO RECEPTOR DE LA LUZ DIFUNDIDA 864) QUE SE ENCUENTRA DEL MISMO LADO QUE EL DISPOSITIVO EMISOR RESPECTO AL MATERIAL TRANSPARENTE Y QUE COMPRENDE UN ANALIZADOR (48), UN FOTODIODO DE AVALANCHA (50), DOS AMPLIFICADORES CON DETECCION SINCRONO (54, 56) QUE TIENE COMO REFERENCIAS LAS DOS FRECUENCIAS QUE SON PROPORIONADAS POR EL MODULADOR Y UN BANCO DE ADQUISICION (58) QUE PERMITE DETERMINAR EL DESFASE DE LA SEÑAL ELECTRICA RECOGIDA A LA SALIDA DEL FOTODIODO, CUANDO SE EJERCEN UNAS TENSIONES RESPECTO AL CASO EN QUE NO SE EJERCEN TENSIONES.
Description
Medición de las tensiones de forma en un material
transparente, tal como un acristalamiento.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a un dispositivo para la medición de tensiones de
forma en el seno de un material transparente, tal como un
acristalamiento. Tales tensiones pueden aparecer, especialmente, en
una cinta de vidrio ondulado que sale al final de la línea de
producción. El control imperfecto de las tensiones de forma es la
causa principal de las roturas de vidrio en la línea de vidrio
ondulado. La medición del perfil de las tensiones permite
controlarlas mejor y mejorar la productividad.
Se conoce, igualmente, crear en la zona
periférica de algunos acristalamientos, tales como los
acristalamientos de automóviles, un cierto estado de pretensión a
fin de conferir una mayor resistencia a esta zona, que es,
generalmente, frágil.
Se conoce en la técnica un dispositivo de
medición de las tensiones en un acristalamiento, que es conocido con
el nombre de dispositivo de Sharples. Este dispositivo comprende una
fuente de luz que emite un haz de luz, que atraviesa, sucesivamente,
un polarizador rotatorio, el acristalamiento, una lámina de cuarto
de onda, un analizador y un fotodiodo.
Si el material transparente está sometido a
tensiones locales, su índice de refracción se modifica de manera
anisótropa, lo que tiene el efecto de crear una birrefringencia
local en el material. La birrefringencia tiene el efecto de
desfasar las diferentes componentes de polarización de la luz que
atraviesa el material.
Por la teoría de la fotoelasticidad, se demuestra
que la tensión \sigma existente en un punto del acristalamiento
viene dada por la fórmula:
(1)\sigma=\frac{\lambda}{2\pi
C_{0}E}\Psi
donde
\lambda es la longitud de onda de la luz
E es el espesor del acristalamiento,
C_{0} es la constante de fotoelasticidad del
acristalamiento,
y \Psi es el desfasaje introducido por la
birrefringencia en razón de la existencia de una tensión.
Se mide \Psi haciendo girar el analizador hasta
que la intensidad luminosa observada a su salida sea nula. En este
momento, se observa una banda negra en el lugar del acristalamiento
en el que se mide el desfasaje.
El aparato de Sharples es poco fiable porque las
mediciones que permite efectuar integran un factor humano no
despreciable y procedimientos diferentes según el usuario. La
visualización de la línea negra depende, en efecto, de la visión de
cada uno. Se ha observado, así, que con el aparato de Sharples,
existe una gran dispersión de las mediciones, que puede ser del
orden de 2 MPa para un valor de tensión del orden de 5 MPa.
Por la patente nº 2 563 337 que pertenece a la
misma Solicitante, se conoce otro dispositivo de medición de la
tensión que remedia parcialmente los inconvenientes del dispositivo
de Sharples. Este dispositivo, que está ilustrado en la figura 1
aneja, comprende un dispositivo emisor de luz 10 y un dispositivo
receptor de luz 12 dispuestos, respectivamente, por encima y por
debajo de un material transparente, por ejemplo, una cinta de vidrio
14 que sale al final de la línea de producción. La cinta de vidrio
se supone que pasa en la dirección perpendicular al plano de la
hoja. El dispositivo emisor comprende una fuente de luz 16, un
filtro interferencial 18 para filtrar el haz y dejar pasar un haz
monocromático de longitud de onda \lambda predeterminada, un
sistema óptico 20 que sirve para colimar el haz monocromático, un
polarizador giratorio 22 arrastrado por un motor 24 por intermedio
de una rueda dentada 26 y una lámina de cuarto de onda 28 orientada
a 45º con el eje longitudinal de la cinta de vidrio.
El dispositivo receptor 12 comprende un
analizador 30 orientado a 45º con el eje longitudinal de la cinta de
vidrio, un filtro interferencial seguido por un fotodiodo 32 y un
amplificador 34.
Un pirómetro 36 está instalado en la proximidad
del dispositivo receptor 12 para medir el perfil transversal de
temperatura del vidrio. Las salidas del fotodiodo y del pirómetro
están unidas a un microprocesador 38.
El desfasaje \Psi es medido por un codificador
óptico y es memorizado en el microprocesador. Por tanto, a partir de
la fórmula (1) puede calcularse la tensión \sigma en cualquier
punto de la cinta de vidrio.
El dispositivo emisor 10 y el dispositivo
receptor 12 están montados en dos pórticos, que se encuentran,
respectivamente, por encima y por debajo de la cinta de vidrio y se
desplazan con un movimiento en vaivén en estos pórticos, a lo largo
de carriles de guiado orientados en el sentido transversal de la
cinta de vidrio. El movimiento de los dos dispositivos debe ser
síncrono de manera que su eje óptico esté siempre en alineación uno
con otro.
