专利名称：测量透明材料厚度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量透明材料厚度的方法和装置。具体来说(而非限制性的)，本发明可用于测量玻璃的厚度，特别是测量如瓶子或长颈瓶等玻璃容器的厚度。
用户对总体质量的要求和对瓶重的减少都需要对这些瓶子的厚度进行非常严格的控制。
在玻璃制造工业中，为进行厚度测量通常采用以测量电容为基础。由于玻璃是绝缘体，所以通过电极来测量玻璃的电容就可以确定该处的玻璃厚度。
在EP300,616和EP363,114专利中专门描述了上述测量技术。它是在绕其轴线旋转的瓶子上施加一个测头，该测头为长的电极。
这种方法的缺点是测头压紧在瓶壁上，它必然导致测头的迅速磨损，而且瓶子的转动会使磨损加大。如果瓶子上存有一个较大的疵点并恰好与测头相撞的话，那么测头有可能被完全损坏。
法国专利公开2,129,416中公开了另一种测量。该方法是建立一个高频的电磁场，并测量由于绝缘体的引入而造成的该场强的变化。传感器中的电压表示了该场强的变化，且该电压与绝缘体的厚度成正比。
然而该技术无法精确测量厚度，它更多地是用来确定厚度是否低于一个界限值，而不是给出准确的测量值。
此外，它也需要与瓶子相接触，从而导致前一种技术中已描述过的那种测头的过早磨损。
测头过早的磨损和突然的损坏需要频繁更换检测器或测头，导致控制系统的维护成本增加。
另外，每次测头损坏和/或更换时，需要对一系列测量不准确的物品重新进行测量，并且在控制中断时，生产过程也要停下来，从而导致产量下降。
本发明的主要目的是提供一种测量透明材料(特别是玻璃物品)厚度的方法，且该方法具有很高的测量精度。
本发明的另一个目的是避免测量工具受到过早的磨损或毁坏的危险，特别是避免放在测量工具上的物品的磨擦所造成的这种磨损或毁坏。
本发明的还一个目的是提供一种对连续运动的整个物品的厚度进行测量的测量方法。
本发明人认为，可以将透明材料看成是一个干涉仪，在该材料上的垂直入射光被材料的两个表面反射，这两束反射光产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，根据光学干涉测量原理，当光源为单色光时，光检测器收到的干涉信号为Sint=I0(1+K·cos(2πλδ))---(2)]]>其中I0和λ分别表示该单色光源的光强度和波长，K表示干涉的对比度。
通过确定位相差就可以很容易地确定出透明材料的厚度。然而，由于干涉信号的周期是位相差的函数，所以这种方法的使用受到一定的限制。实际上，因为位相差是由相位测量确定的，所以它存在一定的模糊度。为了确定位相差，相位必须小于π，即位相差小于波长的一半。这种现象虽然能使厚度的测量非常准确，但却只能将材料的厚度限制为小于1微米。
采用本发明可以克服这种测量技术的限制所造成的不足。本发明测量透明或半透明材料的厚度的方法包括发射一束光频率经调制的光束；然后接收从材料壁面的各表面反射回来的、最好是平行的两束光；使这两束光产生干涉并确定干涉信号的位相差。
位相差最好由每个调制周期中干涉信号的拍数导出。
所述的光束最好由激光二极管发出。如果材料具有平行的表面，则可采用平行光；如果材料具有非平行的表面，则光束最好聚集在材料的壁面上。
这样，该测量方法可用于透明基材的测量，该基材的厚度最好大于0.1mm。
实际上，采用该方法测量基材的厚度可以忽略薄膜或表面涂层(如覆盖在瓶面上的润滑剂)的厚度，这样就可以避免其所造成的各种干扰。
所发出的光束的光波频率最好通过调节供给激光二极管的电流来进行调制。
而且光束的光波频率最好进行线性调制。
根据本发明的一个最佳实施例，将波长的倒数1/λ进行线性调制，从而可以对光波频率进行调制。光波频率ω0＝c/λ，其中c为光速。经分析，1/λ可以被当作是光的频率。在线性调制中，该频率由方程(3)表示1λ=1λ0+Δλλ02·tT---(3)]]>其中Δλ表示没有振荡模跳变时的波长变化，T表示调制周期，t表示时间。
在一个检测时间t，检测器同时接收到两束经由玻璃的两个表面传出的光束。
由于这两束光之间存在位相差，它们彼此之间具有一定的时间延迟，所以其光波频率不同。
干涉信号可由下述方程表示Vint＝I0(1＋K·cos(φ0＋ωt)) (4)φ0=2πλ0δ------(5)]]>ω=2π(Δλλ02)·δT-----(6)]]>其中I0和λ0分别表示未经调制的单色光源的光强度和波长，δ表示位相差，K表示干涉对比度。
