DE69912525T2

DE69912525T2 - Messung interner Spannungen in einem transparenten Material, wie Fensterscheiben

Info

Publication number: DE69912525T2
Application number: DE69912525T
Authority: DE
Inventors: Jingwei Zhang; Pascal Grente
Original assignee: Saint Gobain Glass France SAS; Compagnie de Saint Gobain SA
Current assignee: Saint Gobain Glass France SAS; Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2019-06-18
Also published as: KR20000006318A; KR100602991B1; EP0967469B1; US6219131B1; ES2211004T3; EP0967469A1; PT967469E; JP2000028441A; DE69912525D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Formspannungen in einem transparenten Material wie einer Glasscheibe. Solche Spannungen können insbesondere in einem Floatglasband auftreten, das die Produktionslinie verlässt. Dabei ist die unvollkommene Beherrschung der Formspannungen die Hauptursache für Glasbruch in der Floatglaslinie. Die Messung des Profils dieser Spannungen erlaubt es diese besser zu beherrschen und die Produktivität zu erhöhen.
Weiterhin ist es bekannt, im Randbereich bestimmter Glasscheiben wie Autoglasscheiben einen gewissen Vorspannungszustand zu erzeugen, um diesem Bereich, der im Allgemeinen zerbrechlich ist, eine erhöhte Widerstandsfähigkeit zu verleihen.
Stand der Technik für die Erfindung
Aus dem Stand der Technik ist eine Vorrichtung zum Messen der Spannungen in einer Glasscheibe bekannt, die als Sharples-Vorrichtung bezeichnet wird. Diese umfasst eine Lichtquelle, die einen Lichtstrahl aussendet, der nacheinander einen sich drehenden Polarisator, die Glasscheibe, ein Viertelwellenlängenplättchen, einen Analysator und eine Photodiode durchläuft.
Wird das transparente Material lokalen Spannungen ausgesetzt, wird sein Brechungsindex anisotrop verändert, wodurch im Material eine lokale Doppelbrechung entsteht. Diese hat den Effekt, dass die verschiedenen Polarisationskomponenten des Lichts, welches das Material durchstrahlt, phasenverschoben werden.
Von der Theorie der Photoelastizität wird gezeigt, dass die Spannung σ, die in einem Punkt der Glasscheibe herrscht, gegeben ist durch die Formel:
worin
λ die Wellenlänge des Lichts,
E die Dicke der Glasscheibe,
C₀ die Photoelastizitätskonstante der Glasscheibe und
ψ die Phasenverschiebung, die von der Doppelbrechung der Glasscheibe durch das Vorhandensein einer Spannung verursacht wird, bedeutet.
ψ wird gemessen, indem der Analysator gedreht wird, bis die am Ausgang beobachtete Lichtstärke gleich Null ist. Zu diesem Zeitpunkt wird ein schwarzes Band an der Stelle der Glasscheibe beobachtet, an welcher die Phasenverschiebung gemessen wird.
Die Sharpies-Vorrichtung ist wenig zuverlässig, da an den Messungen, die sie durchzuführen erlaubt, ein nicht zu vernachlässigender menschlicher Faktor und je nach Anwender unterschiedliche Vorgänge beteiligt sind. Die Sichtbarmachung der schwarzen Linie ist von der Sicht des Einzelnen abhängig. So ist festgestellt worden, dass bei der Sharples-Vorrichtung eine große Messwertstreuung vorhanden ist, die bei einer Spannung von etwa 5 MPa etwa 2 MPa betragen kann.
Aus dem Patent Nr. 2 563 337, das der Anmelderin gehört, ist eine weitere Vorrichtung für die Spannungsmessung bekannt, bei welcher die Nachteile der Sharples-Vorrichtung teilweise behoben sind. Diese Vorrichtung, die in der im Anhang befindlichen 1 dargestellt ist, umfasst eine Einrichtung 10 zum Aussenden von Licht und eine Einrichtung 12 zum Empfangen des Lichts, die über bzw. unter einem transparenten Material, beispielsweise einem Glasband 14, das die Produktionslinie verlässt, angeordnet ist. Dabei wird vorausgesetzt, dass das Glasband in der zur Ebene der Glasscheibe querstehenden Richtung durchläuft. Die Sendeeinrichtung umfasst eine Lichtquelle 16, einen Interferenzfilter 18 zum Filtern des Lichtstrahls und zum Durchlassen eines monochromatischen Lichtstrahls mit einer festgelegten Wellenlänge λ, ein optisches System 20, das dazu dient, den monochromatischen Lichtstrahl zu bündeln, einen sich drehenden Polarisator 22, der von einem Motor 24 über ein Zahnrad 26 angetrieben wird, und ein Viertelwellenlängenplättchen 28, das mit 45° zur Längsachse des Glasbandes geneigt ist.
Die Empfangseinrichtung 12 umfasst einen Analysator 30, der mit 45° zur Längsachse des Glasbandes geneigt ist, einen Interferenzfilter mit anschließender Photodiode 32 und einen Verstärker 34.
In der Nähe der Empfangseinrichtung 12 ist ein Pyrometer 36 zur Messung des Querprofils der Glastemperatur angebracht. Dabei sind die Ausgänge der Photodiode und des Pyrometers an einen Personalcomputer 38 angeschlossen.
Die Phasenverschiebung ψ wird von einem optischen Codeumsetzer gemessen und im Personalcomputer gespeichert. Daher kann ausgehend von der Formel (1) die Spannung σ an jeder Stelle des Glasbandes berechnet werden.
Sendeeinrichtung 10 und Empfangseinrichtung 12 sind auf zwei Brücken angebracht, die sich über bzw. unter dem Glasband befinden, und bewegen sich mit einer hin- und hergehenden Bewegung auf diesen Brücken entlang von Führungsschienen, die in Querrichtung zum Glasband ausgerichtet sind. Dabei muss die Bewegung der zwei Einrichtungen derart synchron sein, dass sich ihre optische Achse immer aufeinander ausgerichtet befindet.
