Способ контроля оптической анизотропии светорассеяния плоских волокнистых материалов
Владельцы патента RU 2437078:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна" (RU)
Изобретение относится к способам контроля углового распределения волокон в плоских волокнистых материалах и связанных с этим распределением технологических параметров и может быть использовано при решении вопросов повышения качества таких материалов. Исследуемый материал освещают плоскополяризованным светом и измеряют световые потоки, рассеянные материалом в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку, при этом плоскость поляризации светового пучка вращают вокруг оси светового пучка. Изобретение позволяет повысить точность определения углового распределения волокон. 3 ил.
Изобретение относится к способам контроля углового распределения волокон в плоских волокнистых материалах и связанных с этим распределением технологических параметров и может быть использовано при решении вопросов повышения качества таких материалов.
Известен способ (а.с. №1383168 (СССР), G 01 N 21/59. Оптический способ контроля прочности листовых волокнистых светопропускающих материалов в процессе их производства / Шляхтенко П.Г., Суриков О.М., Ветрова Ю.Н., Горбунов Л.С., Лиске Т.Н., опубл. 23.03.88, Бюл. №11).
Способ пригоден для контроля анизотропии прочности листовых волокнистых светопропускающих материалов, связанной с анизотропией углового распределения волокон в материале, и заключается в том, что исследуемый материал освещают параллельным пучком нормально к его поверхности и измеряют световые потоки, рассеянные материалом в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку. При этом один из световых потоков (ФII) измеряют в плоскости, проходящей через направление протяжки материала. Для учета зависимости измеряемых световых потоков от толщины контролируемого сигнала в этом способе дополнительно измеряют также световой поток, прошедший сквозь исследуемый материал Фпр. О степени анизотропии прочности материала судят по коэффициенту
,
где γ - экспериментальная функция измеренной величины потока Фпр.
К недостатку способа можно отнести невозможность его использования для не пропускающих свет материалов.
Наиболее близким к предлагаемому является способ (патент РФ №1723503, МКИ5 G01N 21/55. Способ контроля оптической анизотропии светорассеяния плоских волокнистых материалов и устройство для его осуществления /П.Г.Шляхтенко, О.М.Суриков, С.К.Калличаран, опубл. 30.03.92, Бюл. №12), для контроля анизотропии ориентации волокон, например, в бумаге и полуфабрикатов прядильного производства, заключающийся в том, что исследуемый материал освещают плоскополяризованным параллельным пучком нормально к его поверхности так, что плоскость колебаний светового вектора Е в световом пучке совпадает с направлением протяжки материала и измеряют световые потоки ФII и 
, рассеянные материалом в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку, один из которых (ФII) располагают в плоскости, совпадающей с направлением протяжки материала. Об анизотропии углового распределения волокон в материале судят по коэффициенту оптической анизотропии, вычисляемому по формуле
.
Способ позволяет контролировать угловое распределение волокон в не пропускающих свет материалах, но имеет недостатки, к которым можно отнести то обстоятельство, что одинаковые волокна, ориентированные в направлении протяжки, и в перпендикулярном направлении находятся в различных по отношению к направлению падения светового вектора Е (напряженность электрического поля в плоскополяризованной световой волне) условиях, а поэтому дают различный вклад в светорассеяние, контролируемое фотоприемниками. Это приводит к тому, что контролируемая величина коэффициента оптической изотропии χ, равного отношению измеренных световых потоков ФII/ получается всегда меньше единицы, а рассчитываемый коэффициент оптической анизотропии η=(1-χ)>0, даже в случае изотропного материала.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение точности измерений по предлагаемому способу за счет устранения перечисленных недостатков прототипа.
Поставленная задача достигается тем, что исследуемый материал освещают плоскополяризованным параллельным пучком нормально к его поверхности так, что плоскость колебаний светового вектора Е в световом пучке совпадает с направлением протяжки материала, и измеряют световые потоки ФII и , рассеянные материалом в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку, один из которых (ФII) располагают в плоскости, совпадающей с направлением протяжки материала, отличающийся тем, что плоскость поляризации светового пучка вращают вокруг оси светового пучка с частотой ω, а коэффициент анизотропии углового распределения волокон в материале рассчитывают по формуле
где 
- амплитуда меняющейся с частотой 2ω переменной составляющей светового потока ФII, рассеянного в первом телесном угле;
- амплитуда меняющейся с той же частотой переменной составляющей светового потока 
рассеянного во втором телесном угле.
Существенными отличиями заявляемого решения являются:
1. Плоскость поляризации светового пучка вращают вокруг оси светового пучка с частотой ω.
В прототипе исследуемый материал освещают плоскополяризованным светом так, что плоскость колебаний светового вектора Е в световом пучке совпадает с направлением протяжки материала.
2. Коэффициент анизотропии углового распределения волокон в материале рассчитывают по формуле
где 
- амплитуда меняющейся с частотой 2ω переменной составляющей светового потока ФII, рассеянного в первом телесном угле;
- амплитуда меняющейся с той же частотой составляющей светового потока , рассеянного во втором телесном угле. В прототипе коэффициент оптической анизотропии вычисляют по формуле
где 
и 
постоянные рассеянные исследуемым материалом световые потоки, измеренные в тех же телесных углах при освещении плоскополяризованным светом с фиксированной плоскостью поляризации. На фиг.1 представлена схема, поясняющая предлагаемый способ. Неполяризованный свет параллельным пучком проходит через поляризатор 1, вращающийся с постоянной угловой скоростью ω от двигателя 2, и плоскополяризованным светом, в котором плоскость поляризации вращается с угловой скоростью ω, освещает исследуемый материал 3, перпендикулярно его поверхности. Световые потоки Ф1 и Ф2, рассеянные материалом в одинаковых телесных углах ΔΩ1 и ΔΩ2 (ΔΩ1=ΔΩ2=ΔΩ), ориентированных под одним углом к направлению падения света а во взаимно-перпендикулярных плоскостях, поступают на линейные фотоприемники 4 и 5, которые измеряют амплитуду переменных с частотой 2ω составляющих световых потоков Ф1 и Ф2 (соответственно потоков 
и 
).
