專利名稱：測量透明材料厚度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(fā)明可用于測量玻璃的厚度，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(zhì)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(yán)格的控制。
在玻璃制造工業(yè)中，為進行厚度測量通常采用以測量電容為基礎(chǔ)。由于玻璃是絕緣體，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(shù)。它是在繞其軸線旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致測頭的迅速磨損，而且瓶子的轉(zhuǎn)動會使磨損加大。如果瓶子上存有一個較大的疵點并恰好與測頭相撞的話，那么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，并測量由于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(shù)無法精確測量厚度，它更多地是用來確定厚度是否低于一個界限值，而不是給出準(zhǔn)確的測量值。
此外，它也需要與瓶子相接觸，從而導(dǎo)致前一種技術(shù)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(dǎo)致控制系統(tǒng)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(zhǔn)確的物品重新進行測量，并且在控制中斷時，生產(chǎn)過程也要停下來，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。
本發(fā)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(fā)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(fā)明的還一個目的是提供一種對連續(xù)運動的整個物品的厚度進行測量的測量方法。
本發(fā)明人認(rèn)為，可以將透明材料看成是一個干涉儀，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(chǎn)生具有位相差的干涉，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(jù)光學(xué)干涉測量原理，當(dāng)光源為單色光時，光檢測器收到的干涉信號為Sint=I0(1+K·cos(2πλδ))---(2)]]>其中I0和λ分別表示該單色光源的光強度和波長，K表示干涉的對比度。
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，由于干涉信號的周期是位相差的函數(shù)，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，相位必須小于π，即位相差小于波長的一半。這種現(xiàn)象雖然能使厚度的測量非常準(zhǔn)確，但卻只能將材料的厚度限制為小于1微米。
采用本發(fā)明可以克服這種測量技術(shù)的限制所造成的不足。本發(fā)明測量透明或半透明材料的厚度的方法包括發(fā)射一束光頻率經(jīng)調(diào)制的光束；然后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(chǎn)生干涉并確定干涉信號的位相差。
位相差最好由每個調(diào)制周期中干涉信號的拍數(shù)導(dǎo)出。
所述的光束最好由激光二極管發(fā)出。如果材料具有平行的表面，則可采用平行光；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，該測量方法可用于透明基材的測量，該基材的厚度最好大于0.1mm。
實際上，采用該方法測量基材的厚度可以忽略薄膜或表面涂層(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干擾。
所發(fā)出的光束的光波頻率最好通過調(diào)節(jié)供給激光二極管的電流來進行調(diào)制。
而且光束的光波頻率最好進行線性調(diào)制。
根據(jù)本發(fā)明的一個最佳實施例，將波長的倒數(shù)1/λ進行線性調(diào)制，從而可以對光波頻率進行調(diào)制。光波頻率ω0＝c/λ，其中c為光速。經(jīng)分析，1/λ可以被當(dāng)作是光的頻率。在線性調(diào)制中，該頻率由方程(3)表示1λ=1λ0+Δλλ02·tT---(3)]]>其中Δλ表示沒有振蕩模跳變時的波長變化，T表示調(diào)制周期，t表示時間。
在一個檢測時間t，檢測器同時接收到兩束經(jīng)由玻璃的兩個表面?zhèn)鞒龅墓馐?br> 由于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。
干涉信號可由下述方程表示Vint＝I0(1＋K·cos(φ0＋ωt)) (4)φ0=2πλ0δ------(5)]]>ω=2π(Δλλ02)·δT-----(6)]]>其中I0和λ0分別表示未經(jīng)調(diào)制的單色光源的光強度和波長，δ表示位相差，K表示干涉對比度。
