ES2216200T3 - Metodo y dispositivo para medir tensiones en laminas de vidrio mediante luz dispersada. - Google Patents
Metodo y dispositivo para medir tensiones en laminas de vidrio mediante luz dispersada.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO Y A UN DISPOSITIVO PARA LA MEDICION DE TENSIONES EN TODO EL ESPESOR DE UNA PLACA DE VIDRIO POR EL METODO DE DISPERSION DE LA LUZ, EN QUE UN HAZ DE LUZ MONOCROMATICA, CUYA POLARIZACION VARIA PERIODICAMENTE ENTRE LINEAL Y CIRCULAR, SE DIRIGE INCLINADO SOBRE LA PLACA DE VIDRIO Y CON UNA VIDEOCAMARA SE REGISTRA LA LUZ DISPERSA EXISTENTE EN EL CAMINO DEL HAZ LUMINOSO DENTRO DE LA PLACA DE VIDRIO. SE HACE INCIDIR EN LA PLACA UN HAZ LUMINOSO ESTRECHO EN EL SENTIDO TRANSVERSAL Y DE UNA ALTURA TAL QUE, CON EL ANGULO DE INCIDENCIA ELEGIDO, LA PLACA DE VIDRIO SEA ATRAVESADA EN TODO SU ESPESOR EN AL MENOS UN LUGAR (RECTA A - A). LA VIDEOCAMARA REGISTRA AL MISMO TIEMPO LA LUZ DISPERSA DENTRO DE LA PARTE ATRAVESADA POR EL HAZ Y, CON AYUDA DEL TRATAMIENTO DIGITAL DE IMAGENES, SE DETERMINA EL ESTADO DE TENSION EN TODO EL ESPESOR DE LA PLACA DE VIDRIO.
Description
Método y dispositivo para medir tensiones en
láminas de vidrio mediante luz dispersada.
El invento se refiere a un procedimiento para la
medición de tensiones en el grueso de una hoja de vidrio con el
procedimiento de luz dispersada, en el que se inyecta oblicuamente
en la hoja de vidrio un haz de rayos de luz monocromático, cuya
polarización varíe periódicamente entre lineal y circular y en el
que la luz dispersada, que se produce en el interior de la hoja de
vidrio en el recorrido del haz de rayos de luz es registrada con
una cámara de vídeo determinando al mismo tiempo con la ayuda de
un procesamiento digital de la imagen la magnitud y el signo de las
tensiones en el recorrido del haz de rayos de luz. El invento se
refiere, además, a un dispositivo para la realización del
procedimiento.
Los procedimientos conocidos de esta clase se
aprovechaban del hecho de que las tensiones en cuerpos transparentes
se podían hacer visibles con la ayuda del efecto fotoelástico.
Según él, la intensidad de la luz dispersada a lo largo del
recorrido del haz de rayos de luz polarizada incidente depende del
estado de su polarización y de las tensiones en el vidrio. Dado que
en la práctica es difícil medir directamente la intensidad de la
luz dispersada, es usual, que se varíe periódicamente la
polarización del haz de rayos de luz incidente para determinar
después la intensidad de la luz dispersada por medio del
desplazamiento de fase en función del tiempo en dos puntos y
determinar así las tensiones en el intervalo del recorrido.
El documento EP 0 152 834 A1 describe un
procedimiento de la clase mencionada más arriba y un dispositivo
para su realización. En este procedimiento se inyecta oblicuamente
en la hoja de vidrio que se quiere medir un haz de rayos láser con
forma lineal concentrado hasta un diámetro de aproximadamente 1 mm.
Si se quiere determinar con este procedimiento el perfil de
tensiones en el grueso de la hoja de vidrio a lo largo de una línea
perpendicular a la superficie del vidrio, es preciso realizar un
laborioso procedimiento se exploración puntual por medio del
desplazamiento paralelo del rayo de luz o de la hoja de vidrio. Por
lo tanto este procedimiento es relativamente laborioso.
El invento se basa en el problema de perfeccionar
el procedimiento conocido en el sentido de simplificar la
determinación de las tensiones según magnitud y signo en el grueso
de una hoja de vidrio a lo largo de una línea, que se extienda
perpendicular a la superficie del vidrio.
Este problema se soluciona según el invento por
el hecho de que se utiliza un haz de rayos de luz estrecho desde el
punto de vista de su sección transversal con un altura tal, que,
para la determinación de las tensiones, la luz dispersada es medida
al mismo tiempo al menos a lo largo de una línea de medición que
se extienda perpendicular a la superficie del vidrio al menos en
una parte esencial del grueso de la hoja de vidrio.