El dispositivo de acuerdo con la citada patente
permite medir correctamente las tensiones, pero presenta varios
inconvenientes
- -
- es de un coste elevado en razón de la utilización de dos pórticos que deben ser arrastrados de modo síncrono,
- -
- el arrastre en rotación del sistema óptico formado por el polarizador y por el codificador se efectúa por transmisiones mecánicas relativamente complicadas que necesitan un entretenimiento permanente,
- -
- la frecuencia de la señal, que es del orden de algunos hertzios, es demasiado pequeña para que pueda efectuarse una medición precisa del desfasaje \Psi, porque, a esta frecuencia, la intensidad luminosa fluctúa con las menores perturbaciones, tales como el polvo, las inclusiones o las irregularidades de las capas depositadas sobre el vidrio.
La presente invención pretende poner remedio a
estos inconvenientes, proponiendo un procedimiento y un dispositivo
de medición de las tensiones que sean eficaces y que permitan
simplificar la mecánica de traslación de las cajas, incluso
eliminarla completamente, de manera que disminuya su coste.
Ésta se refiere, igualmente, a un procedimiento y
a un dispositivo de medición de las tensiones, que sean insensibles
a las fluctuaciones de la intensidad debidas al polvo, a las
inclusiones en el vidrio y a las irregularidades de las capas
depositadas sobre el vidrio.
Ésta se refiere, también a un procedimiento y a
un dispositivo de medición de tensiones, que permitan efectuar
mediciones correctas, incluso si la señal es pequeña con relación
al ruido.
Antes de exponer la invención, se explicará, en
primer lugar, el principio en que ésta se basa.
Sea un medio birrefringente sometido a una
tensión y colocado entre un polarizador y un analizador. Se sabe que
éste introduce un desfasaje \Psi_{0} y que la intensidad
luminosa I medida a la salida del analizador es máxima si el
polarizador y el analizador están cruzados y están a 45º con
respecto a los ejes propios del medio birrefringente. Esta
intensidad viene dada por la fórmula:
I = \frac{I_{0}}{2}(1+C \
cos \ \Psi
_{0})
donde C es el contraste e I_{0} es la
intensidad luminosa en
transmisión.
El desfasaje \Psi_{0} puede ser la suma de
varios desfasajes introducidos por diferentes componentes ópticos,
si uno de los componentes es un modulador, por ejemplo del tipo
fotoelástico, cuyos ejes propios están confundidos con los de la
cinta de vidrio, se tendrá
\Psi _{0}=\Psi +\Psi
_{m}
donde
\Psi es el desfasaje que hay que medir de la
cinta de vidrio
\Psi_{m} es el desfasaje introducido por el
modulador.
Designando por f_{0} la frecuencia de
excitación del modulador, se tiene \Psi_{m} = A_{0} cos
(2\pif_{0}t).
La intensidad medida es, entonces:
I=\frac{I_{0}}{2}{\{1+C \
cos[\Psi +A_{0}\cdot cos(2\pi
f_{0}t)]}}
De la expresión precedente, se obtiene:
\frac{2I}{I_{0}}-1=C\cdot
cos \ \Psi \ cos[A_{0} \ cos(2\pi
f_{0}t)]-C\cdot sen \ \Psi \ sen[A_{0} \
cos(2\pi
f_{0}t)]
Las amplitudes de los componentes de I a las
frecuencias f_{0} y 2f_{0} vienen dadas, respectivamente,
por:
B(f_{0})= - \
CI_{0}J_{1}(A_{0}) \cdot sen \ \Psi B(2f_{0})= - \
CI_{0}J_{2}(A_{0}) \cdot cos \
\Psi
donde los J_{N} son funciones de Bessel de
orden
N.
Pero estas dos componentes no permiten calcular
el desfasaje \Psi, porque, habida cuenta de las condiciones reales
de medición, el contraste C es igual a un valor desconocido
inferior al 100%. Asimismo, I_{0} es desconocido, dado que la
absorción del vidrio varía de una composición a otra, y que el
polvo, las inclusiones en el vidrio y las irregularidades de
superficie provocan una variación rápida de I_{0}.
Estas dificultades se solventan, calculando la
relación:
\frac{B(f_{0})}{B(2f_{0})}=\frac{J_{1}(A_{0})}{J_{2}(A_{0})}\cdot
tg\Psi
de donde se
obtiene:
(2)\Psi=Arctg\frac{J_{2}(A_{0})}{J_{1}(A_{0})}\cdot
\frac{B(f_{0})}{B(2f_{0})}
Así, el conocimiento de las dos componentes en
f_{0} y en 2f_{0} de la señal permite deducir el valor del
desfasaje \Psi y, por tanto, de la tensión \sigma. Este
razonamiento es, naturalmente, válido para cualquier componente
2n.f_{0} y (2n + 1).f_{0}, cambiando esto solamente el valor de
los coeficientes de Bessel en la relación final.
El principio que acaba de exponerse es muy
general y se aplica, tanto en transmisión, como en reflexión.
La invención utiliza este principio con miras a
simplificar la mecánica de traslación del dispositivo y a mejorar la
calidad de las mediciones.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la medición de tensiones de acuerdo con la
reivindicación 12.