方程(4)表明对光源光波频率的线性调制产生了一个脉冲为ω的余弦干涉信号。ω/2π是这两束干涉光的光波频率差。在这种情况下所进行的检测既有干涉又有外差之所以是干涉是因为有效信号是在两束光的干涉范围内；之所以也是外差则是因为检测到的是这两束光的光波频率差。
在另一种情况下，对本发明光束的光波频率也可以进行正弦调制。
在调制周期内，拍数N与脉冲ω和调制脉冲的比值相对应，即N=Δλλ02·δ-----(7)]]>根据上述的比值和检测出的拍数N即可由(7)方程确定出位相差，由方程(1)确定出材料的厚度“e”。
因此，本方法可以确定出透明材料的厚度“e”，并且其具有很高的精度，这就证明了这种材料可以被看作是一个干涉仪。此外，由于本发明的方法是根据发出的光信号和从材料上返回的接收信号来进行测量的，所以这种方法可以通过设置在离该材料有一定距离的发射和接收工具来实施。采用上述所描述的方法可以避免透明材料与测量工具间的接触即可测出其厚度“e”，从而防止了这种测量由于与物品磨擦等造成的过早磨损。
该方法可以用来测量具有两个平行面的玻璃板材。但是，在另外一些情况下，特别是用于测量如长颈瓶等的玻璃容器的厚度时，得出的测量结果不能总是令人满意。
业已发现，考虑到玻璃的生产技术，长颈瓶或瓶的内壁的折射质量是比较差的，且内壁与外壁一般也不平行。因此，从内表面得到的反射是无规则的。
为适于这类材料(特别玻璃容器)的测量，在本发明一个最佳实施例中，该方法可以从各壁面射出的漫射光中拾取两束彼此平行的光，并使它们之间产生干涉。为进行漫射光的拾取并形成其间的干涉，入射光最好聚焦在容器的壁面上。
尽管人们已经发现，玻璃这种材料很少或实际上不会在所有方向上漫射，但是本发明的这种测量方法还是能够进行高精度测量的。
所拾取的漫射光最好来自与透明材料壁面反射光的不同方向。
这样，将位相差与厚度相关联的方程(1)可以改变为δ=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＝系统角，即入射光和所测的漫射光之间的夹角。
在确定了每个调制周期的拍数N之后就可以由方程(1′)和方程(7)确定出透明材料的厚度“e”。必须注意到，厚度与拍数成正比。
在测量瓶子的厚度时，所述的瓶子是绕其轴线转动的。现在人们发现这种转动会使从壁面反射回来的光线的光强度发生变化，而光强度的这一变化很可能是由于内、外表面上存在着尘埃、变形或杂质。
光强度的这种变化是时间的函数。
因此，上述光强度的变化将影响干涉信号(Vint)，并难以确定拍数N或位相差δ。
为解决上述问题，在本发明的另一个实施例中采用(Vint/Vmod)，其中(Vmod)表示从透明材料壁面发出的光强度信号。然后根据每调制周期的拍数N就可以确定出干涉信号(Vint)的位相差δ。
本发明还提供了实施上述方法的装置。
该装置一方面包括一个光波频率经调制的单色光源，该光源最好是一个激光二极管，并带有调焦透镜；另一方面，它包括一个干涉信号接收装置，和一台用于确定各调制周期内干涉信号拍数的计算机。
激光二极管的能量最好由一个提供经调制的线性电流的发生器供给。
在测量玻璃容器的厚度时，由于需要处理漫射光，所以接收装置是一个透镜和一个位于透镜焦点处的雪崩光电二极管。
还有，所述的光源和接收装置最好设置在一个单一的壳体内，并且在测量期间，该壳体最好放置在这样的方向上，即发出的光线与容器表面不应呈90度。在这个方向上，由壁面反射回来的光线就不会影响两束光强度较弱的漫射光的干涉。
同时，为了改善干涉信号，最好采用一个其感光半径与透镜的焦距之比小的雪崩光电二极管，这样可以确保具有良好的干涉对比度。在测试中，该比值为1/100。
从对附图和根据本发明所进行的各项测试的描述中还可以了解本发明的其它特征及优点。其中
图1示意性地表示了本发明的用于测量玻璃物品厚度的装置；图2表示了以时间为函数的光强度线性调制(Vmod)的测量结果；图3表示了当厚度e＝1.67mm时以时间为函数的干涉信号(Vint)的测量结果；图4表示了当厚度e＝1.67mm时每个调制周期的拍数；图5表示了当厚度e＝3.85mm时每个调制周期的拍数；图6则表示了以材料的厚度为函数的各调制周期拍数的曲线图。
图2、3、4和5中的纵座标是任意的。
图1示意性表示了本发明的装置，该装置可用于测量一个静止的玻璃瓶的厚度“e”。在该图中瓶子的壁1只示意性地画出了一部分。瓶壁包括一个外壁2，在瓶子成型过程中，该外壁与一个模具相接触，并且该整个外壁都具有很好的折射质量。壁的内表面3在成型过程中与吹入的空气相接触，该内表面的折射质量则较差。在该附图中，内表面的这一缺点被夸大了，以便更清楚地说明由这一表面反射回来的光线的方向是完全无规则的，并且随光线在该表面上的入射点的变化而改变。