Para la realización del procedimiento según el
invento se utiliza, por lo tanto, un haz de rayos de luz, que,
visto en sección transversal, posea una altura grande en
comparación con su ancho en el margen de medición de la hoja de
vidrio. Esta altura tiene que ser al menos tan grande, que
atraviese al mismo tiempo la totalidad del margen de medición, que
abarca una línea de medición perpendicular a la superficie del
vidrio, en una parte esencial del grueso de la hoja de vidrio. El
ancho del haz de rayos de luz debe ser en lo posible pequeño para
que sólo se midan las tensiones en el plano de medición
elegido.
El procedimiento se realiza con especial ventaja
de tal modo, que el haz de rayos de luz atraviese la hoja de vidrio
en todo su grueso al menos a lo largo de una línea perpendicular a
la superficie del vidrio, de manera, que la cámara de vídeo pueda
registrar al mismo tiempo la luz dispersada en la totalidad del
grueso de la hoja de vidrio.
El haz de rayos de luz estrecho se obtiene
ventajosamente con la ayuda de un dispositivo de enfoque, que se
componga de al menos una lente convergente para el enfoque del haz
de rayos de luz y de dos lentes cilíndricas con ejes
perpendiculares entre sí. La primera lente cilíndrica genera un haz
de rayos de luz aproximadamente paralelo en el plano de medición
con una altura tal, que la hoja de vidrio sea atravesada en la zona
de medición a lo largo de una línea de medición perpendicular a la
superficie del vidrio en al menos una parte esencial de su grueso.
La segunda lente cilíndrica sirve para generar un foco
perpendicular al plano de medición, de manera, que se forme una
línea focal. Los datos ópticos de las lentes utilizadas son
elegidos de tal modo, que, en el plano perpendicular al plano de
medición, el haz de rayos de luz convergente delante de la línea
focal y el haz de rayos de luz divergente detrás de la línea focal
se hallen en una ventana lo más estrecha posible.
Si se quiere medir en todo el grueso de la hoja
de vidrio, por ejemplo la componente de tensión situada en el plano
de la hoja de vidrio perpendicularmente a la superficie de esta, se
inyecta el haz de rayos de luz así generado con una altura grande en
comparación con su ancho y con el plano principal de los rayos
orientado perpendicularmente al plano de la hoja de vidrio,
oblicuamente en la hoja de vidrio por medio de un prisma acoplado
ópticamente con la hoja de vidrio. El diagrama de luz dispersada
provocado por las tensiones en la hoja de vidrio, que varía
periódicamente, es observado con una cámara bajo un ángulo de 45º
con relación al plano de incidencia del haz de rayos de luz a
través del mismo prisma utilizado también para la inyección del haz
de rayos de luz en la hoja de vidrio. Con la ayuda del dispositivo
digital de procesamiento de la imagen se determina después al mismo
tiempo el estado de tensiones en todo el grueso perpendicular a la
superficie de la hoja de vidrio. Las líneas de la cámara se
alinean para ello paralelas a los rayos de luz del plano de rayos
principal del haz de rayos de luz generado. Cada pixel de la cámara
suministra una señal analógica modulada en intensidad, que, con la
ayuda de un convertidor analógico-digital especial
para señales de vídeo, es digitalizada a continuación y provista de
información referente al lugar, es decir la línea y la columna de
la cámara. El sistema de coordenadas de la cámara y el sistema de
coordenadas de la probeta se hallan en una relación mutua unívoca
conocida. El procesamiento de la señal digitalizada se realiza con
un programa de cálculo apropiado utilizando una transformación de
Fourier, de manera, que se determine la variación de la intensidad
de la luz dispersada en cada punto del margen observado, calculando
a partir de ello automáticamente el perfil de tensiones en todo el
grueso de la hoja de vidrio.
Un dispositivo apropiado para la realización del
procedimiento abarca una unidad de iluminación, que genera un haz de
rayos de luz monocromático con polarización lineal, un filtro, que
gira el plano de polarización con una velocidad de rotación
prefijada, un filtro, dispuesto a continuación de aquel, que module
periódicamente el haz de rayos de luz de forma lineal y circular,
un prisma, que acople el haz de rayos de luz oblicuamente con la
hoja de vidrio y una unidad electrónica de evaluación para las
señales suministradas por la cámara de vídeo y caracterizado porque
entre la unidad de iluminación y el filtro, que gira el plano de
polarización, se intercala un dispositivo, que genere en el campo
de medición interior a la hoja de vidrio un haz de rayos de luz
estrecho desde el punto de vista de su sección transversal, que
posea una altura grande en comparación con su ancho y porque, con
el ángulo de incidencia elegido, la hoja de vidrio es atravesada al
menos en un punto a lo largo de una línea de medición, que se
extiende perpendicular a la superficie del vidrio, en una parte
esencial de su grueso.