Die Vorrichtung gemäß jenem Patent erlaubt die korrekte Messung der Spannungen, hat jedoch mehrere Nachteile:

– wegen der Verwendung von zwei Brücken, die synchron angetrieben werden müssen, sind die Kosten hoch,
– der rotierende Antrieb des optischen Systems, das von dem Polarisator und dem optischen Codeumsetzer gebildet wird, wird von mechanischen Transmissionen durchgeführt, die relativ kompliziert sind und eine ständige Wartung erfordern, und
– die Frequenz des Signals, die etwa einige Hertz beträgt, ist zu tief, um eine genaue Messung der Phasenverschiebung ψ durchführen zu können, da bei dieser Frequenz die Lichtstärke mit den kleinsten Störungen wie Staubkörnchen, Einschlüssen oder Unregelmäßigkeiten der auf dem Glas aufgebrachten Schichten schwankt.

Deshalb liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Spannungen vorgeschlagen werden, die leistungsfähig sind und es erlauben, die Translationsmechanik der Gehäuse zu vereinfachen und sogar völlig wegzulassen, sodass die Kosten gesenkt werden.
Sie betrifft auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Spannungen, die gegenüber Schwankungen der Lichtstärke unempfindlich sind, die von Staub, Einschlüssen im Glas und Unregelmäßigkeiten der auf dem Glas aufgebrachten Schichten verursacht werden.
Sie ist weiterhin auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Spannungen gerichtet, die es erlauben, richtige Messungen durchzuführen, selbst wenn das Signal in Bezug auf das statistische Rauschen schwach ist.
Vor Erläuterung der Erfindung wird zunächst das Prinzip erklärt, auf welchem sie beruht.
Ein doppeltbrechendes Medium wird einer Spannung unterworfen und zwischen einem Polarisator und einem Analysator angeordnet. Es ist bekannt, dass es eine Phasenverschiebung ψ₀ verursacht, und dass die Lichtstärke I, die am Ausgang des Analysators gemessen wird, maximal ist, wenn Polarisator und Analysator zueinander quer und mit 45° in Bezug auf die eigenen Achsen des doppelbrechenden Mediums stehen. Diese Lichtstärke ist gegeben durch die Formel:
worin C den Kontrast und I₀ die Lichtstärke bei Transmission bedeutet.
Die Phasenverschiebung ψ₀ kann die Summe aus mehreren Phasenverschiebungen sein, die von verschiedenen optischen Komponenten verursacht werden. Wenn eine dieser Komponenten ein Modulator ist, beispielsweise vom photoelastischen Typ, dessen eigene Achsen mit denjenigen des Glasbandes zusammenfallen, erhält man ψ0 = ψ + ψm,worin

– ψ die zu messende Phasenverschiebung des Glasbandes und
– ψ_m die vom Modulator verursachte Phasenverschiebung bedeutet.

Indem mit f₀ die Anregungsfrequenz des Modulators bezeichnet wird, erhält man ψ_m = A₀ cos(2πf₀t).
Die gemessene Lichtstärke wird dann zu:
Dieser Ausdruck wird umgeformt zu:
Die Amplituden der Komponenten von I bei den Frequenzen f₀ und 2f₀ sind jeweils gegeben durch: B(f0) = –CI0J1(A0)·sinψ B(2f0) = –CI0J2(A0)·cosψ,worin J_n Bessel-Funktionen der n-ten Ordnung bedeuten.
Jedoch erlauben es die beiden Komponenten nicht, die Phasenverschiebung ψ zu berechnen, da unter Berücksichtigung der tatsächlichen Messbedingungen der Kontrast C gleich einem unbekannten Wert von unter 100% ist. Weiterhin ist I₀ unbekannt unter der Voraussetzung, dass die Absorption des Glases von einer Zusammensetzung zur nächsten variiert und Staub, Einschlüsse im Glas und Oberflächenunregelmäßigkeiten eine schnelle Veränderung von I₀ verursachen.
Diese Schwierigkeiten werden beseitigt, indem berechnet wird das Verhältnis:
aus welchem man erhält:
So erlaubt es die Kenntnis der zwei Komponenten bei f₀ und 2f₀ des Signals, die Phasenverschiebung ψ und damit die Spannung σ abzuleiten. Diese Feststellung gilt selbstverständlich für jede Komponente 2n·f₀ und (2n + 1)·f₀, wobei dies nur den Wert der Bessel-Koeffizienten im letzten Glied verändert.
Das zuvor beschriebene Prinzip ist sehr allgemein und lässt sich sowohl auf Transmission als auch auf Reflexion anwenden.
Erfindungsgemäß wird dieses Prinzip angewendet, um die Mechanik der Translation der Vorrichtung zu vereinfachen und die Leistungsfähigkeit der Messungen zu erhöhen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Spannungen nach Patentanspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ein transparentes Material angewendet werden, das zu einer Bewegung angetrieben wird. Dies ist beispielsweise bei einem Floatglasband der Fall, das eine Glasproduktionslinie verlässt. Es kann dann die gesamte Oberfläche des Materials abgetastet werden, vorausgesetzt, dass die Amplitude der Schwingungsbewegung des Lichtstrahls mindestens gleich der Abmessung des Materials ist, die quer zu dessen Bewegungsrichtung verläuft.
Entsprechend einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Licht, welches das transparente Material durchstrahlt hat, mittels eines streuenden und/oder reflektierenden Bandes zurückgeschickt, das in Bezug auf die das Licht aussendende Einrichtung auf der anderen Seite des transparenten Bandes angeordnet ist, und wird die das Licht empfangende Einrichtung auf derselben Seite wie die das Licht aussendende Einrichtung angeordnet, um das zurückgeschickte Licht zu empfangen.
