測量透明材料厚度的方法和裝置的製作方法

2023-08-04 14:49:41

專利名稱：測量透明材料厚度的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量透明材料厚度的方法和裝置。具體來說(而非限制性的)，本發明可用於測量玻璃的厚度，特別是測量如瓶子或長頸瓶等玻璃容器的厚度。
用戶對總體質量的要求和對瓶重的減少都需要對這些瓶子的厚度進行非常嚴格的控制。
在玻璃製造工業中，為進行厚度測量通常採用以測量電容為基礎。由於玻璃是絕緣體，所以通過電極來測量玻璃的電容就可以確定該處的玻璃厚度。
在EP300,616和EP363,114專利中專門描述了上述測量技術。它是在繞其軸線旋轉的瓶子上施加一個測頭，該測頭為長的電極。
這種方法的缺點是測頭壓緊在瓶壁上，它必然導致測頭的迅速磨損，而且瓶子的轉動會使磨損加大。如果瓶子上存有一個較大的疵點並恰好與測頭相撞的話，那麼測頭有可能被完全損壞。
法國專利公開2,129,416中公開了另一種測量。該方法是建立一個高頻的電磁場，並測量由於絕緣體的引入而造成的該場強的變化。傳感器中的電壓表示了該場強的變化，且該電壓與絕緣體的厚度成正比。
然而該技術無法精確測量厚度，它更多地是用來確定厚度是否低於一個界限值，而不是給出準確的測量值。
此外，它也需要與瓶子相接觸，從而導致前一種技術中已描述過的那種測頭的過早磨損。
測頭過早的磨損和突然的損壞需要頻繁更換檢測器或測頭，導致控制系統的維護成本增加。
另外，每次測頭損壞和/或更換時，需要對一系列測量不準確的物品重新進行測量，並且在控制中斷時，生產過程也要停下來，從而導致產量下降。
本發明的主要目的是提供一種測量透明材料(特別是玻璃物品)厚度的方法，且該方法具有很高的測量精度。
本發明的另一個目的是避免測量工具受到過早的磨損或毀壞的危險，特別是避免放在測量工具上的物品的磨擦所造成的這種磨損或毀壞。
本發明的還一個目的是提供一種對連續運動的整個物品的厚度進行測量的測量方法。
本發明人認為，可以將透明材料看成是一個幹涉儀，在該材料上的垂直入射光被材料的兩個表面反射，這兩束反射光產生具有位相差的幹涉，即δ＝2n·e (1)其中n表示折射率，e表示透明材料的厚度。
此外，根據光學幹涉測量原理，當光源為單色光時，光檢測器收到的幹涉信號為Sint=I0(1+Kcos(2))---(2)]]>其中I0和λ分別表示該單色光源的光強度和波長，K表示幹涉的對比度。
通過確定位相差就可以很容易地確定出透明材料的厚度。然而，由於幹涉信號的周期是位相差的函數，所以這種方法的使用受到一定的限制。實際上，因為位相差是由相位測量確定的，所以它存在一定的模糊度。為了確定位相差，相位必須小於π，即位相差小于波長的一半。這種現象雖然能使厚度的測量非常準確，但卻只能將材料的厚度限制為小於1微米。
採用本發明可以克服這種測量技術的限制所造成的不足。本發明測量透明或半透明材料的厚度的方法包括發射一束光頻率經調製的光束；然後接收從材料壁面的各表面反射回來的、最好是平行的兩束光；使這兩束光產生幹涉並確定幹涉信號的位相差。
位相差最好由每個調製周期中幹涉信號的拍數導出。
所述的光束最好由雷射二極體發出。如果材料具有平行的表面，則可採用平行光；如果材料具有非平行的表面，則光束最好聚集在材料的壁面上。
這樣，該測量方法可用於透明基材的測量，該基材的厚度最好大於0.1mm。
實際上，採用該方法測量基材的厚度可以忽略薄膜或表面塗層(如覆蓋在瓶面上的潤滑劑)的厚度，這樣就可以避免其所造成的各種幹擾。