En lo que sigue se describen con detalle por
medio del dibujo un ejemplo de ejecución preferido del procedimiento
según el invento y del dispositivo apropiado para su realización.
En el dibujo muestran:
La figura 1, la luz dispersada, que debe ser
evaluada, en el campo de medición del estado de la técnica.
La figura 2, la luz dispersada, que debe ser
evaluada, en el campo de medición en el caso del procedimiento
según el invento.
La figura 3, una representación simplificada de
la totalidad del dispositivo de medición.
La figura 4, el flujo de datos como esquema de
bloques.
En la figura 1 se representa el procedimiento de
luz dispersada según el estado de la técnica, en el que, para mayor
sencillez, se representa la hoja 1 de vidrio en una vista sobre la
superficie 2 del canto. En la superficie de la hoja 1 de vidrio se
inyecta oblicuamente bajo un ángulo plano un haz 3 de rayos láser
monocromático concentrado estrechamente. En el interior de la hoja
1 de vidrio se forman bajo la acción de las tensiones mecánicas en
el vidrio franjas oscuras y claras debidas a la interferencia. Si
se quiere medir el estado de tensiones en la hoja de vidrio a lo
largo de la línea A-A, es preciso realizar las
mediciones puntualmente a diferentes alturas. Para ello es preciso,
que, antes de cada medición, se desplace ligeramente en su plano el
rayo 3 láser paralelamente a sí mismo o la hoja 1 de vidrio en su
plano.
En la figura 2 se representa., por el contrario,
una imagen del campo de medición con las franjas de interferencia
formadas por la luz dispersada, como se obtiene en la realización
del procedimiento según el invento. El haz 6 de rayos láser posee en
este caso una altura h grande en comparación con su sección
transversal, pero al menos en el margen de la línea
A-A un ancho b pequeño. Se puede ver, que en el
margen de la línea A-A de medición, que se extiende
perpendicular a la superficie del vidrio, las franjas de
interferencia se extienden en todo el grueso de la hoja 1 de vidrio,
de manera, que la evaluación a lo largo de la línea
A-A puede ser realizada sin desplazamiento del haz
de rayos láser o de la hoja de vidrio.
Como muestra la disposición de medición
representada en la figura 3, un láser 9 de iones de argón emite un
haz 10 de rayos de luz monocromático y polarizado con una longitud
de onda \lambda = 488 nm a lo largo de un eje X. La longitud de
onda de la luz emitida debería ser en lo posible pequeña, ya que la
intensidad de la luz dispersada formada es inversamente
proporcional a la longitud de onda.
El haz 10 de rayos de luz es llevado a
continuación con la ayuda del dispositivo 12 de enfoque a la forma
necesaria para la realización del procedimiento de medición según
el invento con una altura grande en comparación con su ancho. El
dispositivo 12 de enfoque utilizado se compone de una lente 12'
convergente con una distancia focal de
f_{1} = 60 mm para enfocar el haz de rayos de luz en el margen de medición y de dos lentes 12'' y 12''' cilíndricas con ejes perpendiculares entre sí. La primera lente 12'' cilíndrica posee para los rayos de luz en el plano de medición (plano XY) una distancia focal f_{2} = 80 mm, mientras que no produce un efecto de enfoque para los rayos de luz en el plano perpendicular al plano de medición (plano XZ). El haz de rayos de luz emergente de la primera lente 12'' cilíndrica se compone de rayos de luz casi paralelos en el plano de medición (plano XZ) con una altura suficiente para iluminar al mismo tiempo la totalidad del margen de medición en el grueso de la hoja de vidrio. Por el contrario, la segunda lente 12''' cilíndrica no produce un efecto de enfoque de los rayos de luz en el plano de medición (plano XZ), pero en el plano perpendicular al de medición (plano XY) posee una distancia focal f_{3} = 200 mm. El haz de rayos de luz emergente de la segunda lente 12''' cilíndrica posee, en el plano perpendicular al plano de medición (plano XY) y en una longitud suficiente para iluminar al mismo tiempo la totalidad del margen de medición, un ancho máximo de
0,2 mm para evitar los errores de medición. Con este dispositivo de enfoque según el invento se obtiene una altura del haz de rayos de luz de aproximadamente 8 mm y, en una longitud de aproximadamente 20 mm, un ancho máximo de
0,2 mm.