到达壁面的入射光4来自一个激光二极管5，并通过一个透镜12，该透镜的焦点在壁1上。
测试中所用的激光二极管5是纵向和横向单态型的二极管，其最大能量为10mW，波长λ0＝780nm。
激光二极管5的能量是由一个发生器6提供的，该发生器的电流经周期性地、线性地调制。对供给的电流的调制可以激光二极管的波长被调制，同时也调制了其强度。
采用其它装置也可以只调制波长却保持其光强度恒定，但这些装置成本要高得多。
由激光二极管5发出的入射光4聚焦在壁面1上，在外表面2上形成第一入射点7，在内表面3上形成第二入射点8，箭头(i，i′，i″…)和(j，j′，j″…)示意性地表示了发生在各个方向上的玻璃的漫射。
具有透镜9和雪崩光电二极管10的接收装置设置在可接收干涉信号的位置上，所述的干涉信号是由从壁1的表面2和3漫射出的两束光(i，j)产生的。由于漫射发生在各个方向上，所以总是可以接收到两束从点7和8漫射出的平行光(i，j)。雪崩光电二极管10位于透镜9的焦点上，以便接收干涉信号(Vint)。雪崩光电二极管10与一个放大器11相连，以使得到的信号更便于分析。
实际上，人们已经知道玻璃的漫射表面是较差的，然而测试结果表明，采用本发明的方法来处理漫射光还是可以得到很好的效果的。但是它需要将接收装置放置在与从壁面反射回来的光不同的方向上。如果不是这样的话，雪崩光电二极管10也会接收到比漫射光强得多的这束反射光，从而对干涉信号(Vint)产生影响。
在使用过程中，激光二极管和雪崩光电二极管是放在一个壳体中的，系统的角度ψ非常小(约为5度)，且入射方向不是垂直，这样光电二极管就不会处于从表面反射回来的光线的路径上。
信号(Vint)经连线14被传送到计算机13上，以便计算机进行分析。
信号(Vmod)表示光强度随时间的变化，该信号经连线15也被送入到计算机13中。
在图1中，因为玻璃瓶是固定的，所以信号(Vmod)经系统从激光二极管中传出。实际上，入射光4光强度的变化正比于漫射光(i，j)的光强度。但如果瓶子是转动的话，那么情况就会有所不同，因为正如已知的那样，这种转动会导致光强度随时间而变化。
在这后一种情况下，为了得到(Vmod)，可以通过如设置在光线(i，j)光路上的半反射分离器来测量光线(i，j)的光强度，该分离器设置在光线(i，j)到达透镜9之前的位置上，也可以通过将光线(i，j)偏折到另一个光电二极管上，使这两束光之间不产生干涉。
这种装置所得到的干涉信号(Vint)的类型如图3所示。可以看出这种信号是很难分析的，因为在整个调制周期内，信号的幅度都是变化的。
图2表示出了激光二极管的光强度(Vmod)线性调制的测量结果。为了能够对干涉信号(Vint)进行分析，可以利用计算机将(Vint/Vmod)之比绘制成如图4所示的形式。由信号(Vint/Vmod)可以计算出拍数，进而计算出玻璃瓶的厚度“e”。
如前所述，对信号(Vint/Vmod)的分析可以避免在瓶转动期间光强度的变化所产生的影响。
在图1所示的结构中，可以认为瓶子是静止的。
然而在这种情况下，信号(Vint/Vmod)还是很有用的，因为所选择的调制类型导致了光强度随时间变化，并且影响信号(Vint)(如图3所示)。
为了证实本发明所述的测量方法，特对若干厚度已知的瓶子样品进行了测试。
图3和图4是对厚度e＝1.67mm样品进行的测量结果。
图5表示了对厚度e＝3.85mm的样品进行测试后所得到的信号(Vint/Vmod)。
在图6中示出了上述两个及其它未以图4和5的方式表示出的测试结果，该图表示了对各已知厚度的样品所测出的拍数。
图6表明这一曲线是一条通过原点的直线。利用外差式干涉测量学原理可以证实这条曲线的正确性。实际上，它也证明了每个调制周期的拍数与所测量的材料的厚度“e”成正比。同时它也证明了透明材料(特别是玻璃)可以被看成是一具干涉仪。
在这些测试中有一些样品的厚度是非常接近的，具体来说其厚度变化只有20微米。利用本发明的方法可以得到这样三个值，在图6中，它们是厚度为2.58mm、2.60mm和2.62mm。
为了在测量过程中简化操作，并避免确定特征值Δλ、λ0和n，可以对已知厚度的样品进行测试，从而对测量装置进行标定。