El procedimiento de acuerdo con la invención no
puede aplicarse a un material transparente que a su vez está animado
de un movimiento. Este es el caso, por ejemplo, en la cinta de
vidrio ondulado que sale de una línea de producción de vidrio. Puede
explorarse, entonces, toda la superficie del material dando al haz
luminoso, un movimiento oscilante de amplitud, al menos, igual a la
dimensión del material que es perpendicular a su dirección de
desplazamiento.
De acuerdo con una variante del procedimiento de
la invención, la luz que ha atravesado el material transparente es
reenviada con la ayuda de una banda difusora y/o reflectante
dispuesta en el otro lado del material transparente con respecto al
dispositivo emisor de luz y el dispositivo receptor de luz está
colocado en el mismo lado que el dispositivo emisor de luz para
recibir la citada luz reenviada.
Ventajosamente, el dispositivo emisor de luz y el
dispositivo receptor de luz pueden hacerse, entonces, solidarios uno
de otro, ser dispuestos en un punto fijo y ser animados de
movimientos oscilantes. Gracias a esta realización, el dispositivo
de medición no comprende ningún pórtico para soportar los
dispositivos de emisión y de recepción.
El procedimiento de la invención puede aplicarse,
igualmente, a un material transparente revestido en una de sus caras
por una capa opaca, como es el caso de los acristalamientos de
automóvil que están recubiertos en su periferia con una capa de
esmalte de color oscuro. El haz luminoso que emerge del dispositivo
emisor penetra en el material transparente por la cara que es
opuesta a la revestida por la capa opaca. Al llegar a ésta, la luz
es difundida en todas las direcciones, atravesando una parte de la
luz difundida la capa opaca y siendo reflejada una parte. El
dispositivo receptor de luz puede estar dispuesto, en el lado de la
capa opaca de manera que reciba la luz difundida transmitida a
través del material transparente, o en el lado opuesto a la capa
opaca de manera que reciba la luz reflejada por ésta.
La invención se refiere, igualmente, a un
dispositivo de medición de las tensiones de acuerdo con la
reivindicación 12.
El dispositivo de acuerdo con la invención no
presenta ninguno de los inconvenientes de los dispositivos de la
técnica anterior. En particular, el dispositivo es de una gran
simplicidad de construcción debido a que no comprende pórtico.
Además, la utilización del modulador fotoelástico
permite mantener fijo el polarizador. Se obtiene, así, una
simplificación del sistema mecánico.
Además, el dispositivo de acuerdo con la
invención es fácil de regular. Aunque la intensidad luminosa máxima
pueda obtenerse solamente cruzando el polarizador y el analizador y
colocándolos a 45º con respecto a los ejes propios del material
transparente, esta condición no es obligatoria en el caso de la
invención. Dicho de otro modo, el contraste C no debe ser
forzosamente igual al 100%, puesto que, como se ha explicado
anteriormente, la relación B(f_{0})/B(2 f_{0}) no
depende del contraste.
Por la misma razón, el dispositivo es insensible
a los problemas de fluctuación de la intensidad luminosa I_{0}
causados por el polvo, las inclusiones y la irregularidad de las
capas. Además, con la frecuencia de la modulación relativamente
elevada, que es de 50 kHz, la velocidad de medición es de tal modo
rápida que, durante la medición, la variación de la intensidad
luminosa I_{0} es despreciable.
Aunque un difusor despolariza parcialmente la luz
y, por consiguiente, el contraste se hace todavía menor de modo
desconocido, la medición es siempre fiable por la misma razón que
anteriormente.
Otra ventaja reside en el hecho de que el empleo
de la detección síncrona para medir las amplitudes de la intensidad
luminosa en f_{0} y 2f_{0} hace el dispositivo muy robusto
frente al ruido. Éste permite efectuar mediciones correctas,
incluso si la señal es pequeña con respecto al ruido.
Finalmente, el procedimiento y el dispositivo de
acuerdo con la invención permiten trazar el perfil de las tensiones
en toda la anchura del material transparente.
La invención se comprenderá mejor con la lectura
de la descripción que sigue, hecha en relación con los dibujos
anejos, en los cuales:
la figura 1 es una vista esquemática de un
dispositivo de medición de las tensiones de acuerdo con la técnica
anterior;
la figura 2 es una vista esquemática de un
dispositivo de medición de tensiones montado en transmisión y basado
en el principio de la invención, estando constituido el material
transparente por un patrón;
la figura 3 es una vista esquemática en corte de
un modulador fotoelástico;
la figura 4 representa el ciclo de modulación del
modulador fotoelástico;
la figura 5 muestra un perfil de tensión obtenido
con el dispositivo de la figura 2 en un patrón de material
transparente;
la figura 6 es una vista esquemática de un
dispositivo de medición de tensiones montado en difusión de acuerdo
con un primer modo de realización de la invención, utilizando un
solo pórtico;
la figura 7 muestra un perfil de tensión obtenido
con el dispositivo de la figura 6 en un patrón de material
transparente;
la figura 8 es una vista esquemática de un
dispositivo de medición de tensiones montado, igualmente, en
difusión, pero no utilizando ningún pórtico;
las figuras 9, 10 y 11 muestran, respectivamente,
curvas de tensiones obtenidas con los dispositivos de las figuras 1,
6 y 8 en una cinta de vidrio ondulado;
la figura 12 muestra la curva teórica de
variación de la tensión en la zona periférica de un acristalamiento
recubierto por una capa opaca, en función de la distancia al borde
del acristalamiento;
la figura 13 representa un dispositivo de
medición de las tensiones en la citada zona, efectuándose las
mediciones en transmisión-difusión;
la figura 14 muestra la curva de variación del
desfasaje en función de la posición en la zona que hay que medir
del acristalamiento, obtenida con el dispositivo de la figura
13;
la figura 15 representa la misma curva pero
corregida para eliminar el salto de desfasaje;
la figura 16 representa el perfil de tensión
deducido de la curva de la figura 15;
la figura 17 representa otro modo de realización
de un dispositivo de medición de tensión en la citada zona, en el
cual las mediciones son efectuadas en
reflexión-difusión;
las figuras 18 y 19 son curvas de variación del
desfasaje, análogas, respectivamente, a las figuras 14 y 15 y
obtenidas con el dispositivo de la figura 17;
la figura 20 representa el perfil de tensión
deducido de la curva de la figura 19;
la figura 21 muestra las dos curvas de las
figuras 16 y 20 superpuestas, y
la figura 22 muestra una variante de realización
de acristalamiento al que puede aplicarse el procedimiento de la
invención, siendo el acristalamiento en hojas y comprendiendo una
capa opaca comprendida entre dos de sus capas constitutivas.