f_{1} = 60 mm para enfocar el haz de rayos de luz en el margen de medición y de dos lentes 12'' y 12''' cilíndricas con ejes perpendiculares entre sí. La primera lente 12'' cilíndrica posee para los rayos de luz en el plano de medición (plano XY) una distancia focal f_{2} = 80 mm, mientras que no produce un efecto de enfoque para los rayos de luz en el plano perpendicular al plano de medición (plano XZ). El haz de rayos de luz emergente de la primera lente 12'' cilíndrica se compone de rayos de luz casi paralelos en el plano de medición (plano XZ) con una altura suficiente para iluminar al mismo tiempo la totalidad del margen de medición en el grueso de la hoja de vidrio. Por el contrario, la segunda lente 12''' cilíndrica no produce un efecto de enfoque de los rayos de luz en el plano de medición (plano XZ), pero en el plano perpendicular al de medición (plano XY) posee una distancia focal f_{3} = 200 mm. El haz de rayos de luz emergente de la segunda lente 12''' cilíndrica posee, en el plano perpendicular al plano de medición (plano XY) y en una longitud suficiente para iluminar al mismo tiempo la totalidad del margen de medición, un ancho máximo de
0,2 mm para evitar los errores de medición. Con este dispositivo de enfoque según el invento se obtiene una altura del haz de rayos de luz de aproximadamente 8 mm y, en una longitud de aproximadamente 20 mm, un ancho máximo de
0,2 mm.
El haz 10' de rayos de luz emergente del
dispositivo de enfoque con una altura grande en comparación con su
ancho ya está polarizado linealmente en el plano de medición (plano
XZ). Pasa por un filtro 13 \lambda/2, que gira alrededor del eje
X óptico. El haz 10'' de rayos de luz emergente del filtro 13
\lambda/2 sigue estando polarizada linealmente, pero su plano de
polarización gira en función de la rotación del filtro 13
\lambda/2. El haz 10'' de rayos de luz ahora modulado y polarizado
linealmente pasa a continuación por un filtro 14 \lambda/4, cuyos
ejes se hallan formando 45º con la superficie de la hoja 1 de
vidrio. El haz 10''' de rayos de luz emergente varía
periódicamente, en función de la rotación del filtro 14 \lambda/4
su polarización entre lineal y elíptica, circular, elíptica, lineal
y así sucesivamente.
El haz 10''' de rayos de luz con una altura
grande en comparación con su ancho incide perpendicularmente en la
superficie 16 del prisma 17 libre de tensiones internas y acoplado
ópticamente con la hoja 1 de vidrio a través de un líquido de
inmersión. El ángulo entre el haz 10''' de rayos de luz y la hoja 1
de vidrio es aproximadamente 15º. La luz dispersada, que se forma
a lo largo del recorrido del haz 10''' de rayos de luz en la hoja
de vidrio es registrada a través del prisma 17 con una cámara 20 de
alta sensibilidad, cuyo eje óptico es perpendicular al eje X óptico
de la fuente de luz y montada formando un ángulo de 45º con la
superficie de la hoja 1 de vidrio. La cámara 20 posee un objetivo
macro y suministra ya con 5 mlx una señal de vídeo completa. Se
orienta de tal modo, que sus líneas sean paralelas al eje X óptico,
de manera, que los intervalos de recorrido para el cálculo de la
diferencia de fase se hallen en columnas definidas de la cámara 20.
Después de la asignación de las superficie límite de la hoja 1 de
vidrio al sistema de coordenadas de la cámara 20, se puede asignar a
cada pixel de la imagen registrada una señal analógica, que
contenga información de las variaciones en función del tiempo de
la intensidad y de su posición con relación al rayo 10''' de luz
y a la hoja 1 de vidrio. Las señales analógicas son transmitidas a
través de la línea 21 de datos a la unidad 22 de mando y de
evaluación, que contiene también el convertidor
analógico-digital para la digitalización de las
señales de vídeo.
La figura 4 muestra el flujo de datos como
diagrama de bloques. En primer lugar se introduce el intervalo dT
entre dos imágenes registradas, es decir la tasa de disparo, la
cantidad n total de imágenes por revolución del filtro 13
\lambda/2 en el intervalo dT elegido y el espesor d del vidrio. A
continuación es preciso definir el margen de medición y las
superficies de la hoja 1 de vidrio. Para la realización del
procedimiento de medición según el invento se comprobó que es
ventajoso un intervalo dT entre 1/100 s y 1/10 s con un número de
revoluciones de aproximadamente 0,1 s^{-1} del filtro 13
\lambda/2. La cámara 20 registra una imagen I(t) de
intensidad, que es transmitida por la línea 21 de datos a la etapa
de conversión analógico-digital de la unidad 22 de
mando y de evaluación, donde se digitaliza y se almacena en la RAM
de la unidad 22 de mando y de evaluación. En tanto no se haya
almacenado la cantidad n total de imágenes I(t) de
intensidad, la unidad 22 de mando y de evaluación introduce,
después del intervalo dT, una imagen de cámara a través de la línea
21 de datos. Después del almacenamiento de la cantidad n total de
imágenes I(t) de intensidad se dispone de los datos para el
cálculo propiamente dicho de las tensiones.