为了对瓶子进行控制，最好对瓶子不同部分的厚度进行控制，特别是对颈部、肩部和沿瓶体不同高度处的厚度进行控制。此外最好对瓶子的整个周边进行这样的测试。为实行这样的测试，瓶子的测试通过多个可以设置在不同高度上的测头来进行，并且这些瓶子绕其轴线转动。
上述的测量装置可以通过测头每0.3毫秒测量一次，这一时间间隔是绝大多数的测试所要求的，也就是说，对生产线上以一般的速度传送和转动的瓶子来说，沿瓶子周长每毫米进行一次测量。
利用该装置可以对平板玻璃、彩色或非彩色玻璃瓶和塑料的瓶子进行很好的测量。
权利要求
1.透明材料厚度(e)的测量方法，其特征在于发出一束光波频率经调制的光束(4)，随后接收从材料壁(1)的表面(2，3)返回的两束光(i，j)，使这两束光(i，j)产生干涉，并且确定其干涉信号的位相差δ。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于上述从各表面返回的两束光是平行的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于上述的位相差是根据每个调制周期的拍数来确定的。
4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于所述的光线(4)是由一个激光二极管(5)发出的。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所发出的光的光波频率是通过调制供给激光二极管(5)的电流来进行调制的。
6.如上述任何一项权利要求所述的方法，其特征在于对光线(4)的光波频率进行线性调制。
7.如权利要求1至5所述的方法，其特征在于对光线(4)的光波频率进行正弦调制。
8.如上述任何一项权利要求所述的方法，其特征在于所述的材料是透明的、无色的或彩色的、其上覆有膜或不覆有膜的玻璃或塑料。
9.如上述任何一项权利要求所述的方法，其特征在于所述的入射光(4)聚焦在材料壁上。
10.如上述任何一项权利要求所述的方法，其特征在于上述的两束干涉光(i，j)是由材料壁(1)的表面(2，3)漫射出的光束。
11.如上述任何一项权利要求所述的方法，其特征在于用干涉信号(Vint)与光强度信号(Vmod)之比来确定位相差δ。
12.透明材料厚度的测量装置，其特征在于它包括一个具有经调制的光波频率(1/λ)的单色光源(5，6，12)，用于接收干涉信号(Vint)的接收装置(9，10，11)和一个用于确定每个调制周期(T)的干涉信号(Vint)拍数(N)的计算机。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于所述的光源是一个与调焦透镜(12)相连的激光二极管(5)。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于激光二极管(5)的能量是由一个可提供调制电流的发生器(6)供给的。
15.如权利要求12或14所述的装置，其特征在于所述的接收装置包括透镜(9)和一个位于该透镜(9)焦点处的雪崩光电二极管(10)，该雪崩光电二极管与一个放大器(11)相连。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于所述的雪崩二极管(10)的感光半径与透镜(9)的焦距之比是较小的。
17.如权利要求12至16之一所述的装置，其特征在于所述的光源(5，6，12)和所述的接收装置(9，10，11)是设置在一个壳体内的，且该壳体放置的位置应使其发出的光线(4)与壁(1)的外表面(2)的角度为除90度以外的角度。
全文摘要
本发明方法的特征在于发出一束光波频率经调制的光束(4)，随后接收从材料壁(1)的表面(2，3)返回的两束光(i，j)，使这两束光(i，j)产生干涉，并且确定其干涉信号的位相差δ。在本发明中以激光二极管作为光源，并对其发出光束的光波频率进行调制，在从两个扁(i，j)产生干涉，并且确定其干涉信号的位相差δ。在本发明中以激光二极管作为光源，并对其发出光束的光波频率进行调制，在从两个壁面漫射出的光束中选择两束平行的光。本发明装置的每个测头可以间隔0.3毫秒进行一次测量，这样就可以对转动的瓶子周边的每个毫米进行测量。本发明可以用于对无色的或彩色的玻璃及塑料瓶和平板玻璃的测量。
文档编号G01B11/06GK1123570SQ95190096
公开日1996年5月29日 申请日期1995年2月17日 优先权日1994年2月18日
发明者J·-W·张, P·格伦蒂 申请人:圣戈班电影及控制公司