专利名称：玻璃中夹杂物的检测的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测玻璃板中夹杂物的方法和装置，特别是硫化镍(NiS)夹杂物。本发明还涉及对检测出的夹杂物分类的方法和装置。
硫化镍夹杂物的检测及分类已证实是非常困难的问题。已然开发出在高温保持所制造玻璃的热浸工艺。该理论是几乎所有包含能引起自然破裂的夹杂物的玻璃会在热浸工艺中破裂。这已被证明是不正确的，并且，现今有许多已建成的建筑物，在使用由于硫化镍夹杂物作用而遭自发破裂的玻璃。事实上，玻璃因没有被热浸工艺检测出的硫化镍夹杂物而破裂，而从多层建筑物上掉下的许多实例已有记录。
已然提出了许多方法，用于识别玻璃中的硫化镍夹杂物。其中一个见于美国专利第4697082号(该专利转让给FlachglasAktiengesellschaft)。该Flachglas专利公开了一种处理方法，用激光产生的飞光点(f；y light spot)照射玻璃，来检测玻璃的材料缺陷。检测及分析玻璃中夹杂物所产生的向前和向后的光散射。一旦玻璃安装在建筑物中后，检测向前和向后的光散射一般就不可行了。需要一种单一侧面(通常是外面)的方法。
美国专利第5459330号(该专利转让给Thomaon-CSF)公开了另一方法。该专利描述了一种装置，照射玻璃板的连续横截平面并使用照相机来检测反射的光辐射。来自玻璃前、后表面的反射在图像中产生两条线，这两条线界定出夹杂物可能位于其中的边界。处于这两条线之间的亮点被检测为玻璃中的夹杂物。然而，该装置不能识别夹杂物的性质，也不是适于现场扫描建筑物上玻璃的装置。
另一种用于检测玻璃瑕疵的装置公开于美国专利第4597665号(该专利转让给Tencor Instruments)。与所述Flachglas的装置一样，这种Tencor装置测量玻璃板上下平面反射的激光光线。在大多数应用中，将检测仪放在被测玻璃的两侧是不切实际的。
本发明的另一目的是提供一种方法和装置，用于对玻璃中检测到的夹杂物进行分类。
通过以下描述，其它目的即会显而易见。
所述装置可进一步包括用于夹杂物分类的装置。这种用于夹杂物分类的装置适于包括照相机，记录从检测的夹杂物所散射的激光辐射图形。所述用于分类的装置包括了区别显示出非NiS夹杂物图形的装置。
所述用于分类的装置进一步包括归类装置，用于确定地将检测的NiS夹杂物归类。该归类装置适于为某种光谱装置，分析从夹杂物散射的光辐射，并按光谱特征将散射的光辐射归类。
在进一步的方案中，本发明属于一种检测玻璃中夹杂物的方法，包括以下步骤将激光辐射指向玻璃表面；在玻璃上扫描激光辐射；
检测从玻璃中夹杂物散射的辐射；记录夹杂物的坐标。
相应地，所述方法还进一步包括以下步骤检测第一激光辐射光束散射的第一检测光辐射；检测第二激光辐射光束散射的第二检测光辐射；并且仅在第一检测光辐射和第二检测光辐射以已知方式间隔开的情况下，记录夹杂物的坐标。
所述装置的机械框架5用压制铝制成，重量轻并且有一定强度。该框架制成适当大小，以与被测玻璃板相配。可以理解，玻璃板制造成无数种不同尺寸及形状。因此，机械框架必须具有一定的可调性，以便适合于不同的情况。使用真空吸盘5a将框架5固紧在玻璃窗2上。
检测器头3可在横轨6上沿X轴方向移动。检测器头3的移动由步进电机7和皮带传动装置8来完成。皮带8是同步皮带，以基本消除打滑。因此，检测器头3相对于起始位置的X位置可通过计算步进电机的脉冲而决定。
横轨6和检测器头3可在纵轨9上沿Y轴方向移动。恒转矩电机10驱动皮带11，从而移动横轨6。皮带11上的编码器提供位置信息，与步进电机的信息结合，来计算检测器头3在横轨6上检测器头3移动范围内、以及在横轨6处于纵轨9上移动范围内的任何位置的坐标。支承轨12给框架5提供刚性。
现参照图2，第一实施方案的检测器头3包括至少一个检测单元4，该检测单元包括发出相干辐射光束的激光器组件13。一种适当的激光器是运行在635nm、功率约20mW的半导体激光器。为以下描述之方便，将激光器调制在已知频率上，如455Hz。应认识到，特定激光器对于所述装置来说并非至关重要，而只是选来与所述具体应用相配合。