Para el cálculo de las tensiones a partir de los
datos de intensidad se realiza para cada pixel, por medio de una
transformación Fourier, un análisis de la variación de la
intensidad en el tiempo en función de la modulación del haz 10''' de
rayos de luz incidente y se determinan tanto la amplitud
A(X,Z), como también la fase \varphi(X,Z) de la
intensidad para cada pixel. La distribución \sigma de las
tensiones puede ser calculada con la fórmula:
\sigma (X_{0}, Z_{0})=
\frac{\varphi (X_{0} + \frac{\Delta x}{2}, Z_{0}) - \varphi (X_{0}
- \frac{\Delta x}{2})}{360^{o}} \cdot \frac{1}{\Delta x} \cdot
\frac{\lambda}{C}
con \lambda: longitud de onda de la luz
utilizada,
C: constante óptica de tensiones.
El valor de \Deltax debe ser elegido de tal
modo, que todavía sea posible medir una diferencia de fases en
puntos adyacentes, pero por otro lado debe ser lo más pequeño
posible para garantizar la exactitud de las tensiones que se quieran
medir en el punto deseado. Un valor típico de \Deltax es 0,1
mm.
Después de una transformación de coordenadas del
sistema de coordenadas de la cámara al sistema de coordenadas de la
probeta se obtiene el resultado \sigma(X',Z') deseado.
Claims (6)
1. Procedimiento para la medición de tensiones en
el grueso de una hoja de vidrio con el procedimiento de luz
dispersada, en el que se inyecta oblicuamente en la hoja de vidrio
un haz de rayos de luz monocromático, cuya polarización varíe
periódicamente entre lineal y circular y en el que la luz
dispersada, que se produce en el interior de la hoja de vidrio en
el recorrido del haz de rayos de luz es registrada con una cámara
de vídeo determinando al mismo tiempo con la ayuda de un
dispositivo digital de procesamiento de la imagen la magnitud y el
signo de las tensiones en el recorrido del haz de rayos de luz,
caracterizado porque se utiliza un haz de rayos de luz
estrecho desde el punto de vista de la sección transversal con una
altura tal, que la luz dispersada pueda ser registrada, para la
determinación de las tensiones, al mismo tiempo al menos a lo largo
de una línea (A-A) de medición, que se extienda
perpendicular a la superficie del vidrio, al menos en una parte
esencial del grueso de la hoja de vidrio.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se utiliza un haz de rayos de luz con
una altura tal, que la luz dispersada es registrada en todo el
grueso de la hoja de vidrio.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque se utiliza luz monocromática con una
longitud de onda inferior a 500 nm.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque como luz monocromática se utiliza la luz
de un láser de iones de argón (488 nm).
5. Dispositivo para la realización del
procedimiento según la reivindicación 1 con una unidad de
iluminación, que genera un haz de rayos de luz monocromático con
polarización lineal, con un filtro, que gira el plano de
polarización con una velocidad de rotación prefijada, con un
filtro, dispuesto a continuación de aquel, que modula periódicamente
entre lineal y circular la polarización del haz de rayos, con
prisma, que acopla el haz de rayos de luz oblicuamente con la hoja
de vidrio, con una cámara de vídeo y con una unidad electrónica de
evaluación de las señales suministradas por la cámara de vídeo,
caracterizado porque entre la unidad (9) de iluminación y el
filtro (13) que gira el plano de polarización se intercala un
dispositivo (12), que genera en el campo de medición interior a la
hoja de vidrio un haz (10') de rayos de luz estrecho desde el punto
de vista de la sección transversal, que posee una altura grande en
comparación con su ancho y porque, con el ángulo de incidencia
elegido, la hoja (1) de vidrio es atravesada al menos en un punto a
lo largo de una línea (A-A) de medición
perpendicular a la superficie del vidrio en una parte esencial de
su grueso.
6. Dispositivo según la reivindicación 5.
caracterizado porque el dispositivo (12), que genera el haz
(10') de rayos de luz estrecho desde el punto de vista de la
sección transversal, se compone al menos de una lente (12')
convergente y de dos lentes (12'', 12''') cilíndricas con ejes
perpendiculares entre sí.
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