方程(4)表明對光源光波頻率的線性調(diào)制產(chǎn)生了一個脈沖為ω的余弦干涉信號。ω/2π是這兩束干涉光的光波頻率差。在這種情況下所進行的檢測既有干涉又有外差之所以是干涉是因為有效信號是在兩束光的干涉范圍內(nèi)；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(fā)明光束的光波頻率也可以進行正弦調(diào)制。
在調(diào)制周期內(nèi)，拍數(shù)N與脈沖ω和調(diào)制脈沖的比值相對應(yīng)，即N=Δλλ02·δ-----(7)]]>根據(jù)上述的比值和檢測出的拍數(shù)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”，并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干涉儀。此外，由于本發(fā)明的方法是根據(jù)發(fā)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(shè)置在離該材料有一定距離的發(fā)射和接收工具來實施。采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于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，特別是用于測量如長頸瓶等的玻璃容器的厚度時，得出的測量結(jié)果不能總是令人滿意。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，考慮到玻璃的生產(chǎn)技術(shù)，長頸瓶或瓶的內(nèi)壁的折射質(zhì)量是比較差的，且內(nèi)壁與外壁一般也不平行。因此，從內(nèi)表面得到的反射是無規(guī)則的。
為適于這類材料(特別玻璃容器)的測量，在本發(fā)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，并使它們之間產(chǎn)生干涉。為進行漫射光的拾取并形成其間的干涉，入射光最好聚焦在容器的壁面上。
盡管人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，玻璃這種材料很少或?qū)嶋H上不會在所有方向上漫射，但是本發(fā)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(guān)聯(lián)的方程(1)可以改變?yōu)?amp;delta;=e[n(1cosα+1cosβ)-(tgα+tgβ)sin(ψ-I)-----(1′)]]>其中α=arcsin(1nsinI)]]>β=arcsin(1nsin(ψ-I))]]>且I＝入射角ψ＝系統(tǒng)角，即入射光和所測的漫射光之間的夾角。
在確定了每個調(diào)制周期的拍數(shù)N之后就可以由方程(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(shù)成正比。
在測量瓶子的厚度時，所述的瓶子是繞其軸線轉(zhuǎn)動的?，F(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)動會使從壁面反射回來的光線的光強度發(fā)生變化，而光強度的這一變化很可能是由于內(nèi)、外表面上存在著塵埃、變形或雜質(zhì)。
光強度的這種變化是時間的函數(shù)。
因此，上述光強度的變化將影響干涉信號(Vint)，并難以確定拍數(shù)N或位相差δ。
為解決上述問題，在本發(fā)明的另一個實施例中采用(Vint/Vmod)，其中(Vmod)表示從透明材料壁面發(fā)出的光強度信號。然后根據(jù)每調(diào)制周期的拍數(shù)N就可以確定出干涉信號(Vint)的位相差δ。
本發(fā)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(jīng)調(diào)制的單色光源，該光源最好是一個激光二極管，并帶有調(diào)焦透鏡；另一方面，它包括一個干涉信號接收裝置，和一臺用于確定各調(diào)制周期內(nèi)干涉信號拍數(shù)的計算機。
激光二極管的能量最好由一個提供經(jīng)調(diào)制的線性電流的發(fā)生器供給。
在測量玻璃容器的厚度時，由于需要處理漫射光，所以接收裝置是一個透鏡和一個位于透鏡焦點處的雪崩光電二極管。
還有，所述的光源和接收裝置最好設(shè)置在一個單一的殼體內(nèi)，并且在測量期間，該殼體最好放置在這樣的方向上，即發(fā)出的光線與容器表面不應(yīng)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干涉。
同時，為了改善干涉信號，最好采用一個其感光半徑與透鏡的焦距之比小的雪崩光電二極管，這樣可以確保具有良好的干涉對比度。在測試中，該比值為1/100。
從對附圖和根據(jù)本發(fā)明所進行的各項測試的描述中還可以了解本發(fā)明的其它特征及優(yōu)點。其中

圖1示意性地表示了本發(fā)明的用于測量玻璃物品厚度的裝置；圖2表示了以時間為函數(shù)的光強度線性調(diào)制(Vmod)的測量結(jié)果；圖3表示了當(dāng)厚度e＝1.67mm時以時間為函數(shù)的干涉信號(Vint)的測量結(jié)果；圖4表示了當(dāng)厚度e＝1.67mm時每個調(diào)制周期的拍數(shù)；圖5表示了當(dāng)厚度e＝3.85mm時每個調(diào)制周期的拍數(shù)；圖6則表示了以材料的厚度為函數(shù)的各調(diào)制周期拍數(shù)的曲線圖。