所發出的光束的光波頻率最好通過調節供給雷射二極體的電流來進行調製。
而且光束的光波頻率最好進行線性調製。
根據本發明的一個最佳實施例，將波長的倒數1/λ進行線性調製，從而可以對光波頻率進行調製。光波頻率ω0＝c/λ，其中c為光速。經分析，1/λ可以被當作是光的頻率。在線性調製中，該頻率由方程(3)表示1=10+02tT---(3)]]>其中Δλ表示沒有振蕩模跳變時的波長變化，T表示調製周期，t表示時間。
在一個檢測時間t，檢測器同時接收到兩束經由玻璃的兩個表面傳出的光束。
由於這兩束光之間存在位相差，它們彼此之間具有一定的時間延遲，所以其光波頻率不同。
幹涉信號可由下述方程表示Vint＝I0(1＋K·cos(φ0＋ωt)) (4)0=20------(5)]]>=2(02)T-----(6)]]>其中I0和λ0分別表示未經調製的單色光源的光強度和波長，δ表示位相差，K表示幹涉對比度。
方程(4)表明對光源光波頻率的線性調製產生了一個脈衝為ω的餘弦幹涉信號。ω/2π是這兩束幹涉光的光波頻率差。在這種情況下所進行的檢測既有幹涉又有外差之所以是幹涉是因為有效信號是在兩束光的幹涉範圍內；之所以也是外差則是因為檢測到的是這兩束光的光波頻率差。
在另一種情況下，對本發明光束的光波頻率也可以進行正弦調製。
在調製周期內，拍數N與脈衝ω和調製脈衝的比值相對應，即N=02-----(7)]]>根據上述的比值和檢測出的拍數N即可由(7)方程確定出位相差，由方程(1)確定出材料的厚度「e」。
因此，本方法可以確定出透明材料的厚度「e」，並且其具有很高的精度，這就證明了這種材料可以被看作是一個幹涉儀。此外，由於本發明的方法是根據發出的光信號和從材料上返回的接收信號來進行測量的，所以這種方法可以通過設置在離該材料有一定距離的發射和接收工具來實施。採用上述所描述的方法可以避免透明材料與測量工具間的接觸即可測出其厚度「e」，從而防止了這種測量由於與物品磨擦等造成的過早磨損。
該方法可以用來測量具有兩個平行面的玻璃板材。但是，在另外一些情況下，特別是用於測量如長頸瓶等的玻璃容器的厚度時，得出的測量結果不能總是令人滿意。
業已發現，考慮到玻璃的生產技術，長頸瓶或瓶的內壁的折射質量是比較差的，且內壁與外壁一般也不平行。因此，從內表面得到的反射是無規則的。
為適於這類材料(特別玻璃容器)的測量，在本發明一個最佳實施例中，該方法可以從各壁面射出的漫射光中拾取兩束彼此平行的光，並使它們之間產生幹涉。為進行漫射光的拾取並形成其間的幹涉，入射光最好聚焦在容器的壁面上。
儘管人們已經發現，玻璃這種材料很少或實際上不會在所有方向上漫射，但是本發明的這種測量方法還是能夠進行高精度測量的。
所拾取的漫射光最好來自與透明材料壁面反射光的不同方向。
這樣，將位相差與厚度相關聯的方程(1)可以改變為=e[n(1cos+1cos)-(tg+tg)sin(-I)-----(1)]]>其中=arcsin(1nsinI)]]>=arcsin(1nsin(-I))]]>且I＝入射角ψ＝系統角，即入射光和所測的漫射光之間的夾角。
在確定了每個調製周期的拍數N之後就可以由方程(1′)和方程(7)確定出透明材料的厚度「e」。必須注意到，厚度與拍數成正比。
在測量瓶子的厚度時，所述的瓶子是繞其軸線轉動的。現在人們發現這種轉動會使從壁面反射回來的光線的光強度發生變化，而光強度的這一變化很可能是由於內、外表面上存在著塵埃、變形或雜質。
光強度的這種變化是時間的函數。
因此，上述光強度的變化將影響幹涉信號(Vint)，並難以確定拍數N或位相差δ。