La descripción que sigue se efectuará en el caso
particular de una cinta de vidrio ondulado que sale de una línea de
producción, pero se aplica, igualmente, a cualquier material
transparente.
Habiéndose descrito ya la figura 1, se pasará
directamente a la descripción de la figura 2, que representa un
dispositivo de medición de las tensiones por transmisión que
incorpora un modulador fotoelástico y un dispositivo de detección
síncrona y que va a servir para validar el procedimiento de medición
de las tensiones por difusión de la invención.
El principio de validación es el siguiente: en
lugar de la cinta de vidrio, se utilizan patrones de vidrio
pretensados 40 cuyos perfiles de tensión son perfectamente
conocidos. Estos patrones se obtienen a partir de volúmenes de
vidrio que son recocidos a fin de obtener un perfil de tensión
similar al de la cinta de vidrio que sale al final de la línea de
producción.
Cada uno de estos patrones se insertan de uno en
uno en el dispositivo de medición de la figura 2. Este dispositivo
permite determinar experimentalmente el perfil de tensión de cada
uno de los patrones. Si el perfil obtenido por la medición es el
mismo que el perfil conocido del patrón, podrá concluirse que el
procedimiento de la invención está validado.
En la figura 2 se ha representado un sistema de
coordenadas Oxyz, cuyos ejes Ox, Oy y Oz son, respectivamente,
paralelos a las direcciones longitudinal, transversal y normal al
plano del patrón 40.
El dispositivo de la figura 2 comprende una
fuente de luz monocromática 42, por ejemplo un láser
helio-neón de 2 mW (\lambda = 632,8 nm). La luz
atraviesa sucesivamente un polarizador 44 orientado a 45º con el eje
Oy, un modulador fotoelástico 46 que está orientado de modo que sus
ejes están confundidos con los ejes Ox y Oy, el patrón de vidrio 40
de perfil de tensiones conocido, siendo la dirección de tensión
paralela al eje Oy, un analizador 48 orientado a -45º con el eje Oy
y un fotodiodo 50 que convierte la luz en una señal eléctrica.
Se recordará brevemente la estructura y el
funcionamiento de un modulador fotoelástico refiriéndose a las
figuras 3 y 4.
El modulador fotoelástico 46 está constituido por
una barra de material transparente 70, por ejemplo de sílice, uno de
cuyos extremos está pegado a un cristal piezoeléctrico 72 y cuyo
otro extremo está apoyado en un tope mecánico 63.
El modulador es un aparato resonante que produce
una birrefringencia oscilante a una frecuencia fija. En el caso
presente, la frecuencia es de 50 kHz.
El cristal piezoeléctrico es excitado a la
frecuencia de resonancia de la barra transparente 70 y es gobernado
por un circuito electrónico que controla la amplitud de las
oscilaciones. La amplitud de las oscilaciones es la que determina
el ciclo de modulación del estado de polarización de la luz que
emerge del modulador. En lo que sigue se trabajará con una amplitud
de A_{0} = \pi.
La figura 4 representa la variación de la
amplitud de vibración con el tiempo para un estado de polarización
de 45º del modulador.
Volviendo a la figura 2, la señal que sale del
fotodiodo es enviada a un dispositivo de detección síncrona 52 que
comprende dos amplificadores de detección síncrona 54, 56 cuyas
referencias son facilitadas por el modulador fotoelástico 46. Estas
referencias pueden ser elegidas iguales a f_{0} y a 2f_{0}, por
ejemplo 50 kHz y 100 kHz. A la salida de los amplificadores 54, 56
se recuperan dos señales analógicas B(\omega_{0}) y
B(2\omega_{0}) correspondientes a las componentes
espectrales en f_{0} (50 kHz) y 2f_{0}(100 kHz) de la
señal medida por el fotodiodo.
Estas dos señales analógicas son convertidas en
numéricas por un banco de adquisición 58 que determina el valor del
desfasaje \Psi utilizando la expresión (2) mencionada
anteriormente y, por consiguiente, la tensión. Se obtiene, así,
directamente la traza del perfil de tensión del patrón de
vidrio.
En un ejemplo de realización particular, se
utilizan dos patrones que tienen una tensión en el centro de 3,25
MPa en uno y de 3,9 MPa en el otro y que tienen perfiles
sensiblemente parabólicos.
Para A_{0} = \pi, se tiene
J_{1}(A_{0}) = 0,2846 y J_{2}(A_{0}) =
0,4854.