圖2、3、4和5中的縱座標(biāo)是任意的。
圖1示意性表示了本發(fā)明的裝置，該裝置可用于測量一個靜止的玻璃瓶的厚度“e”。在該圖中瓶子的壁1只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，并且該整個外壁都具有很好的折射質(zhì)量。壁的內(nèi)表面3在成型過程中與吹入的空氣相接觸，該內(nèi)表面的折射質(zhì)量則較差。在該附圖中，內(nèi)表面的這一缺點被夸大了，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(guī)則的，并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來自一個激光二極管5，并通過一個透鏡12，該透鏡的焦點在壁1上。
測試中所用的激光二極管5是縱向和橫向單態(tài)型的二極管，其最大能量為10mW，波長λ0＝780nm。
激光二極管5的能量是由一個發(fā)生器6提供的，該發(fā)生器的電流經(jīng)周期性地、線性地調(diào)制。對供給的電流的調(diào)制可以激光二極管的波長被調(diào)制，同時也調(diào)制了其強度。
采用其它裝置也可以只調(diào)制波長卻保持其光強度恒定，但這些裝置成本要高得多。
由激光二極管5發(fā)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(nèi)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(fā)生在各個方向上的玻璃的漫射。
具有透鏡9和雪崩光電二極管10的接收裝置設(shè)置在可接收干涉信號的位置上，所述的干涉信號是由從壁1的表面2和3漫射出的兩束光(i，j)產(chǎn)生的。由于漫射發(fā)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)。雪崩光電二極管10位于透鏡9的焦點上，以便接收干涉信號(Vint)。雪崩光電二極管10與一個放大器11相連，以使得到的信號更便于分析。
實際上，人們已經(jīng)知道玻璃的漫射表面是較差的，然而測試結(jié)果表明，采用本發(fā)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，雪崩光電二極管10也會接收到比漫射光強得多的這束反射光，從而對干涉信號(Vint)產(chǎn)生影響。
在使用過程中，激光二極管和雪崩光電二極管是放在一個殼體中的，系統(tǒng)的角度ψ非常小(約為5度)，且入射方向不是垂直，這樣光電二極管就不會處于從表面反射回來的光線的路徑上。
信號(Vint)經(jīng)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(jīng)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(jīng)系統(tǒng)從激光二極管中傳出。實際上，入射光4光強度的變化正比于漫射光(i，j)的光強度。但如果瓶子是轉(zhuǎn)動的話，那么情況就會有所不同，因為正如已知的那樣，這種轉(zhuǎn)動會導(dǎo)致光強度隨時間而變化。
在這后一種情況下，為了得到(Vmod)，可以通過如設(shè)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(shè)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管上，使這兩束光之間不產(chǎn)生干涉。
這種裝置所得到的干涉信號(Vint)的類型如圖3所示?？梢钥闯鲞@種信號是很難分析的，因為在整個調(diào)制周期內(nèi)，信號的幅度都是變化的。
圖2表示出了激光二極管的光強度(Vmod)線性調(diào)制的測量結(jié)果。為了能夠?qū)Ω缮嫘盘?Vint)進行分析，可以利用計算機將(Vint/Vmod)之比繪制成如圖4所示的形式。由信號(Vint/Vmod)可以計算出拍數(shù)，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(zhuǎn)動期間光強度的變化所產(chǎn)生的影響。
在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，可以認(rèn)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(diào)制類型導(dǎo)致了光強度隨時間變化，并且影響信號(Vint)(如圖3所示)。
為了證實本發(fā)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(jié)果。
圖5表示了對厚度e＝3.85mm的樣品進行測試后所得到的信號(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(jié)果，該圖表示了對各已知厚度的樣品所測出的拍數(shù)。
圖6表明這一曲線是一條通過原點的直線。利用外差式干涉測量學(xué)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(diào)制周期的拍數(shù)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)可以被看成是一具干涉儀。