Vorteilhafterweise können dann die das Licht aussendende Einrichtung und die das Licht empfangende Einrichtung fest miteinander verbunden, an einem Festpunkt angeordnet und mit einer oszillierenden Bewegung angetrieben werden. Durch diese Ausführungsform enthält die Messvorrichtung keine Brücke, um Sende- und Empfangseinrichtung zu tragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf ein transparentes Material angewendet werden, das auf einer Seite mit einer opaken Schicht überzogen ist, wie dies bei Autoglasscheiben der Fall ist, die am Umfang mit einer Emailschicht mit sehr dunkler Farbe bedeckt sind. Der Lichtstrahl, der die Sendeeinrichtung verlässt, dringt in das transparente Material auf der Seite ein, die derjenigen gegenüberliegt, die mit der opaken Schicht versehen ist. Wenn er diese erreicht, wird das Licht in allen Richtungen gestreut, wobei ein Teil des gestreuten Lichts die opake Schicht durchstrahlt und ein Teil reflektiert wird. Die das Licht empfangende Einrichtung kann entweder auf der Seite der opaken Schicht derart angeordnet werden, dass sie das gestreute Licht empfängt, welches das transparente Material durch strahlt hat, oder auf der der opaken Schicht gegenüberliegenden Seite derart angeordnet werden, dass sie das von dieser reflektierte Licht empfängt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Messen der Spannungen nach Patentanspruch 12.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die Nachteile der Vorrichtungen des Standes der Technik nicht auf. Insbesondere ist die Konstruktion dieser Vorrichtung aufgrund der Tatsache sehr einfach, dass sie keine Brücke enthält.
Darüber hinaus erlaubt die Verwendung des photoelastischen Modulators, den Polarisator fest angebracht zu halten. Daraus resultiert eine Vereinfachung des mechanischen Systems.
Außerdem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht zu regeln. Obwohl die maximale Lichtstärke nur erhalten werden kann, wenn sich Polarisator und Analysator kreuzen und mit einem Winkel von 45° in Bezug auf die eigenen Achsen des transparenten Materials angeordnet sind, ist diese Bedingung erfindungsgemäß nicht zwingend. Anders ausgedrückt muss der Kontrast C nicht zwangsweise gleich 100% sein, da, wie weiter oben erläutert worden ist, das Verhältnis von B(f₀)/B(2f₀) nicht vom Kontrast abhängt.
Aus demselben Grund ist die Vorrichtung unempfindlich gegen Schwankungsprobleme der Lichtstärke I₀, die von Staub, Einschlüssen und Unregelmäßigkeiten der Schichten verursacht werden. Außerdem ist, bei der relativ hohen Modulationsfrequenz, die 50 kHz beträgt, die Messgeschwindigkeit derart hoch, dass, während der Messung die Schwankung der Lichtstärke I₀ vernachlässigbar ist.
Obwohl ein Diffusor das Licht teilweise depolarisiert, was demzufolge auf unbekannte Weise den Kontrast noch kleiner werden lässt, ist die Messung aus demselben Grund wie zuvor immer zuverlässig.
Ein anderer Vorteil besteht in der Tatsache, dass der Einsatz, der synchronen Detektion zur Messung der Lichtstärkeamplituden bei f₀ und 2f₀ die Vorrichtung gegenüber statistischem Rauschen sehr robust macht. Sie erlaubt es, richtige Messungen durchzuführen, selbst wenn das Signal in Bezug auf das statistische Rauschen schwach ist.
Schließlich erlauben es erfindungsgemäßes Verfahren und erfindungsgemäße Vorrichtung, das Spannungsprofil über die gesamte Breite des transparenten Materials zu verfolgen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird anschließend anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Zeichnungen näher erläutert, wobei:
1 eine schematische Ansicht einer Spannungsmessvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
2 eine schematische Ansicht einer Spannungsmessworrichtung, die in Transmission angeordnet ist und auf dem erfindungsgemäßen Prinzip beruht, wobei das transparente Material aus einem Kalibrierkörper besteht,
3 einen schematischen Schnitt durch einen photoelastischen Modulator,
4 den Modulationszyklus des photoelastischen Modulators,
5 ein Spannungsprofil, das mit der Vorrichtung von 2 und einem Kalibrierkörper aus transparentem Material erhalten wurde,
6 eine schematische Ansicht einer Spannungsmessvomchtung, die mit Diffusion entsprechend einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform angeordnet ist, in welcher eine einzige Brücke verwendet wurde,
7 ein Spannungsprofil, das mit der Vorrichtung von 6 und mit einem Kalibrierkörper aus transparentem Material erhalten wurde, und
8 eine schematische Ansicht einer Spannungsmessvorrichtung, die ebenfalls mit Diffusion angeordnet wurde, wobei jedoch keine Brücke verwendet wurde, zeigt und die
9, 10, 11 jeweils Spannungskurven, die mit den Vorrichtungen der 1, 6 und 8 und einem Floatglasband erhalten wurden, zeigen und
12 die theoretische Veränderungskurve der Spannung im Umfangsbereich einer Glasscheibe, der mit einer opaken Schicht überzogen ist, in Abhängigkeit vom Abstand vom Rand der Glasscheibe,
13 eine Vorrichtung zur Messung der Spannungen in diesem Bereich, wobei die Messungen mit Transmission-Diffusion durchgeführt wurden,
14 die Veränderungskurve der Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Position über dein zu vermessenden Bereich der Glasscheibe, die mit der Vorrichtung von 13 erhalten wurde,
15 dieselbe Kurve, aber korrigiert, um den Phasenverschiebungssprung zu beseitigen,
16 das Spannungsprofil, das von der Kurve von 15 abgeleitet wurde, und
17 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Spannungen in demselben Bereich, in welchem die Messungen unter Reflexion-Diffusion durchgeführt wurden, zeigt und die
18 und 19 Veränderungskurven der Phasenverschiebung, die analog zu 14 bzw. 15 sind und mit der Vorrichtung von 17 erhalten wurden, zeigen und
20 das Spannungsprofil, das aus der Kurve von 19 abgeleitet worden ist,
21 die zwei einander überlagerten Kurven der 16 und 20 und
22 eine Ausführungsform der Glasscheibe, auf welche das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann, wobei die Glasscheibe eine Verbundglasscheibe ist und eine opake Schicht umfasst, die sich zwischen zwei konstitutiven Schichten befindet, zeigt.