Llevando estos valores a la expresión (2), se
obtiene:
\Psi=Arc \
tg\left[1,706\frac{B(f_{0})}{B(2f_{0})}\right]=\frac{2\pi
}{\lambda _{(nm)}}C_{0}\sigma E_{(nm)}\cdot
10^{6}
donde C_{0} = 2,6 10^{-6}
MPa^{-1}.
La figura 5 muestra el perfil de tensión así
obtenido. Se constata que este perfil corresponde perfectamente al
perfil medido por la técnica anterior para el patrón, puesto que en
la figura 5 se determina un máximo de 3,20 MPa mientras que, como
se precisó anteriormente, el valor medido manualmente es de 3,25
MPa.
Esta experiencia ha sido renovada con varios
patrones de vidrio pretensados y, en cada caso, los valores
obtenidos por el procedimiento de la invención son iguales a los
medidos manualmente.
El procedimiento de la invención queda, por
tanto, validado en la configuración en transmisión.
Se describirá ahora la aplicación de este
procedimiento al dispositivo de medición de tensión por difusión de
acuerdo con la invención.
Un primer modo de realización de este dispositivo
está representado en la figura 6. En esta figura, los elementos
análogos a los de la figura 2 están designados por las mismas
referencias. El dispositivo de la figura 6 difiere del dispositivo
de la figura 2 por el hecho de que:
- -
- el dispositivo de emisión (que comprende el láser 42, el polarizador 44 y el modulador 46) y el dispositivo de recepción (que comprende el analizador 48 y el detector 50) están colocados en el mismo lado que el vidrio que hay que medir 40;
- -
- éste comprende una banda 60 de material reflectante o difusor dispuesta en el otro lado de la cinta de vidrio y que es capaz de reenviar hacia el dispositivo de recepción, en forma de un haz difundido 64, al menos, una parte del haz incidente 62 que recibe;
- -
- el fotodiodo es reemplazado por un fotodiodo en avalancha, más sensible, porque el flujo difundido 64 es menor que el flujo transmitido 62.
Se observará que otra diferencia notable con
respecto al caso de la transmisión reside en el hecho de que la luz
atraviesa dos veces el vidrio antes de ser detectada. Eligiendo un
ángulo pequeño entre el eje de emisión y el eje de recepción, se
medirá el doble de la tensión, lo que dobla la sensibilidad de la
medición.
El dispositivo de emisión y el dispositivo de
recepción están reunidos en una misma caja 65 que está montada
deslizante en un pórtico monocarril, no representado. El carril está
dispuesto transversalmente con respecto al sentido de paso de la
cinta de vidrio 40, de modo que en el transcurso de las
trayectorias de ida y vuelta, el haz luminoso emitido 62 recorre la
cinta de vidrio en toda su anchura.
La banda 60 está dispuesta transversalmente con
respecto a la cinta de vidrio, preferentemente en el plano vertical
que contiene el carril y que es perpendicular a la cinta de vidrio.
La banda será realizada, preferentemente, en un material de
señalización hecho reflectante o de metal anodizado blanco.
Un ejemplo de medición en un patrón está
representado en la figura 7. Se mide una tensión máxima
\sigma_{M} = 7,80 MPa en el centro de la placa, mientras que el
valor dado es de 3,9 MPa, que es la mitad del valor medido.
Puede observarse el salto que existe al final del
perfil. Este salto es debido al hecho de que el desfasaje medido
sobrepasa de 90º, debido a que la sensibilidad de la medición está
doblada. Resulta, así, que la expresión (2) que permite determinar
la tensión da un resultado que presenta un desfasaje de un periodo
de 180º en el Arcotangente. Este salto es, además, fácil de corregir
numéricamente.
El perfil así obtenido es totalmente conforme con
el medido manualmente. El montaje en difusión queda, por tanto,
validado también. Este montaje es ventajoso puesto que permite
utilizar un solo pórtico.
Se hará referencia ahora a la figura 8 que
representa un segundo modo de realización del dispositivo de
medición de la tensión por difusión.
Como en el modo de realización precedente, el
dispositivo de emisión y el dispositivo de recepción están
implantados uno al lado de otro dentro de una caja, esquematizada
por el punto O. La caja está montada en posición fija por encima de
la cinta de vidrio 40.
El sistema de emisión y de recepción gira
alrededor del punto fijo O de modo que el radio láser explora
angularmente toda la anchura de la cinta de vidrio. El ángulo de
exploración \theta_{0} varía entre -45º y + 45º. El retorno de
la luz está asegurado por una banda de material difusor 60 fijada a
un soporte transversal dispuesto debajo de la cinta de vidrio.
Como muestra la figura 8, el sistema de
emisión-recepción no se encuentra en la vertical de
la cinta de vidrio, sino que está desfasado angularmente hacia atrás
con respecto a esta vertical un ángulo \alpha_{0}, a fin de
evitar un retorno por reflexión especular de un radio reflejado por
el vidrio cuando el rayo láser ataca la cinta perpendicularmente
(\theta_{0} = 0).
En efecto, durante la exploración angular, si se
percibe el detector recibe siempre una intensidad luminosa bastante
estable. Pero, si se percibe el rayo reflejado por reflexión
especular, se observará un aumento muy brusco de intensidad
luminosa, lo que puede saturar el detector. Además, la reflexión
especular comprende, también, una información sobre la interferencia
entre las reflexiones sobre las dos caras de la cinta de vidrio, lo
que invalida la teoría expuesta precedentemente. En la práctica, se
regula \alpha_{0} a un valor pequeño de 5º.
