DE19511707B4

DE19511707B4 - Verfahren zur Bestimmung von Spannungen in transparenten Materialien

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Publication number: DE19511707B4
Application number: DE1995111707
Authority: DE
Inventors: Josef Droste; Roland Prof. Dr. Schmiedl
Original assignee: Isra Vision Lasor GmbH
Current assignee: Isra Vision Lasor GmbH
Priority date: 1995-03-30
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2015-03-31
Also published as: DE19511707A1

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, I_s gemessen wird und
– daß aus den Polarisationskomponenten I_p, I_s der Quotient K berechnet wird aus

wobei Δ die Summe der Phasenverschiebung auf Grund der Zirkularpolarisierung und der Phasenverschiebung δ_b durch das verspannte transparente Material ist:

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Spannungen in transparenten Materialien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 35 12 851 A1 ist ein Verfahren zur Messung permanenter Längsspannungen eines Bandes aus Float-Glas in der Fertigungsstraße bekannt. Hierzu wird ein Bündel linear polarisierten Lichts in das Glasband geschickt, wobei Spannungen im Glas eine Doppelbrechung bewirken. Der austretende Lichtstrahl wird analysiert, um die durch Doppelbrechung verursachten Änderungen des Polarisationszustandes und demzufolge die Spannung im Glas zu bestimmen. Hierbei wird auf derselben optischen Achse eine Lichtquelle, ein linear polarisierender Polarisator und eine das linear polarisierte Lichtbündel in ein zirkularpolarisiertes Lichtbündel verwandelnde Einrichtung verwendet. Auf der anderen Seite des Glasbandes ist auf derselben optischen Achse ein zweiter linearer Polarisator und ein lichtempfindlicher Empfänger zur Wandlung der Intensität des Lichtbündels in ein elektrisches Signal angeordnet. Einer der beiden Polarisatoren ist dabei mit einer kontinuierlichen Drehbewegung angetrieben. Außerdem wird noch die Temperatur des Glasbandes an der Meßstelle für die Spannungen ermittelt.

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.

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.

Unter transparenten Materialien wird Glas, Klarsichtfolie oder Kunststoff wie Plexiglas etc. verstanden, d.h. hindurchtretendes Licht nicht diffus machende durchsichtige Materialien.

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, I_s gemessen wird.

Der Quotient K wird aus den Polarisationskomponenten I_p, I_s berechnet:

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 Δσ = δ/(S·d)wobei S die spannungsoptische Konstante des zu untersuchenden Materials ist.

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.

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.

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.

Mit der Kenntnis der Materialdicke d am Meßort der Spannungsmessung ergibt sich die Spannung einfach aus der Beziehung Δσ = δ/(S × d),wobei S die spannungsoptische Konstante des zu untersuchenden Glases ist. δ ist der Gangunterschied. Die Materialdicke bzw. Glasdicke wird durch an sich bekannte Verfahren ermittelt (siehe z.B. DE 35 12 851 A1 ).

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 I_p und I_s sind nun wiederum bezüglich des Glasbandes so orientiert, daß ihre Winkelhalbierende mit der Glaslaufrichtung übereinstimmt.

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.

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 I_p, I_s sauber getrennt.