Spezielle Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung betrifft den speziellen Fall eines Floatglasbandes, das eine Produktionslinie verlässt, sie kann jedoch auch ein beliebiges transparentes Material betreffen.
Da 1 bereits beschrieben worden ist, gehen wir direkt zur Beschreibung von 2 über, in welcher eine Vorrichtung zum Messen der Spannungen durch Transmission dargestellt ist, welche einen photoelastischen Modulator und eine Detektionseinrichtung enthält, die synchron ist und dazu dient, die Richtigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen von Spannungen durch Lichtstreuung zu bestätigen.
Das Prinzip dieser Validisierung ist folgendes: Anstelle des Glasbandes werden Kalibrierkörper 40 aus vorgespanntem Glas eingesetzt, deren Spannungsprofile vollständig bekannt sind. Diese Kalibrierkörper werden aus Glasscheiben erhalten, die im Kühlofen abgekühlt sind, um ein Spannungsprofil zu erhalten, das ähnlich demjenigen eines Glasbandes ist, das die Produktionslinie verlässt.
Diese Kalibrierkörper werden nacheinander in die Messvorrichtung von 2 eingesetzt. Diese Vorrichtung erlaubt es, das Spannungsprofil des jeweiligen Kalibrierkörpers experimentell zu ermitteln. Wenn das von der Messung festgestellte Profil dasselbe wie das bekannte Profil des Kalibrierkörpers ist, kann der Schluss auf die Richtigkeit des erfindungsgemässen Verfahrens gezogen werden.
In 2 ist ein Koordinatensystem 0xyz gezeigt, dessen Achsen 0x, 0y und 0z parallel zur Längsrichtung, Querrichtung bzw. zu der zur Ebene des Kalibrierkörpers 40 senkrecht stehenden Richtung verlaufen.
Die Vorrichtung von 2 enthält eine Quelle 42 für monochromatisches Licht, beispielsweise einen Helium-Neon-Laser mit 2 mW (λ = 632,8 nm) Das Licht durchstrahlt nacheinander einen Polarisator 44, der mit 45° zur 0y-Achse ausgerichtet ist, einen photoelastischen Modulator 46, der derart ausgerichtet ist, dass seine Achsen mit der 0x- und 0y-Achse zusammenfallen, den gläsernen Kalibrierkörper 40 mit bekanntem Spannungsprofil, wobei die Spannungsrichtung parallel zur 0y-Achse verläuft, einen Analysator 48, der mit – 45° zur 0y-Achse ausgerichtet ist, und eine Photodiode 50, die das Licht in ein elektrisches Signal umwandelt.
Aufbau und Funktionsweise eines photoelastischen Modulators werden unter Bezugnahme auf die 3 und 4 kurz erläutert.
Der photoelastische Modulator 46 besteht aus einem Stab 60 aus transparentem Material, beispielsweise Siliciumdioxid, wovon ein Ende auf einen piezoelektrischen Kristall 62 geklebt ist, und dessen anderes Ende an einem mechanischen Anschlag 63 anliegt.
Der Modulator ist eine Resonanzeinrichtung, die eine mit einer feststehenden Frequenz oszillierende Doppelbrechung erzeugt. Im vorliegenden Fall beträgt die Frequenz 50 kHz.
Der piezoelektrische Kristall wird mit der Resonanzfrequenz des transparenten Stabs 60 angeregt und von einem elektronischen Schaltkreis gesteuert, der die Amplitude der Schwingungen regelt. Dabei bestimmt die Schwingungsamplitude den Modulationszyklus des Polarisationszustands des Lichts, das den Modulator verlässt. Anschließend wird mit einer Amplitude A₀ = π gearbeitet.
In 4 ist die Veränderung der Schwingungsamplitude mit der Zeit für einen Polarisationszustand bei 45° des Modulators gezeigt.
Wieder bezugnehmend auf 2 wird das die Photodiode verlassende Signal in eine synchrone Detektionseinrichtung 52 geschickt, die zwei Verstärker 54, 56 mit synchroner Detektion umfasst, deren Referenzfrequenzen vom photoelastischen Modulator 46 geliefert werden. Diese Referenzfrequenzen können gleich f₀ und 2f₀, beispielsweise 50 kHz und 100 kHz, gewählt werden. Am Ausgang der Verstärker 54, 56 werden zwei analoge Signale B(ω₀) und B(2ω₀) gewonnen, die den spektralen Komponenten bei f₀ (50 kHz) und 2f₀ (100 kHz) des von der Photodiode gemessenen Signals entsprechen.
Die beiden analogen Signale werden in digitale von einer Erfassungsbank 58 umgewandelt, welche die Höhe der Phasenverschiebung ψ, indem sie den weiter oben erwähnten Ausdruck (2) anwendet, und folglich die Spannung ermittelt. Mein erhält so direkt die Verfolgung des Spannungsprofils des gläsernen Kalibrierkörpers.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel werden zwei Kalibrierkörper mit einer Spannung in der Mitte von 3,25 MPa für den einen und von 3,9 MPa für den anderen und mit im wesentlichen einem Parabolprofil verwendet.
Für A₀ = π erhält man J₁(A₀) = 0,2846 und J₂(A₀) = 0,4854.
Indem diese Werte in den Ausdruck (2) eingesetzt werden, erhält man:
worin Co = 2,6·10^–6 MPa^–1.
In 5 ist das so erhaltene Spannungsprofil gezeigt.
Dabei ist festzustellen, dass das Profil vollkommen dem Profil entspricht, das im Stand der Technik für den Kalibrierkörper gemessen wurde, da in 5 ein Maximum von 3,20 MPa zu erkennen ist, während, wie weiter oben erläutert, der manuell gemessene Wert 3,25 MPa betrug.