La configuración de la figura 8 es todavía más
simple y más económica que la de la figura 6, puesto que ésta no
comprende ningún pórtico. Además, debido a que el sistema de
emisión-recepción puede estar colocado muy por
encima de la cinta de vidrio, es posible instalar un sistema de
enfriamiento. Esto ofrece la posibilidad de efectuar una medición
de las tensiones en caliente.
Sin embargo, los resultados facilitados con el
dispositivo de la figura 8 necesitan una corrección, porque el
hecho de explorar angularmente la cinta de vidrio implica que el
ángulo de incidencia del rayo láser sobre el vidrio sea variable y
que el espesor de vidrio atravesado sea también variable. La
expresión (1) en la que el espesor E se supone constante no puede,
por tanto, aplicarse.
Se demuestra que las tensiones efectivas
\sigma'_{i} medidas en un punto fijo cuando el ángulo de
incidencia sobre el vidrio varía, están ligadas a las tensiones que
hay que medir \sigma_{i} por las relaciones siguientes:
\sigma '_{1}=\sigma
_{1}(cos^{2}\theta '_{0}-sen^{2}\alpha '_{0}sen^{2}\theta
'_{0})
\sigma '_{2} = \sigma
_{2}cos^{2}\alpha
'_{0}
donde \alpha'_{0} y \theta'_{0} son dos
ángulos definidos en el vidrio, tales que n sen \alpha'_{0} =
sen \alpha_{0} y n sen \theta'_{0} = sen \theta_{0},
donde n es el índice de refracción de
vidrio.
En el caso concreto de la invención, se tiene
\sigma_{1} = 0 y \alpha'_{0} es muy pequeño. Resulta, así,
que \sigma'_{2} = \sigma_{2}. El espesor efectivo es,
entonces, E_{e} = E/cos \theta'_{0}. Finalmente, el desfasaje
\Psi viene dado por la fórmula:
\Psi =\frac{2\pi }{\lambda
}\sigma '_{2} \ 2E_{0}=\frac{4\pi }{\lambda }\sigma
_{2}\frac{E}{cos\theta
'_{0}}
La figura 9 muestra la curva de variación de
tensiones en una línea de producción de vidrio ondulado en el caso
de un dispositivo anterior, y la figura 10 muestra la curva en el
caso de un dispositivo de medición por difusión, con un solo
pórtico. Puede observarse la concordancia muy buena de los
resultados obtenidos por los dos sistemas de medición.
Finalmente, la figura 11 representa la curva de
variación de las tensiones en el caso de un dispositivo de medición
por difusión, sin pórtico, siendo la curva en trazos la curva bruta
y la curva en trazo continuo la curva corregida para tener en
cuenta la variación del ángulo de incidencia.
El procedimiento de medición de tensiones de
acuerdo con la invención puede ser aplicado para efectuar mediciones
en vidrios especiales, tales como el vidrio impreso, que presenta
importantes deformaciones geométricas, y el vidrio muy
absorbente.
Gracias a su gran velocidad de medición, el
dispositivo de medición de acuerdo con la invención es capaz de
efectuar mediciones correctas en el vidrio impreso, porque el tiempo
de medición es de tal modo corto que durante esta duración, la
deformación del vidrio no puede perturbar la señal de modo
significativo.
Además, el dispositivo de acuerdo con la
invención es muy robusto frente al ruido electrónico. El tratamiento
de la señal permite detectar la medición incluso cuando la relación
señal/ruido sea pequeña. El dispositivo permite, por tanto,
funcionar con vidrios de muy gran absorción.
El procedimiento de acuerdo con la invención
puede aplicarse, igualmente, a la medición de las tensiones en un
material transparente recubierto en una de sus caras por una capa
de material opaco. Este es el caso, por ejemplo, de algunos
acristalamientos de automóviles, tales como el parabrisas, que están
recubiertos en su periferia por una capa de esmalte de color muy
oscuro, a fin de proteger el pegamento que es necesario para la
colocación del acristalamiento contra la acción de los rayos
ultravioletas e igualmente a fin de ocultar los defectos de
unión.
Se conoce crear en la zona del borde periférico
de estos acristalamientos, un cierto estado de pretensión, a fin de
conferir una mayor resistencia en esta zona que es, igualmente,
frágil. Esto tiene como consecuencia generar tensiones en
compresión en la zona del borde y en contrapartida, tensiones en
extensión en una banda de algunos centímetros de anchura, interior
con respecto a esta zona. Este fenómeno está ilustrado en la figura
12 adjunta que representa la curva de variación de la tensión en
función de la distancia al borde. La zona en compresión tiene una
anchura l y la zona en extensión una anchura L.
El procedimiento y los dispositivos de medición
descritos anteriormente pueden utilizarse para medir las tensiones
en toda la anchura del borde periférico del acristalamiento.
La figura 13 representa el dispositivo de
medición por transmisión de la figura 2, que está adaptado para
medir las tensiones de un acristalamiento recubierto por una capa
opaca 41. Los elementos de este dispositivo idénticos a los de la
figura 2 se han designados con las mismas referencias numéricas.
Este dispositivo no se describirá, sino que se observará solamente
que el dispositivo emisor de luz está dispuesto en el lado opuesto
a la cara del acristalamiento que está recubierta por la capa opaca
41 y que, para aumentar la sensibilidad del dispositivo, se utiliza
una lente convergente 51 y, como fotodiodo, un fotodiodo de
avalancha 50.