為解決上述問題，在本發明的另一個實施例中採用(Vint/Vmod)，其中(Vmod)表示從透明材料壁面發出的光強度信號。然後根據每調製周期的拍數N就可以確定出幹涉信號(Vint)的位相差δ。
本發明還提供了實施上述方法的裝置。
該裝置一方面包括一個光波頻率經調製的單色光源，該光源最好是一個雷射二極體，並帶有調焦透鏡；另一方面，它包括一個幹涉信號接收裝置，和一臺用於確定各調製周期內幹涉信號拍數的計算機。
雷射二極體的能量最好由一個提供經調製的線性電流的發生器供給。
在測量玻璃容器的厚度時，由於需要處理漫射光，所以接收裝置是一個透鏡和一個位於透鏡焦點處的雪崩光電二極體。
還有，所述的光源和接收裝置最好設置在一個單一的殼體內，並且在測量期間，該殼體最好放置在這樣的方向上，即發出的光線與容器表面不應呈90度。在這個方向上，由壁面反射回來的光線就不會影響兩束光強度較弱的漫射光的幹涉。
同時，為了改善幹涉信號，最好採用一個其感光半徑與透鏡的焦距之比小的雪崩光電二極體，這樣可以確保具有良好的幹涉對比度。在測試中，該比值為1/100。
從對附圖和根據本發明所進行的各項測試的描述中還可以了解本發明的其它特徵及優點。其中

圖1示意性地表示了本發明的用於測量玻璃物品厚度的裝置；圖2表示了以時間為函數的光強度線性調製(Vmod)的測量結果；圖3表示了當厚度e＝1.67mm時以時間為函數的幹涉信號(Vint)的測量結果；圖4表示了當厚度e＝1.67mm時每個調製周期的拍數；圖5表示了當厚度e＝3.85mm時每個調製周期的拍數；圖6則表示了以材料的厚度為函數的各調製周期拍數的曲線圖。
圖2、3、4和5中的縱座標是任意的。
圖1示意性表示了本發明的裝置，該裝置可用於測量一個靜止的玻璃瓶的厚度「e」。在該圖中瓶子的壁1隻示意性地畫出了一部分。瓶壁包括一個外壁2，在瓶子成型過程中，該外壁與一個模具相接觸，並且該整個外壁都具有很好的折射質量。壁的內表面3在成型過程中與吹入的空氣相接觸，該內表面的折射質量則較差。在該附圖中，內表面的這一缺點被誇大了，以便更清楚地說明由這一表面反射回來的光線的方向是完全無規則的，並且隨光線在該表面上的入射點的變化而改變。
到達壁面的入射光4來自一個雷射二極體5，並通過一個透鏡12，該透鏡的焦點在壁1上。
測試中所用的雷射二極體5是縱向和橫向單態型的二極體，其最大能量為10mW，波長λ0＝780nm。
雷射二極體5的能量是由一個發生器6提供的，該發生器的電流經周期性地、線性地調製。對供給的電流的調製可以雷射二極體的波長被調製，同時也調製了其強度。
採用其它裝置也可以只調製波長卻保持其光強度恆定，但這些裝置成本要高得多。
由雷射二極體5發出的入射光4聚焦在壁面1上，在外表面2上形成第一入射點7，在內表面3上形成第二入射點8，箭頭(i，i′，i″…)和(j，j′，j″…)示意性地表示了發生在各個方向上的玻璃的漫射。
具有透鏡9和雪崩光電二極體10的接收裝置設置在可接收幹涉信號的位置上，所述的幹涉信號是由從壁1的表面2和3漫射出的兩束光(i，j)產生的。由於漫射發生在各個方向上，所以總是可以接收到兩束從點7和8漫射出的平行光(i，j)。雪崩光電二極體10位於透鏡9的焦點上，以便接收幹涉信號(Vint)。雪崩光電二極體10與一個放大器11相連，以使得到的信號更便於分析。
實際上，人們已經知道玻璃的漫射表面是較差的，然而測試結果表明，採用本發明的方法來處理漫射光還是可以得到很好的效果的。但是它需要將接收裝置放置在與從壁面反射回來的光不同的方向上。如果不是這樣的話，雪崩光電二極體10也會接收到比漫射光強得多的這束反射光，從而對幹涉信號(Vint)產生影響。