Dieser Versuch wurde mit mehreren vorgespannten Kalibrierkörpern aus Glas wiederholt, wobei jedes Mal die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Werte gleich den manuell gemessenen waren.
Die Richtigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde daher in der mit Transmission arbeitenden Gestaltung bestätigt.
Anschließend wird die Anwendung dieses Verfahrens mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Spannung durch Lichtstreuung erläutert.
Eine erste Ausführungsform dieser Vorrichtung ist in 6 dargestellt. In dieser Figur werden die Elemente, die denjenigen von 2 entsprechen, mit denselben Bezugszahlen nummeriert. Dabei unterscheidet sich die Vorrichtung von 6 von derjenigen von 2 durch die Tatsache, dass

– die Sendeeinrichtung (die den Laser 42, den Polarisator 44 und den Modulator 46 umfasst) und die Empfangseinrichtung (die den Analysator 48 und den Detektor 50 umfasst) auf derselben Seite wie das zu vermessene Glas 40 angeordnet sind,
– sie ein Band 60 aus einem reflektierenden oder lichtstreuenden Material enthält, das auf der anderen Seite des Glasbandes angeordnet und in der Lage ist, wenigstens einen Teil des auffallenden Lichtstrahls 62, den es empfängt, zur Empfangseinrichtung in Form eines gestreuten Strahls 64 zurückzuschicken, und
– die Photodiode durch eine empfindlichere Lawinenphotodiode ersetzt wurde, da der gestreute Lichtstrom 64 schwächer als der hindurchgelassene Lichtstrom 62 ist.

Dabei ist festzustellen, dass ein weiterer Unterschied, der im Vergleich zur Transmission bemerkenswert ist, darin besteht, dass das Licht, bevor es detektiert wird, zweimal das Glas durchstrahlt. Indem ein kleiner Winkel zwischen Sende- und Empfangsachse gewählt wird, wird die Spannung zweimal gemessen, wodurch sich die Messempfindlichkeit verdoppelt.
Sende- und Empfangseinrichtung sind in ein und demselben Gehäuse 65 vereinigt, das hin- und herbeweglich auf einer nicht dargestellten Einschienenbrücke angebracht ist. Dabei ist die Schiene quer zur Durchlaufrichtung des Glasbandes 40 derart angeordnet, dass während des Hin- und Hergehens des Gehäuses der ausgesendete Lichtstrahl 62 das Glasband über dessen gesamte Breite durchläuft.
Das Band 60 ist quer zum Glasband angeordnet, vorzugsweise in der vertikalen Ebene, welche die Schiene enthält und quer zum Glasband verläuft. Das Band wird vorzugsweise aus einem Material mit reflektierender Signalgebung oder einem weiß anodisierten Metall hergestellt.
Ein Messbeispiel an einem Kalibrierkörper ist in 7 dargestellt. Es wurde eine maximale Spannung σ_M = 7,80 MPa in der Mitte der Glasscheibe gemessen, während der gegebene Wert 3,9 MPa war, was etwa der Hälfte des Messwerts entspricht.
Dabei ist der Sprung festzustellen, der am Profilende existiert. Dieser Sprung wird von der Tatsache verursacht, dass dadurch, dass sich die Messempfindlichkeit verdoppelt, die gemessene Phasenverschiebung 90° übersteigt. Daraus resultiert, dass der Ausdruck (2), der die Bestimmung der Spannung erlaubt, ein Ergebnis ergibt, das eine Verschiebung um eine Periode von 180° im Arcustangens darstellt. Dieser Sprung lässt sich leicht numerisch korrigieren.
Das so erhaltene Profil entspricht vollkommen dem manuell gemessenen. Die Richtigkeit des mit Diffusion arbeitenden Aufbaus wurde daher ebenfalls nachgewiesen. Dieser Aufbau ist vorteilhaft, da er es erlaubt, nur eine einzige Brücke zu verwenden.
Anschließend wird auf 8 Bezug genommen, in welcher eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen der Spannung durch Diffusion dargestellt ist.
Wie in der vorhergehenden Ausführungsform sind Strahlungs- und Empfangseinrichtung nebeneinander in einem Gehäuse angeordnet, das schematisch durch den Punkt 0 dargestellt ist. Das Gehäuse ist in feststehender Position über dem Glasband 40 angebracht.
Das Sende- und Empfangssystem dreht sich derart um den festen Punkt 0, dass der Laserstrahl angulär die gesamte Breite des Glasbandes abtastet. Dabei variiert der Abtastwinkel θ₀ zwischen –45° und +45°. Die Rückkehr des Lichts wird von einem Band 60 aus lichtstreuendem Material sichergestellt, das auf einem Querträger befestigt ist, der unter dem Glasband angeordnet ist.
Wie in 8 gezeigt, befindet sich das Sende-Empfangs-System nicht in der Vertikalen zum Glasband, sondern ist mit einem Winkel α₀ in Bezug auf die Vertikale angulär nach hinten verschoben, um die durch Spiegelreflexion verursachte Rückkehr eines vom Glas reflektierten Strahls zu verhindern, wenn der Laserstrahl das Glasband quer (θ₀ = 0) abtastet.
Während des angulären Abtastens empfängt der Detektor immer eine recht stabile Lichtstärke. Wenn jedoch der durch Spiegelreflexion reflektierte Strahl durchgebrochen ist, wird eine plötzliche Erhöhung der Lichtstärke beobachtet, die den Detektor sättigen kann. Außerdem enthält die Spiegelreflexion auch eine Information über die Interferenz zwischen den Reflexionen auf den beiden Seiten des Glasbandes, wodurch die zuvor erläuterte Theorie ungültig wird. In der Praxis wird α₀ auf den niedrigen Wert von 5° eingestellt.