En un ejemplo de realización particular en que el
modulador trabaja con una amplitud de oscilación igual \pi, donde
el acristalamiento es un parabrisas en hojas que tiene un espesor
de 4,8 mm y se le ilumina con una luz que tiene una longitud de
onda de \lambda = 675 nm, se obtiene el perfil representado en la
figura 14. Este perfil da el desfasaje \Psi en función de la
distancia al borde del punto en que se efectúa la medición, siendo
la unidad de distancia arbitraria. \Psi es calculado por la
fórmula (2) dada anteriormente.
Se observa ya que este perfil tiene el mismo
aspecto que el perfil teórico representado en la figura 12. Los
saltos de fase observados al comienzo del perfil son debidos al
hecho de que la función Arcotangente tiene sus valores comprendidos
entre -90º y +90º. Como el valor del desfasaje es superior a 90º, el
resultado presenta un desfasaje de un período de 180º en el
Arcotangente.
Para corregir este defecto, se procede como
sigue:
- -
- se recortan con tijeras los tres tramos AB, BC y DE de la curva,
- -
- se elimina el tramo horizontal AB que corresponde a mediciones efectuadas en el aire, antes del borde de la muestra y, por tanto, sin interés,
- -
- se hace que el tramo BC experimente una traslación vertical hacia debajo de amplitud 90º a fin de hacer coincidir el punto C con el punto D. Se obtiene, así, el tramo B'D.
- -
- se hace que la curva B'DE así obtenida experimente una traslación horizontal hacia la izquierda a fin de llevar B' al eje de ordenadas. Se obtiene, entonces, la curva de la figura 15.
A continuación, se efectúa la conversión del
desfasaje en valores de tensión, lo que da la curva de la figura
16.
Se toman de las curvas 15 y 16 los valores
máximos del desfasaje y de la tensión en extensión. Estos son,
respectivamente, de 34º y de 5,1 MPa. Los valores mínimos del
desfasaje y de la tensión en compresión son, respectivamente, de
-160º y de -24,0 MPa.
La figura 17 representa el dispositivo de
medición por reflexión de la figura 6 aplicado a la medición de las
tensiones en un acristalamiento recubierto en una cara por una capa
opaca 41. Se observará solamente que el dispositivo emisor y el
dispositivo receptor se encuentran ambos en el mismo lado del
acristalamiento, a saber, en el lado opuesto a la cara que está
recubierta por la capa opaca.
Este dispositivo ha sido utilizado para medir el
desfasaje \Psi en la muestra del acristalamiento descrito
anteriormente y se ha obtenido la curva de la figura 18. Se observa
que esta curva presenta saltos de fase más numerosos que en el caso
de la figura 14, porque la sensibilidad de la medición está
multiplicada por dos en este modo de realización.
Por el procedimiento de recorte explicado
anteriormente, se construye la figura 19 y, a partir de ésta, se
deduce el perfil de las tensiones representado en la figura 20.
En la figura 19, se lee 70º para el desfasaje
máximo en extensión y -330º para el desfasaje mínimo en compresión.
Estos valores corresponden, respectivamente, a 5,2 MPa en extensión
y a -24,8 MPa en compresión.
Puede observarse que los valores de las tensiones
obtenidos en el caso de la reflexión son prácticamente iguales a los
obtenidos en transmisión.
Puede observarse, igualmente, que estos valores
concuerdan, también, con los obtenidos con el aparato de Sharples.
En efecto, durante una experimentación en el transcurso de la cual
la muestra es iluminada por una longitud de onda de 523 nm, se ha
obtenido 5,1 MPa para la extensión y -23,3 MPa para la
compresión.
Para darse cuenta mejor de la concordancia entre
las mediciones efectuadas por el procedimiento en transmisión y el
procedimiento en reflexión, se superponen las curvas de las figuras
16 y 20 como está indicado en la figura 21.
Sin embargo, a pesar de la coincidencia de los
resultados, se da preferencia al montaje en transmisión porque su
sensibilidad es ampliamente suficiente. La sensibilidad doble del
montaje en reflexión es más bien un inconveniente porque los saltos
de fase que se obtienen al comienzo del perfil son molestos e
inútiles y hay que eliminarlos por un tratamiento numérico. Además,
se constata que el perfil en transmisión es más liso que el perfil
en reflexión. Finalmente, la interpretación de los resultados en
reflexión es delicada porque la cara delantera de la muestra, que
es clara y con frecuencia está sucia, produce mucha luz difundida,
que es luz parásita con respecto a la luz difundida por la capa
opaca, sólo útil para la medición.
En lo que precede, se ha supuesto que la capa
opaca recubre una cara exterior del acristalamiento, pero la
invención se aplica, igualmente, al acristalamiento de la figura 22
en el cual la capa opaca 41 está comprendida entre dos capas
contiguas, por ejemplo, entre una hoja de vidrio 43 y la capa
intercalar adhesiva de material plástico 45.