Отличие предлагаемого способа от прототипа обусловлено необходимостью отделения части светового потока, идущего при однократном отражении света от поверхности волокон, находящихся непосредственно у освещенной поверхности исследуемого материала, от светового потока, поступающего на фотоприемник от освещаемого объема исследуемого волокносодержащего материала (ВСМ).
Первая компонента светового потока представляет собой свет, всегда частично плоско-поляризованный таким образом, что в нем содержится преимущественно компонента вектора Е, колеблющаяся в плоскости, перпендикулярной плоскости падения света, проходящей через образующую цилиндрического волокна, и поэтому несет информацию об ориентации этого волокна в ВСМ.
Вторая компонента светового потока обусловлена светом, приходящим на фотоприемник после многочисленных переотражений от случайно ориентированных волокон в толще материала. Эта диффузная компонента не поляризована.
Интенсивность первой компоненты пропорциональна числу одинаково ориентированных волокон в освещаемой приповерхностной области, от которых свет в фотоприемник приходит после первого отражения.
Интенсивность неполяризованной диффузной части светового потока зависит от толщины освещаемого объема материала и его оптических свойств и, складываясь с первой информативной компонентой, как это происходит в прототипе, может только снижать чувствительность метода. Особенно в случае достаточно толстых ВСМ и хорошо пропускающих свет волокон.
В случае измерения амплитуды только переменной составляющей светового потока в заявляемом способе, из общего светового потока, поступающего на фотоприемник, выделяется только переменная с частотой 2ω плоско-поляризованная его компонента 
, интенсивность которой определяется известным законом Малюса (~Cos2 ωt).
Работоспособность предлагаемого способа была проверена на установке, блок-схема которой изображена на фиг.2.
Свет от источника 6 (светодиод, испускающий неполяризованный свет в видимой области спектра) через телескопический объектив 7 и поляризатор 1 (поляроидная пленка), приводимый во вращение двигателем 2, параллельным пучком падает на поверхность исследуемого материала 3. В качестве фотоприемника используется фотоэлектрический умножитель (ФЭУ) 4, который питается от стабилизированного выпрямителя 8 и регистрирует свет, рассеянный материалом под углом α к оптической оси в постоянном телесном угле. Переменная составляющая напряжения с ФЭУ 
измеряется универсальным цифровым вольтметром 9 (В 7-16 А). Исследуемый материал 3 закрепляется в специальном держателе между двумя плоскопараллельными стеклами, который может поворачиваться вокруг оптической оси и устанавливаться на любое значение φ в диапазоне 0-2π с точностью ±1°.
Сравнительные измерения по способу прототипа производились на той же установке (фиг.2), при отсутствии внешних засветок и неподвижном поляризаторе 1, установленном в соответствии с этим методом таким образом, что его оптическая ось находилась в плоскости, проведенной через направление падающего светового пучка и ось симметрии фотоприемника 4. При этом переключатель вида измерений вольтметра 9 устанавливался в положение, когда измерялось постоянное напряжение с выходного сопротивления ФЭУ U(φ), где значение угла φ=0 соответствовало положению образца исследуемого материала, когда машинное направление (направление вектора V) находилось в плоскости фотоприемника.
На фиг.3 приведены сравнительные угловые диаграммы светорассеяния, нормированные по максимальному значению измеренного сигнала. Кривые сняты на устройстве (фиг.2) в полярных координатах на одном образце конденсаторной бумаги МКОН 1-10 в зависимости от значения угла φ, измеряемого между осью z и "машинным направлением" 00 на фиг.2 (направление протяжки бумаги при ее изготовлении).
Из данных фиг.3 видно, что эти кривые количественно сильно отличаются, что хорошо объясняется в рамках сделанного выше рассмотрения.
Заявляемый метод действительно отделяет плоско-поляризованную, переменную компоненту светового потока, которая несет информацию о контролируемом угловом распределении волокон в материале, от диффузной неполяризованной (неинформативной) компоненты излучения, поступающей в фотоприемник от освещаемого объема в толще материала.
Значение для коэффициента оптической анизотропии для конденсаторной бумаги, рассчитанное по заявляемой формуле
.
Значение для этого коэффициента, рассчитанное по формуле прототипа, составляет (по данным фиг.3) 
.
Приведенные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что заявляемый оптический метод по заявляемой формуле более точно описывает действительную функцию углового распределения волокон в исследованном волокносодержащем материале по сравнению с прототипом.
Способ контроля оптической анизотропии светорассеяния плоских волокнистых материалов, заключающийся в том, что исследуемый материал освещают плоскополяризованным пучком нормально к его поверхности и измеряют световые потоки Ф1 и Ф2, рассеянные материалом в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку, один из которых (Ф1) располагают в плоскости, совпадающей с направлением протяжки материала, отличающийся тем, что плоскость поляризации светового пучка вращают вокруг оси светового пучка с частотой ω, а коэффициент анизотропии углового распределения волокон в материале рассчитывают по формуле
,
- амплитуда меняющейся с частотой 2ω переменной составляющей светового потока Ф1, рассеянного в первом телесном угле, 
- амплитуда меняющейся с той же частотой переменной составляющей светового потока Ф2, рассеянного во втором телесном угле.