透镜14构成激光器13的输出，以在玻璃表面产生长约10mm、宽10μm的辐射光线。根据玻璃的厚度，棱镜15以介于30和60度之间的角度而将激光束16射入玻璃板。
检测单元4还至少包括一个传感器17和传感器电子仪器18，测量玻璃中任何夹杂物所散射的光辐射。硅光电二极管是适当的传感器，虽然还有其它适当装置，如耦合到光电倍增管的光纤采集器(fibreopticcollector)、CCD照相机、视频和传感器阵列。
散射的光辐射19被物镜20和调焦镜21采集。透镜20、21将散射的光辐射成像在传感器17上。如果入射激光束是一条线，可选择使用柱面透镜(未示出)以使散射的光辐射聚焦到传感器的一点上。玻璃中的夹杂物基本上起点源散射体作用，使光学成像系统能将该散射体良好地成像在所述传感器上。
从图2中可以看到，反射22(来自玻璃2的前表面24)和反射23(来自玻璃2的后表面25)未被透镜20、21所采集。另外，前表面24和后表面24的散射没有被光学采集系统成像在传感器17上。虽然采集到了某些表面散射，但光学物理装置从空间上过滤了自前、后表面反射或散射的光辐射。因此，从传感器电子仪器18获得的信号主要由玻璃体内散射的光辐射所产生。
更具体地如下所述，每个夹杂物会产生两个信号。一个信号在激光束16直接照射该夹杂物时产生。另一信号在该激光束从后表面25被反射并且反射光束照射该夹杂物时产生。出现两个信号证实在玻璃体内而不是在前或后表面上出现夹杂物。另外，这两个信号必须间隔预计数值(时间或距离)，以记录散射体位置。这一标准有助于避免由玻璃板表面上的强散射体产生的反常信号引起的错误结果。
以下说明一种判断夹杂物大小和深度的方法。
除了几何上的配置之外，还使用了各种滤波器以改进检测器头的信噪比，包括陷波滤波器以降低背景光。
棱镜15紧邻玻璃表面放置。棱镜15在检测器单元4内以弹簧承载，并可在支架28上的外挡块26和内挡块27之间运动。这一结构确保棱镜15相对于检测器头3内检测器单元4的主体，总处于已知位置。如下所述，检测器头3在玻璃2的前表面上滚动。因此，激光束16相对于玻璃2的位置总是已知的，所以能精确记录玻璃内引起散射的夹杂物的坐标。
如上所述，该激光器可调，优选频率在455Hz。调节激光器使得能够同步检测散射的光辐射，并且减少背景光的影响。另外，扫描速度在整个扫描区域上或许并不恒定，因此，需要单独的时标，用于确定大小及深度。对这一方面将在以下结合
图10加以详细描述。
图3示出另一可选实施方案的检测器单元30。与第一实施方案的主要不同是有两个激光器壳体31、31a。每个壳体装有激光器32、32a和相应调焦镜33、33a。激光束34、34a通过可调的镜子35、35a指向玻璃板2。
镜子35、35a可调，以计算不同玻璃的厚度。激光束照射玻璃板的最佳角度与玻璃厚度和所述装置的机械构造有关，特别是与激光器和玻璃表面之间空间距离有关。发明人已然发现，对于10mm厚的玻璃，介于40和45度之间的角度是最佳的。
传感器17和传感器电子仪器18以上述方式检测从玻璃体散射的光辐射。透镜36、37采集来自玻璃体散射的光辐射38，并且使其指向传感器17。与第一实施方案相同，透镜不采集前、后表面的反射。
与第一实施方案不同，光学元件固定在检测单元30内(除用于调节镜子35、35a的元件之外)，并且，单元30由弹簧所承载，从而保持接近于玻璃表面。与第一实施方案相比，这简化了检测单元的构造。
在第二实施方案中，激光束34、34a彼此反向传播。当检测器头3横跨玻璃板2表面进行扫描时，任何夹杂物将自第一激光束34(并且随后自另一激光束34a)产生散射。该散射信号与结合图2所述的向前散射和向后散射信号相似，但这两个信号大致是同一量级。在图2实施方案中，向后散射信号比向前散射信号弱很多。基于此，优选第二实施方案。
至于第一实施方案，只有在检测到两个信号有预计的间隔，才记录散射体的位置。该预计的间隔可以处于步进电机一定的步进量内，或者在一定的时间段内，取决于检测器头的扫描速度。