在使用過程中，雷射二極體和雪崩光電二極體是放在一個殼體中的，系統的角度ψ非常小(約為5度)，且入射方向不是垂直，這樣光電二極體就不會處於從表面反射回來的光線的路徑上。
信號(Vint)經連線14被傳送到計算機13上，以便計算機進行分析。
信號(Vmod)表示光強度隨時間的變化，該信號經連線15也被送入到計算機13中。
在圖1中，因為玻璃瓶是固定的，所以信號(Vmod)經系統從雷射二極體中傳出。實際上，入射光4光強度的變化正比於漫射光(i，j)的光強度。但如果瓶子是轉動的話，那麼情況就會有所不同，因為正如已知的那樣，這種轉動會導致光強度隨時間而變化。
在這後一種情況下，為了得到(Vmod)，可以通過如設置在光線(i，j)光路上的半反射分離器來測量光線(i，j)的光強度，該分離器設置在光線(i，j)到達透鏡9之前的位置上，也可以通過將光線(i，j)偏折到另一個光電二極體上，使這兩束光之間不產生幹涉。
這種裝置所得到的幹涉信號(Vint)的類型如圖3所示。可以看出這種信號是很難分析的，因為在整個調製周期內，信號的幅度都是變化的。
圖2表示出了雷射二極體的光強度(Vmod)線性調製的測量結果。為了能夠對幹涉信號(Vint)進行分析，可以利用計算機將(Vint/Vmod)之比繪製成如圖4所示的形式。由信號(Vint/Vmod)可以計算出拍數，進而計算出玻璃瓶的厚度「e」。
如前所述，對信號(Vint/Vmod)的分析可以避免在瓶轉動期間光強度的變化所產生的影響。
在圖1所示的結構中，可以認為瓶子是靜止的。
然而在這種情況下，信號(Vint/Vmod)還是很有用的，因為所選擇的調製類型導致了光強度隨時間變化，並且影響信號(Vint)(如圖3所示)。
為了證實本發明所述的測量方法，特對若干厚度已知的瓶子樣品進行了測試。
圖3和圖4是對厚度e＝1.67mm樣品進行的測量結果。
圖5表示了對厚度e＝3.85mm的樣品進行測試後所得到的信號(Vint/Vmod)。
在圖6中示出了上述兩個及其它未以圖4和5的方式表示出的測試結果，該圖表示了對各已知厚度的樣品所測出的拍數。
圖6表明這一曲線是一條通過原點的直線。利用外差式幹涉測量學原理可以證實這條曲線的正確性。實際上，它也證明了每個調製周期的拍數與所測量的材料的厚度「e」成正比。同時它也證明了透明材料(特別是玻璃)可以被看成是一具幹涉儀。
在這些測試中有一些樣品的厚度是非常接近的，具體來說其厚度變化只有20微米。利用本發明的方法可以得到這樣三個值，在圖6中，它們是厚度為2.58mm、2.60mm和2.62mm。
為了在測量過程中簡化操作，並避免確定特徵值Δλ、λ0和n，可以對已知厚度的樣品進行測試，從而對測量裝置進行標定。
為了對瓶子進行控制，最好對瓶子不同部分的厚度進行控制，特別是對頸部、肩部和沿瓶體不同高度處的厚度進行控制。此外最好對瓶子的整個周邊進行這樣的測試。為實行這樣的測試，瓶子的測試通過多個可以設置在不同高度上的測頭來進行，並且這些瓶子繞其軸線轉動。
上述的測量裝置可以通過測頭每0.3毫秒測量一次，這一時間間隔是絕大多數的測試所要求的，也就是說，對生產線上以一般的速度傳送和轉動的瓶子來說，沿瓶子周長每毫米進行一次測量。
利用該裝置可以對平板玻璃、彩色或非彩色玻璃瓶和塑料的瓶子進行很好的測量。
權利要求