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(fā)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，并避免確定特征值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(biāo)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(shè)置在不同高度上的測頭來進行，并且這些瓶子繞其軸線轉(zhuǎn)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(shù)的測試所要求的，也就是說，對生產(chǎn)線上以一般的速度傳送和轉(zhuǎn)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(quán)利要求
1.透明材料厚度(e)的測量方法，其特征在于發(fā)出一束光波頻率經(jīng)調(diào)制的光束(4)，隨后接收從材料壁(1)的表面(2，3)返回的兩束光(i，j)，使這兩束光(i，j)產(chǎn)生干涉，并且確定其干涉信號的位相差δ。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述從各表面返回的兩束光是平行的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于上述的位相差是根據(jù)每個調(diào)制周期的拍數(shù)來確定的。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于所述的光線(4)是由一個激光二極管(5)發(fā)出的。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所發(fā)出的光的光波頻率是通過調(diào)制供給激光二極管(5)的電流來進行調(diào)制的。
6.如上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于對光線(4)的光波頻率進行線性調(diào)制。
7.如權(quán)利要求1至5所述的方法，其特征在于對光線(4)的光波頻率進行正弦調(diào)制。
8.如上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于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(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述的入射光(4)聚焦在材料壁上。
10.如上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于上述的兩束干涉光(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(quán)利要求所述的方法，其特征在于用干涉信號(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，其特征在于它包括一個具有經(jīng)調(diào)制的光波頻率(1/λ)的單色光源(5，6，12)，用于接收干涉信號(Vint)的接收裝置(9，10，11)和一個用于確定每個調(diào)制周期(T)的干涉信號(Vint)拍數(shù)(N)的計算機。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于所述的光源是一個與調(diào)焦透鏡(12)相連的激光二極管(5)。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于激光二極管(5)的能量是由一個可提供調(diào)制電流的發(fā)生器(6)供給的。
15.如權(quán)利要求12或14所述的裝置，其特征在于所述的接收裝置包括透鏡(9)和一個位于該透鏡(9)焦點處的雪崩光電二極管(10)，該雪崩光電二極管與一個放大器(11)相連。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述的雪崩二極管(10)的感光半徑與透鏡(9)的焦距之比是較小的。
17.如權(quán)利要求12至16之一所述的裝置，其特征在于所述的光源(5，6，12)和所述的接收裝置(9，10，11)是設(shè)置在一個殼體內(nèi)的，且該殼體放置的位置應(yīng)使其發(fā)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(fā)明方法的特征在于發(fā)出一束光波頻率經(jīng)調(diào)制的光束(4)，隨后接收從材料壁(1)的表面(2，3)返回的兩束光(i，j)，使這兩束光(i，j)產(chǎn)生干涉，并且確定其干涉信號的位相差δ。在本發(fā)明中以激光二極管作為光源，并對其發(fā)出光束的光波頻率進行調(diào)制，在從兩個扁(i，j)產(chǎn)生干涉，并且確定其干涉信號的位相差δ。在本發(fā)明中以激光二極管作為光源，并對其發(fā)出光束的光波頻率進行調(diào)制，在從兩個壁面漫射出的光束中選擇兩束平行的光。本發(fā)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(zhuǎn)動的瓶子周邊的每個毫米進行測量。本發(fā)明可以用于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(yōu)先權(quán)日1994年2月18日
發(fā)明者J·-W·張, P·格倫蒂 申請人:圣戈班電影及控制公司