在第二实施方案，将各激光束调在不同的频率，如激光束34在455Hz而激光束34a在370Hz，会便于某些应用。于是可将电子仪器18配置为区分来自各激光器的信号，从而即提供了额外的尺寸辨别，以精确记录检测的夹杂物位置和性质。例如，在两个存在于玻璃中的夹杂物彼此间隔等于激光束到达夹杂物的距离时，第一实施方案就不能正确辨别这两个夹杂物。这是因为第二散射信号可以是来自第一夹杂物的向后散射，也可以是来自第二夹杂物的向前散射。然而，频率辨别使系统能够区分所接受的信号。
图3的示意图示出激光束34、34a彼此反向传播，并且在玻璃背面相遇。应认识到，这并非一种基本结构。各激光束可以不同角度指向玻璃，但检测的夹杂物位置计算的记录需要调整，以对应几何构造。
类似地，激光束34、34a可以相同角度指向玻璃板，但设置成在背面略微隔开。虽然图2和图3示出光学采集系统采集从特殊的一点所散射的光辐射，但可以理解这仅是示意，实际上光学采集系统采集从光学系统视场内散射的任何光辐射。
发明人意识到可使两激光器相邻，并且将相干光辐射指向玻璃。这并非一种优选方案。
检测器头3可以至少包括一个分类单元40，如图4所示。该分类单元40包括CW激光器41，带有光束成形光学系统42，使相干激光辐射光束43对着朝向已知位置的夹杂物。散射的光辐射44由透镜45采集，并通过摄影机46观测。发明人已发现，某些夹杂物的散射会产生可视图形。光滑散射体的夹杂物，如气泡，产生全方位镜面反射。相长干涉是可见的，如视频图像中的亮线，并且表示有气泡或类似的镜面反射体。图5示出光滑散射体典型图像的示意图。
相反，粗糙散射体不产生规则的相长干涉图，而产生如图6所示的图形。图6中能看到，有相长干涉引起的亮斑和相消干涉引起的暗斑，但没有显现出表示有镜面反射体的规则频带。因此，可使用视频图像来将检测的夹杂物分成光滑散射体类或粗糙散射体类。由于已知玻璃中的NiS纹理粗糙，因此，任何检测到的夹杂物如产生规则干涉图，即可排除是NiS夹杂物。
可以理解，在某些实例中要使用照相机，以捕获较宽视场的夹杂物。这会导致以图7所示的方式产生夹杂物成像。信息内容本质相同，但表现不同。
为进一步分类检测的夹杂物，可以使用光谱技术。所述光谱技术涉及散射光辐射的光谱分析，以根据光谱特征将夹杂物归类。例如，散射光辐射可能具有一种特殊的喇曼散射信号，这将夹杂物归类为NiS。可选地，可使用不同的分类头，包括发射处于蓝光谱段的光辐射的激光器，以及测量NiS所发荧光的分光计。
为增加扫描玻璃板的效率，可在单个检测器头中安装数个检测单元和分类单元。图8示出一种典型的检测器头的主视图。检测器头3包括三个检测单元4和两个分类单元40。图8中还可以看到滚轮41，该滚轮在玻璃表面上滚动，使得检测器头相对玻璃的位置保持恒定，而不管玻璃表面的瑕疵。
图9示出用于第二实施方案的检测器头39，它与检测器头3略有不同，考虑到了检测单元30中的第二激光器。该检测器头包括三个检测单元和两个分类单元。四个滚轮42相对玻璃支撑检测器头39。
操作时，检测器头3沿X方向行进，为各扫描单元扫描出玻璃上一个10mm长条，随后，在扫描下一长条之前，沿Y轴移动。已发现，所述优选实施方案可以达到每平方米2.5分钟的扫描速度。
如上所述，记录检测出夹杂物在玻璃中的坐标。并非所有夹杂物都是NiS。实际上，在一张典型玻璃板中，检测出的夹杂物只有很小比例是NiS。在玻璃被扫描后，检测器头返回到所有被检测出夹杂物的坐标并用分类单元对夹杂物进行分类。
在生产线情况下，可固定框架，使传送装置上的玻璃板从框架下通过。得到的数据可与玻璃的切割操作相结合，以优化切割，去除已知的或怀疑的NiS夹杂物。装置的操作与上述应用相似。
当受检测玻璃已安装在建筑物上时，出于精确记录的需要，需要额外的尺寸参数。通常，所述装置装到用于从外面进行外观维护的现有设备上。于是，即可以窗户编号或者其它适当参数来记录该外观维护设备的位置。
由于激光光辐射受到调节，因此，就可能使用激光脉冲时基，从获自散射光辐射的信号来估算夹杂物的大小和深度。可以理解，单激光器的第一实施方案，或者双激光器的第二实施方案，对于每个夹杂物检测两个信号，如图10所示。主散射信号50会在第一激光束扫过夹杂物时被检测到。随扫描继续，第二激光束或激光束从背面的反射被夹杂物所散射，从而给出次散射信号51。主散射信号50和次散射信号51的时间差Δt指示了夹杂物深度。在主散射信号50之后次散射信号51产生的时间，取决于检测器头3、39的扫描速度。