1.透明材料厚度(e)的測量方法，其特徵在於發出一束光波頻率經調製的光束(4)，隨後接收從材料壁(1)的表面(2，3)返回的兩束光(i，j)，使這兩束光(i，j)產生幹涉，並且確定其幹涉信號的位相差δ。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於上述從各表面返回的兩束光是平行的。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於上述的位相差是根據每個調製周期的拍數來確定的。
4.如權利要求1至3之一所述的方法，其特徵在於所述的光線(4)是由一個雷射二極體(5)發出的。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於所發出的光的光波頻率是通過調製供給雷射二極體(5)的電流來進行調製的。
6.如上述任何一項權利要求所述的方法，其特徵在於對光線(4)的光波頻率進行線性調製。
7.如權利要求1至5所述的方法，其特徵在於對光線(4)的光波頻率進行正弦調製。
8.如上述任何一項權利要求所述的方法，其特徵在於所述的材料是透明的、無色的或彩色的、其上覆有膜或不覆有膜的玻璃或塑料。
9.如上述任何一項權利要求所述的方法，其特徵在於所述的入射光(4)聚焦在材料壁上。
10.如上述任何一項權利要求所述的方法，其特徵在於上述的兩束幹涉光(i，j)是由材料壁(1)的表面(2，3)漫射出的光束。
11.如上述任何一項權利要求所述的方法，其特徵在於用幹涉信號(Vint)與光強度信號(Vmod)之比來確定位相差δ。
12.透明材料厚度的測量裝置，其特徵在於它包括一個具有經調製的光波頻率(1/λ)的單色光源(5，6，12)，用於接收幹涉信號(Vint)的接收裝置(9，10，11)和一個用於確定每個調製周期(T)的幹涉信號(Vint)拍數(N)的計算機。
13.如權利要求12所述的裝置，其特徵在於所述的光源是一個與調焦透鏡(12)相連的雷射二極體(5)。
14.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於雷射二極體(5)的能量是由一個可提供調製電流的發生器(6)供給的。
15.如權利要求12或14所述的裝置，其特徵在於所述的接收裝置包括透鏡(9)和一個位於該透鏡(9)焦點處的雪崩光電二極體(10)，該雪崩光電二極體與一個放大器(11)相連。
16.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於所述的雪崩二極體(10)的感光半徑與透鏡(9)的焦距之比是較小的。
17.如權利要求12至16之一所述的裝置，其特徵在於所述的光源(5，6，12)和所述的接收裝置(9，10，11)是設置在一個殼體內的，且該殼體放置的位置應使其發出的光線(4)與壁(1)的外表面(2)的角度為除90度以外的角度。
全文摘要
本發明方法的特徵在於發出一束光波頻率經調製的光束(4)，隨後接收從材料壁(1)的表面(2，3)返回的兩束光(i，j)，使這兩束光(i，j)產生幹涉，並且確定其幹涉信號的位相差δ。在本發明中以雷射二極體作為光源，並對其發出光束的光波頻率進行調製，在從兩個扁(i，j)產生幹涉，並且確定其幹涉信號的位相差δ。在本發明中以雷射二極體作為光源，並對其發出光束的光波頻率進行調製，在從兩個壁面漫射出的光束中選擇兩束平行的光。本發明裝置的每個測頭可以間隔0.3毫秒進行一次測量，這樣就可以對轉動的瓶子周邊的每個毫米進行測量。本發明可以用於對無色的或彩色的玻璃及塑料瓶和平板玻璃的測量。
文檔編號G01B11/06GK1123570SQ95190096
公開日1996年5月29日 申請日期1995年2月17日 優先權日1994年2月18日
發明者J·-W·張, P·格倫蒂 申請人:聖戈班電影及控制公司