Die Gestaltung in 8 ist noch einfacher und wirtschaftlicher als diejenige von 6, da sie keine Brücke enthält. Außerdem ist es, da das Sende-Empfangs-System ganz über dem Glasband angeordnet werden kann, möglich, ein Kühlsystem zu installieren. Dies bietet die Möglichkeit Spannungsmessungen in der Wärme durchzuführen.
Jedoch erfordern die Ergebnisse, die von der Vorrichtung in 8 geliefert werden, eine Korrektur, da das anguläre Abtasten des Glasbandes bedeutet, dass der Einfallswinkel des Laserstrahls auf dem Glas veränderlich ist und die Dicke des durchstrahlten Glases ebenfalls veränderlich ist. Der Ausdruck (5), worin die Dicke E als konstant vorausgesetzt wird, lässt sich daher nicht mehr anwenden.
Es wird gezeigt, dass die Effektivspannungen σ'_i die an einem festen Punkt gemessen werden, wenn der Einfallswinkel auf dem Glas variiert, mit den zu messenden Spannungen σ_i durch folgende Relationen verknüpft sind: σ'1 = σ1(cos2θ'0 – sin2α'0sin2θ'0) σ'2 = σ2cos2α'0 ,worin α'₀ und θ'₀ zwei im Glas definierte Winkel derart bedeuten, dass n·sinα'₀ = sinα₀ und n·sinθ'₀ = sinθ₀, wobei n den Brechungsindex des Glases bedeutet.
Im erfindungsgemäßen konkreten Fall erhält man σ₁ = 0 und α'₀ ist sehr klein. Daraus resultiert, dass σ'₂ ≃ σ₂. Die effektive Dicke ist dann E_e = E/cosθ'₀. Schließlich ist die Phasenverschiebung ψ gegeben durch die Formel:
In 9 ist die Veränderungskurve der Spannungen in einer Produktionslinie für Floatglas für eine Vorrichtung des Standes der Technik und in 10 die Kurve für eine mit Diffusion arbeitende Messvorrichtung mit einer einzigen Brücke gezeigt. Es ist die sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse festzustellen, die mit den beiden Messsystemen erhalten wurde.
Schließlich ist in 11 die Veränderungskurve der Spannungen für eine mit Diffusion arbeitende Messvorrichtung ohne Brücke gezeigt, wobei die punktgestrichelte Kurve die "Rohkurve" und die durchgezogene Kurve die korrigierte Kurve ist, bei welcher die Veränderung des Einfallswinkels berücksichtigt wurde.
Das erfindungsgemäße Spannungsmessverfahren kann angewendet werden, um Messungen an Spezialgläsern wie Ornamentgläsern, die starke geometrische Verformungen aufweisen, und an stark absorbierenden Gläsern durchzuführen.
Aufgrund ihrer hohen Messgeschwindigkeit ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung in der Lage, korrekte Messungen an Ornamentglas durchzuführen, da die Messzeit derart kurz ist, dass innerhalb dieses Zeitraums die Verformung des Glases das Signal nicht signifikant stören kann.
Außerdem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber statistischem Rauschen sehr robust. Die Verarbeitung des Signals erlaubt es, den Messwert nachzuweisen, selbst wenn das Verhältnis von Signal/statistischem Rauschen klein ist. Die Vorrichtung erlaubt daher das Arbeiten mit Gläsern mit sehr starker Absorption.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch für die Messung von Spannungen in einem transparenten Material angewendet werden, das auf einer Seite mit einer Schicht aus opakem Material bedeckt ist. Dies trifft beispielsweise auf bestimmte Autoglasscheiben wie Frontscheiben zu, die am Umfang mit einer Emailschicht mit sehr dunkler Farbe bedeckt sind, um den zum Anbringen der Glasscheibe erforderlichen Klebstoff vor ultravioletter Strahlung zu schützen und auch Fehler der Dichtung zu verdecken.
Es ist bekannt, am Rand dieser Glasscheiben eine gewisse Vorspannung zu erzeugen, um ihm, der im Allgemeinen zerbrechlich ist, eine erhöhte Widerstandsfähigkeit zu verleihen. Dies hat zur Folge, dass im Rand Druckspannungen und als Gegenstück in einem Band von einigen Zentimetern Breite in Bezug auf diesen Rand innen Dehnungsspannungen erzeugt werden. Dieses Phänomen ist in 12 veranschaulicht, in welcher die Veränderungskurve der Spannung in Abhängigkeit von der Entfernung vom Fand dargestellt ist. Dabei hat der Druckbereich eine Breite l und der Dehnungsbereich eine Breite L.
Das Messverfahren und die Messvorrichtungen, die zuvor beschrieben worden sind, können zur Messung der Spannungen über die gesamte Breite des Rands der Glasscheibe angewendet werden.
In 13 ist die mit Transmission arbeitende Messvorrichtung von 2 gezeigt, die zur Messung der Spannungen in einer mit einer opaken Schicht 41 bedeckten Glasscheibe geeignet ist. Dabei sind die Elemente dieser Vorrichtung, die gleich denen in 2 sind, mit denselben Bezugszahlen nummeriert. Diese Vorrichtung wird nicht beschrieben, sondern nur festgestellt, dass die das Licht aussendende Einrichtung auf der Seite angeordnet ist, die der Seite der Glasscheibe gegenüberliegt, die mit der opaken Schicht 41 bedeckt ist, und dass, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen, eine Sammellinse 51 und als Photodiode eine Lawinenphotodiode 50 verwendet wird.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel, in welchem der Modulator mit der Schwingungsamplitude n arbeitet und in welchem die Glasscheibe eine Verbundfrontscheibe mit einer Dicke von 4,8 mm ist, die mit einem Licht mit einer Wellenlänge von λ = 675 nm beleuchtet wird, wird das in 14 dargestellte Profil erhalten. Dieses Profil gibt die Phasenverschiebung ψ in Abhängigkeit vom Abstand zum Rand des Punktes wieder, an welchem die Messung durchgeführt wird, wobei die Entfernungseinheit eine willkürliche ist. ψ wird mit der weiter oben angegebenen Formel (2) berechnet.