如图10所示，每个散射信号具有宽度Δw。信号宽度，或更具体的散射激光脉冲的数目，给出了夹杂物大小的指示。对于给定扫描速度，大的夹杂物比小的夹杂物散射更多的激光脉冲。假设脉冲速率已知，而且托架行进速度已知，计算与所给散射脉冲数等同的夹杂物大小是件简单的事情。
可以看出，用所述装置能检测尺寸大于或等于50μm的夹杂物。另外，这些夹杂物可以高精度地被分为非NiS类或是相反。
所述装置便于在普通个人计算机上进行操作。个人计算机提供信号，以停止或启动电机，打开和关闭激光器，以及记录检测出的夹杂物的坐标。这些功能还可由专用控制器来实现。
通篇本说明书的目的都是描述本发明，而不是将本发明限制为各特征的任一特定组合。
权利要求
1.一种用于检测玻璃中夹杂物的装置，包括一个或多个激光器，以一个或多个已知角度，发出一个或多个指向玻璃的相干辐射光束；用于检测玻璃中夹杂物所散射的光辐射的装置；用于横跨玻璃而扫描所述相干光束的装置；用于记录散射夹杂物位置的装置。
2.如权利要求1的装置，包括两个激光器，所述两个激光器位于所述装置的两侧，用于检测玻璃中夹杂物所散射的光辐射，而且所述两个激光器将相干辐射光束指向玻璃，使其反向传播。
3.如权利要求1的装置，进一步包括用于将检测出的夹杂物分类的装置。
4.如权利要求1的装置，进一步包括用于将检测出的夹杂物分类的装置，其中所述用于分类的装置包括照相机，记录检测出的夹杂物所散射的激光辐射图形。
5.如权利要求1的装置，进一步包括用于将检测出的夹杂物分类的装置，其中所述用于将检测出的夹杂物分类的装置包括照相机(该照相机记录检测出夹杂物所散射的激光辐射图形)，以及分辨图形的装置(该图形指示某个夹杂物不是NiS)。
6.如权利要求1的装置，进一步包括用于将检测出的夹杂物分类的装置，所述用于分类的装置包括连续波激光器(该连续波激光器发出指向检测出夹杂物的相干辐射光束)以及照相机(该照相机记录检测出夹杂物所散射的激光辐射图形)。
7.如权利要求1的装置，进一步包括归类装置，用于将检测出为NiS的夹杂物归类。
8.如权利要求7的装置，其中所述归类装置是光谱装置，分析夹杂物散射的光辐射，并根据光谱特征将散射的光辐射归类。
9.如权利要求1的装置，其中所述一个或多个激光器可调到一个已知频率。
10.如权利要求1的装置，其中有两个激光器，分别调到已知的然而不同的频率。
11.一种检测玻璃中夹杂物的方法，包括步骤将激光辐射指向玻璃的表面；扫描玻璃上的光辐射；检测玻璃中夹杂物散射的光辐射；记录检测出的夹杂物的坐标。
12.如权利要求11的方法，其中所述检测夹杂物散射的光辐射的步骤包括检测第一激光辐射光束散射的第一检测光辐射；检测第二激光辐射光束散射的第二检测光辐射；仅在所述第一检测光辐射和所述第二检测光辐射以已知方式间隔开时，记录夹杂物的坐标。
13.如权利要求12的方法，其中所述第二光束是所述第一光束的反射。
14.如权利要求11的方法，进一步包括步骤用照相机观测检测出的夹杂物；根据检测出的夹杂物散射的激光辐射图形，而对该夹杂物进行分类。
15.如权利要求11的方法，进一步包括步骤用照相机观测检测出的夹杂物；根据检测出的夹杂物散射的激光辐射图形，而对该夹杂物进行分类；辨别不是NiS的夹杂物。
16.如权利要求11的方法，进一步包括步骤对检测出的夹杂物散射的激光辐射进行光谱分析；根据光谱特性将识别为NiS的夹杂物归类。
全文摘要
横跨一张玻璃(2)扫描一个或多个激光器(32、32a)的光(34、34a)。光直接、或者通过玻璃背面的反射而间接入射到玻璃(2)中夹杂物上。因此,从夹杂物散射的光(38)至少向传感器(18)提供了两个散射信号,可对其分析以决定夹杂物的位置、大小及深度。可通过记录散射激光辐射的照相机,对检测出的夹杂物再次扫描并将其分类为光滑散射体类(如气泡)和粗糙散射体类(如材料缺陷)。硫化镍夹杂物可经光谱分析而进一步分类。激光光束(34、34a)的调整改善了准确性并为散射光提供了时标。
文档编号G01N21/958GK1377462SQ00813573
公开日2002年10月30日 申请日期2000年9月1日 优先权日1999年9月2日
发明者G·爱德华兹 申请人:分解工程Pty有限公司