Claims (17)
1. Procedimiento para la medición de la tensión
de forma en un material transparente, tal como un acristalamiento de
vidrio, que comprende las etapas que consisten en:
emitir un haz luminoso monocromático polarizado,
por un dispositivo emisor de luz que está animado de un movimiento
oscilante a fin de explorar el material transparente,
hacer pasar el citado haz transparente a través
de un modulador fotoelástico, que tiene dos frecuencias de
referencia f_{0} y 2f_{0},
hacer pasar a través del material transparente el
haz luminoso modulado que emerge del modulador,
recibir la luz que ha atravesado el material
transparente en un dispositivo receptor de luz que comprende un
analizador capaz de determinar las modificaciones introducidas por
la birrefringencia del material transparente en razón de las
tensiones de las que es asiento,
transformar el haz luminoso recibido en señal
eléctrica correspondiente,
detectar las componentes frecuenciales
B(f_{0}) y B(2f_{0}) de la señal eléctrica que
corresponden a las citadas frecuencias de referencia del
modulador,
calcular a partir de las citadas componentes
frecuenciales el desfasaje \Psi de la señal eléctrica recogida,
cuando se ejercen tensiones sobre el material, con respecto al caso
en que el material no está sometido a tensiones, por la
fórmula
\Psi =Arc \
tg\frac{J_{2}(A_{0})}{J_{1}(A_{0})}\cdot
\frac{B(f_{0})}{B(2f_{0})}
en donde J1 y J2 son funciones de Bessel de
primer orden y de segundo orden, y A_{0} es la amplitud de
modulación de defasaje del
modulador,
y en calcular la tensión \sigma por la
fórmula
\sigma =\frac{\lambda }{2\pi
C_{0}E}\Psi
donde
\lambda es la longitud de onda de la luz
E es el espesor del acristalamiento,
C_{0} es la constante de fotoelasticidad del
acristalamiento.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
1, en el cual la luz que ha atravesado el material transparente es
reenviada con la ayuda de una banda difusora y/o reflectante
dispuesta en el otro lado del material transparente con respecto al
dispositivo emisor de luz, y el dispositivo receptor de luz está
colocado en el mismo lado que el dispositivo emisor de luz para
recibir la citada luz reenviada.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
1, en el cual se hace pasar la luz que ha atravesado el material
transparente, a través de una banda difusora y/o reflectante
dispuesta en el otro lado del material transparente con respecto al
dispositivo emisor de luz y el dispositivo receptor está colocado en
el otro lado del material transparente con respecto a la banda
difusora y/o reflectante de manera que recibe la luz que ha
atravesado la citada banda.
4. Procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 2 y 3, en el cual se explora el material
transparente por un movimiento de vaivén del haz luminoso
monocromático con respecto al material transparente y el material es
animado a su vez de un movimiento relativo en una dirección
sensiblemente perpendicular al citado movimiento de vaivén.
5. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 2 a 4, en el cual el emisor de luz y el receptor de
luz se hacen solidarios uno de otro.
6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
5, en el cual la exploración se efectúa a partir de un punto fijo,
estando animados el dispositivo emisor y el dispositivo receptor de
movimientos oscilantes en este punto.
\newpage
7. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, que se aplica a la medición de las
tensiones en una cinta de vidrio y, especialmente, de vidrio
ondulado en una línea de producción.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
1, que se aplica a la medición de las tensiones en un objeto
transparente revestido por una capa sensiblemente opaca en una de
sus caras y constituida, especialmente, por un esmalte de color muy
oscuro, tal como el que recubre la periferia de un acristalamiento
de automóvil.
9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
8, en el cual el haz que emerge del dispositivo emisor de luz
penetra en el material transparente por la cara opuesta a la cara
revestida por la capa opaca y la propia luz difundida por la capa
opaca es la que es recibida por un dispositivo receptor situado en
el lado opuesto a la citada capa opaca.
10. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 9, en el cual el haz luminoso que emerge del
dispositivo emisor penetra en el material transparente por la cara
opuesta a la cara revestida por la capa opaca y la propia luz
difundida por la capa opaca es la que es recibida por un
dispositivo receptor situado en el lado opuesto a la citada capa
opaca.
11. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 8 a 10, que se aplica a acristalamientos abombados
y la fórmula que facilita la tensión \sigma en función del
desfasaje \Psi es corregida en función del ángulo de incidencia y
del espesor.
12. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones
precedentes, que comprende:
un dispositivo emisor de luz que incluye una
fuente luminosa (42) que emite un haz de luz monocromática, un
polarizador (44) y un modulador fotoelástico (46) que facilita dos
frecuencias de referencia f_{0} y 2f_{0},
medios de desplazamiento relativo del haz
luminoso (62) con respecto al material transparente (40),
un dispositivo receptor de la luz después de su
paso por el material transparente, que comprende un analizador
(48), un fotodiodo (50), dos amplificadores de detección síncrona
(54, 56) que tienen como referencia las dos frecuencias facilitadas
por el modulador, y
un banco de adquisición (58) que permite calcular
el desfasaje \Psi y la tensión \sigma.
13. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
12, que comprende, igualmente, una banda difusora y/o reflectante
(60) situada en el lado del material transparente (40) opuesto al
dispositivo emisor de luz y éste es solidario del dispositivo
receptor de luz.
14. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
13, en el cual el dispositivo emisor y el dispositivo receptor de
luz están movidos por un movimiento oscilante.
15. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
12, en el cual el dispositivo emisor y el dispositivo receptor están
situados a una y otra parte del material transparente (40) y éste
está recubierto por una capa sensiblemente opaca (41) situada en el
lado del dispositivo receptor.
16. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
15, en el cual está prevista una lente óptica convergente (51) para
hacer converger el haz procedente del analizador (48) sobre el
fotodiodo (50).
17. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
16, en el cual el material transparente es un acristalamiento en
hojas y la capa opaca (41) está comprendida entre dos capas
contiguas (43, 45) del acristalamiento.
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