Es ist bereits festgestellt worden, dass dieses Profil dasselbe Verhalten wie das in 12 dargestellte theoretische Profil hat. Die zu Beginn des Profils festgestellten Phasensprünge sind auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Arcustangensfunktion Werte von –90° bis +90° annimmt. Da der Wert der Phasenverschiebung größer als 90° ist, stellt das Ergebnis eine Verschiebung um eine Periode von 180° im Arcustangens dar.
Um diesen Fehler zu korrigieren, wird wie folgt verfahren:

– die drei Abschnitte AB, BC und DE der Kurve werden mit. einer Schere zerschnitten,
– der horizontale Abschnitt AB, der den in Luft durchgeführten Messungen vor dem Rand des Probekörpers entspricht und somit ohne Interesse ist, wird entfernt,
– der Abschnitt BC wird vertikal nach unten mit einer Amplitude von 90° derart verschoben, dass der Punkt C mit dem Punkt D übereinstimmt, wodurch der Abschnitt B'C erhalten wird, und
– die so erhaltene Kurve B'DE wird horizontal nach links derart geradlinig verschoben, dass der Punkt B' die Ordinate erreicht, wodurch die Kurve von 15 erhalten wird.

Anschließend wird die Phasenverschiebung in Spannungswerte umgewandelt, was die Kurve in 16 ergibt.
Den Kurven 15 und 16 sind die Maximalwerte der Phasenverschiebung und der Dehnungsspannung zu entnehmen. Sie betragen 34° bzw. 5,1 MPa. Die Minimalwerte der Phasenverschiebung und der Druckspannung betragen –160° bzw. –24,0 MPa.
In 17 ist die mit Reflexion arbeitende Messvorrichtung von 6 dargestellt, die für die Messung der Spannungen in einer Glasscheibe verwendet wird, die auf einer Seite mit einer opaken Schicht 41 bedeckt ist. Dazu ist lediglich festzustellen, dass die Sende- und die Empfangseinrichtung sich beide auf derselben Seite der Glasscheibe befinden, nämlich auf der Seite, die derjenigen gegenüberliegt, die mit der opaken Schicht bedeckt ist.
Diese Vorrichtung wird zum Messen der Phasenverschiebung ψ in dein zuvor beschriebenen Probekörper aus der Glasscheibe verwendet, wobei die Kurve von 18 erhalten wird. Dazu ist festzustellen, dass diese Kurve Phasensprünge aufweist, die zahlreicher als in 14 sind, da die Messempfindlichkeit in dieser Ausführungsform um den Faktor 2 erhöht ist.
Durch das weiter oben erläuterte Schnittverfahren wird die 19 konstruiert und davon ausgehend das in 20 dargestellte Spannungsprofil abgeleitet.
Aus 19 ist 70° für die maximale Phasenverschiebung bei Dehnung und –330° für die minimale Phasenverschiebung bei Druck abzulesen. Diese Werte entsprechen 5,2 MPa bei Dehnung bzw. –24,8 MPa bei Kompression.
Es ist festzustellen, dass die Spannungswerte, die bei Reflexion gefunden werden, praktisch gleich den bei Transmission gefundenen sind.
Weiterhin ist festzustellen, dass diese Werte auch mit denjenigen übereinstimmen, die mit der Sharpies-Vorrichtung gefunden werden. Bei einem Versuch, bei welchem der Probekörper mit einer Wellenlänge von 523 nm beleuchtet wurde, wurden 5,1 MPa für die Ausdehnung und –23,3 MPa bei Kompression gefunden.
Um die Übereinstimmung der Messungen besser zu verstehen, die durch das mit Transmission arbeitende Verfahren und das mit Reflexion arbeitende Verfahren durchgeführt wurden, wurden die Kurven der 16 und 20 wie in 21 gezeigt in dasselbe Diagramm eingetragen.
Trotz Übereinstimmung der Ergebnisse wird der mit Transmission arbeitende Aufbau bevorzugt, da seine Empfindlichkeit weitgehend ausreichend ist. Die doppelte Empfindlichkeit des mit Reflexion arbeitenden Aufbaus ist eher ein Nachteil, da die Phasensprünge, die bei ihm zu Beginn des Profils vorgefunden werden, störend und nutzlos sind und durch eine digitale Verarbeitung beseitigt werden müssen. Außerdem ist festgestellt worden, dass das Profil bei Transmission glatter als dasjenige bei Reflexion ist. Schließlich ist die Interpretation der bei Reflexion erhaltenen Ergebnisse schwierig, da die Vorderseite des Probekörpers, die klar und oftmals schmutzig ist, viel diffuses Licht erzeugt, das im Verhältnis zu dem von der opaken Schicht gestreuten Licht, das allein für die Messung nützlich ist, ein parasitäres Licht darstellt.
Im Vorhergehenden der Beschreibung befand sich die opake Schicht auf einer Außenseite der Glasscheibe, wobei sich die Erfindung auch auf die Glasscheibe von 22 anwenden lässt, bei welcher die opake Schicht 41 zwischen zwei angrenzenden Schichten der Glasscheibe, beispielsweise zwischen einer Glasscheibe 43 und einer Zwischenhaftschicht aus Kunststoff 45, eingeschlossen ist.