Die Intensität der zwei zueinander senkrecht stehenden Polarisationskomponenten werden erfindungsgemäß mittels PIN-Dioden mit nachgeschaltetem Lock-In Verstärker gemessen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren, die nachfolgend eingehend beschrieben werden. Es zeigt:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Meßanordnung zur Bestimmung der Spannung in einem Glasband und
2 schematisch die dazugehörende Peripherie.
1 zeigt schematisch eine Meßanordnung zur Bestimmung der Spannung in einem Glasband 1. Unterhalb des Glasbandes 1 ist ein Transmitter 2 angeordnet, der aus einem Laser als Lichtquelle 3, einer Blende 4 und einem Polarisationsfilter 5 unter 45° zur Glaslaufrichtung orientiert mit nachgeschalteter Lambda/4-Platte 6 besteht. Der Transmitter 2 erzeugt zirkular polarisiertes Licht, welches durch das Glasband 1 hindurchgeschickt wird. Der Lichtstrahl ist mit dem Bezugszeichen 11 angedeutet. Der Laser ist z.B. ein Dioden-Laser mit einer Wellenlänge von z.B. 688 nm. Um Störeinflüsse durch Fremdlicht zu unterdrücken, wird der Laser moduliert.
Oberhalb des Glasbandes 1 ist ein Receiver 7 angeordnet, der hinter einem optischen Filter 12 zwei Brewster-Platten 8a, 8b enthält, die jeweils in einem Winkel von 45° zur Glaslaufrichtung und relativ zu einander gekreuzt angeordnet sind. Diese zwei Brewster-Platten 8a, 8b spalten das ankommende Licht in zwei Polarisationskomponenten I_p, I_s auf, deren Intensitäten mit hochempfindlichen PIN-Dioden 9a, 9b gemessen werden. Die Auswertung der Ausgangssignale der beiden PIN-Dioden 9a, 9b erfolgt über einen hochgenauen linearen Meßverstärker mit nachgeschaltetem Lock-In Verstärker 10. Das Ausgangssignal des Lock-In Verstärkers 10 wird direkt auf einen Analog-Digital-Wandler geführt und an einen Microcontroller 13 (siehe 2) weitergegeben.
Da zur Bestimmung der Spannung auch die Messung der Dicke der Glasbahn 1 erforderlich ist, ist ein Dickenmeßgerät 14 oberhalb der Glasbahn 1 angeordnet. Zur Bestimmung der permanenten Spannung, auch "Kaltspannung" Δσ_kalt genannt, ist die Kenntnis der Temperatur der Glasbahn am Meßort erforderlich. Aus diesem Grunde ist ein Strahlungspyrometer 15 eingebaut.
2 zeigt die zugehörige Peripherie. Sowohl der Transmitter 2 wie auch der Receiver 7 sind mit einem Microcontroller 13 verbunden. Der Lock-In Verstärker bzw. der Meßverstärker 10 wandelt die Intensität der beiden Polarisationskomponenten in einen 12 Bit Digitalwert um. Der Lock-In Verstärker unterdrückt dabei das in den Receiver 7 fallende Fremdlicht. Die digitalen Meßwerte werden dann zur weiteren Bearbeitung an den Microcontroller 13 übertragen. Dieser verbindet die Werte mit der aktuellen Meßposition, der lokalen Glastemperatur sowie der lokalen Glasdicke aus dem Dickenmeßgerät 14. Nachdem der Gangunterschied δ der beiden Polarisationskomponenten errechnet wurde, werden die Ergebnisse an einen Personalcomputer 16 mit Monitor 17, Tastatur 18 und Drucker 19 zur Darstellung und zur statistischen Auswertung übertragen. Mit dem Bezugszeichen 20 ist ein Stromschalter bezeichnet, ebenso mit dem Bezugszeichen 21 die Stromzufuhr für den Personalcomputer 16 mit Peripherie. Der Personalcomputer 16 läßt sich auch vorteilhafterweise in ein Netzwerk 22 integrieren.
Die Bestimmung der momentanen Glasspannung, auch "Wärmespannung" Δσ_warm 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: Δσkalt = Δσwarm – F·ΔT = Δσwarm – F·(T(x) – Tm).
Hierbei ist Δσ_k die permanente Glasspannung und Δσ_W, die Warmspannung aus der Messung, T(x) die Temperatur am Meßort. T_m 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.
Da der Wertebereich für den Quotienten K zwischen –1 und +1 liegt, ergibt sich der maximale Meßbereich für den Gangunterschied δ zu –λ/4 ≤ δ ≤ +λ/4.
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.

Claims

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, I_s gemessen wird und – daß aus den Polarisationskomponenten I_p, I_s der Quotient K berechnet wird aus
wobei Δ die Summe der Phasenverschiebung auf Grund der Zirkularpolarisierung und der Phasenverschiebung δ_b durch das verspannte transparente Material ist:
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Quotienten K der Gangunterschied δ der Doppelbrechung berechnet wird aus
wobei λ = Wellenlänge der Lichtquelle (3), und
daß die Materialdicke d des transparenten Materials mittels an sich bekannter Meßverfahren ermittelt wird und daß die Materialspannung Δσ berechnet wird aus der Beziehung Δσ = δ/(S·d)wobei S die spannungsoptische Konstante des zu untersuchenden Materials ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Material ein Glasband (1) ist und die Polarisationskomponente Ip die Intensität in Glaslaufrichtung und die Polarisiationskomponente I_s die Intensität in Querrichtung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transmitter (2) aus einem Laser als Lichtquelle (3), einer Blende (4) und einem Polarisationsfilter (5) mit nachgeschalteter Lambda/4-Platte (6) besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Receiver (7) aus zwei getrennten Polarisatoren, bevorzugt aus zwei gekreuzten Brewsterplatten (8a, 8b) besteht, die jeweils in einem Winkel von 45° zur Glaslaufrichtung angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der zwei zueinander senkrechten Polarisationskomponenten Ip, I_s mittels PIN-Dioden (9a, 9b) mit nachgeschaltetem Lock-In Verstärker (10) gemessen werden.