Claims

Verfahren zum Messen der Formspannungen in einem transparenten Material wie einer Glasscheibe, das die Stufen umfasst, die darin bestehen: – einen polarisierten monochromatischen Lichtstrahl von einer Vorrichtung zum Aussenden von Licht, die mit einer oszillierenden Bewegung angetrieben wird, auszusenden, um das transparente Material abzutasten, – den transparenten Strahl durch einen photoelastischen Modulator mit zwei Referenzfrequenzen, f₀ und 2f₀, zu schicken, – den modulierten Lichtstrahl, der den Modulator verläßt, durch das transparente Material zu schicken, – das Licht, das das transparente Material durchstrahlt hat, in einer Lichtempfangseinrichtung zu empfangen, die einen Analysator umfasst, der in der Lage ist, die Modifizierungen zu ermitteln, die von der Doppelbrechung des transparenten Materials aufgrund der Spannungen, die es enthält, verursacht worden sind, – den empfangenen Lichtstrahl in ein entsprechendes elektrisches Signal umzuwandeln, – die Frequenzkomponenten B(f₀) und B(2f₀) des elektrischen Signals zu detektieren, die den Referenzfrequenzen des Modulators entsprechen, – aus diesen Frequenzkomponenten die Phasenverschiebung ψ des empfangenen elektrischen Signals, wenn Spannungen im Material herrschen, in Bezug auf den Fall, in welchem das Material keinen Spannungen unterliegt, durch die Formel
in welcher J₁ und J₂ Bessel-Funktionen erster und zweiter Ordnung bedeuten und A₀ die Modulationsamplitude der Phasenverschiebung des Modulators bedeutet und – die Spannung σ mit der Formel
worin λ die Lichtwellenlänge, E die Dicke der Glasscheibe und C₀ die Photoelastizitätskonstante des Materials bedeutet, zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das Licht, das das transparente Material durchstrahlt hat, mittels eines streuenden und/oder reflektierenden Bandes, das in Bezug auf die das Licht aussendende Einrichtung auf der anderen Seite des transparenten Bandes angeordnet ist, zurückgeschickt wird, und die das Licht empfangende Einrichtung auf derselben Seite wie die das Licht aussendende Einrichtung angeordnet wird, um das zurückgeschickte Licht zu empfangen.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das Licht, welches das transparente Material durchstrahlt hat, durch ein streuendes und/oder reflektierendes Band geschickt wird, das in Bezug auf die das Licht aussendende Einrichtung auf der anderen Seite des transparenten Materials angeordnet ist, und die Empfangseinrichtung in Bezug auf das streuende und/oder reflektierende Band auf der anderen Seite des transparenten Materials derart angeordnet wird, dass sie das Licht empfängt, welches dieses Band durchstrahlt hat.
Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, in welchem das transparente Material mit einem monochromatischen Lichtstrahl abgetastet wird, der in Bezug auf das transparente Material hin- und hergeht, und das Material seinerseits mit einer Relativbewegung in einer Richtung bewegt wird, die zu der hin- und hergehenden Bewegung im Wesentlichen quer verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, in welchem der Lichtstrahler und die das Licht empfangende Einrichtung fest miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 5, in welchem der Abtastvorgang ausgehend von einem Festpunkt durchgeführt wird, wobei die aussendende Einrichtung und die empfangende Einrichtung an diesem Punkt mit einer Schwingbewegung angetrieben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem es auf das Messen der Spannungen in einem Glasband, insbesondere in einem Floatglas in einer Produktionslinie, angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem es auf die Messung der Spannungen in einem transparenten Objekt angewendet wird, das auf einer Seite mit einer im Wesentlichen opaken Schicht, die insbesondere aus einem Email mit einer sehr dunklen Farbe besteht, derart überzogen ist, dass sie den Rand eines Autoglases bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 8, in welchem der Strahl, der von der das Licht aussendenden Einrichtung ausgesendet wird, in das transparente Material auf der Seite eintritt, die der mit der opaken Schicht bedeckten Seite gegenüberliegt, und das von der opaken Schicht gestreute Licht von einer Empfangseinrichtung empfangen wird, die sich auf der der opaken Schicht gegenüberliegenden Seite befindet.
Verfahren nach Anspruch 9, in welchem der Strahl, der von der aussendenden Einrichtung ausgesendet wird, in das transparente Material auf der Seite eintritt, die der mit der opaken Schicht bedeckten Seite gegenüberliegt, und das von der opaken Schicht gestreute Licht von einer Empfangseinrichtung empfangen wird, die sich auf der Seite der opaken Schicht befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, in welchem es auf gebogene Glasscheiben angewendet wird, und die Formel, welche die Spannung σ in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung ψ liefert, in Abhängigkeit von Einfallswinkel und Dicke korrigiert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche – eine Licht aussendende Einrichtung, die eine Lichtquelle (42), die einen monochromatischen Lichtstrahl aussendet, einen Polarisator (44) und einen photoelastischen Modulator (46), der zwei Referenzfrequenzen, f₀ und 2f₀, liefert, umfasst, – Mittel zur Relativbewegung des Lichtstrahls (62) in Bezug auf das transparente Material (40), – eine Empfangseinrichtung für das Licht, nachdem es das transparente Material durchstrahlt hat, die einen Analysator (48), eine Photodiode (50) und zwei Verstärker mit synchroner Detektion (54, 56) mit als Referenz die zwei vom Modulator gelieferten Frequenzen umfasst, und – eine Erfassungsbank (58), welche die Berechnung der Phasenverschiebung ψ und der Spannung σ erlaubt, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, in welcher sie auch ein streuendes und/oder reflektierendes Band (60) enthält, das sich auf der Seite des transparenten Materials (40) befindet, die der das Licht aussendenden Einrichtung gegenüberliegt, die mit der das Licht empfangenden Einrichtung fest verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, in welcher die das Licht aussendende Einrichtung und die das Licht empfangende Einrichtung mit einer oszillierenden Bewegung angetrieben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 12, in welcher die aussendende Einrichtung und die empfangende Einrichtung sich auf beiden Seiten des transparenten Materials (40) befinden und dieses mit einer im Wesentlichen opaken Schicht (41) bedeckt ist, die sich auf der Seite der Empfangseinrichtung befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 15, in welcher eine optische Sammellinse (51) vorgesehen ist, um den vom Analysator (48) austretenden Strahl auf die Photodiode (50) konvergieren zu lassen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, in welcher das transparente Material eine Verbundglasscheibe ist und die opake Schicht (41) zwischen zwei einander benachbarte Lagen (43, 45) der Verbundglasscheibe eingeschlossen ist.