Оптический метод контроля углового распределения волокон в плоских волокносодержащих материалах
УДК 535.4/6: 535.012: 535.016
ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЛОКОН В ПЛОСКИХ ВОЛОКНОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛАХ
© 2011 г. П. Г. Шляхтенко, канд. физ.-мат. наук, доктор техн. наук; Ю. Н. Ветрова, канд. техн. наук; А. Е. Рудин, доктор техн. наук; Я. И. Золотова
Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна, Санкт-Петербург Е-mail: pavelshl@sutd.ru
Предложен оптический метод контроля углового распределения волокон в волокносодержащих материалах (ВСМ) типа бумаги, нетканых материалов, белкозиновой оболочки, полуфабрикатов прядильного производства и т. п. Метод основан на освещении исследуемого ВСМ плоскополяризованным светом с вращающейся относительно оси светового пучка с частотой ω плоскостью поляризации. Последующий анализ угловой диаграммы обратного светорассеяния проводится с помощью линейного фотоприемника, установленного под постоянным углом относительно оптической оси и регистрирующего амплитуду переменного сигнала на частоте 2ω. На образцах различных ВСМ показана перспективность метода для текущего контроля анизотропии углового распределения волокон в ВСМ вне зависимости от природы материала волокон.
Ключевые слова: анизотропия, угловое распределение волокон, плоские волокносодержащие материалы, поляризация света при отражении, диффузное рассеяние света.
Коды OCIS: 230.5440, 240.0240.
Поступила в редакцию 16.12.2010.
При изготовлении пряжи, нетканых материалов, бумаги и других подобных волокносодержащих материалов (ВСМ) волокна, содержащиеся в материале, ориентируются преимущественно вдоль машинного направления протяжки материала при его изготовлении. Угловое распределение волокон относительно этого направления оказывает существенное влияние на качество конечного продукта, его потребительские и прочностные свойства.
В настоящее время для контроля степени анизотропии в угловом распределении волокон в ВСМ известны и иногда используются следующие методы: проекционный [1], методы с использованием радиоизотопных препаратов [2], электрофоретический [3], метод для комплексной оценки структуры лент по измеряемой на образцах величине работы разрыва [4].
Все указанные методы трудоемки, требуют значительных временных затрат и предназначены для работы на образцах, а поэтому в принципе не могут быть применены для текущего контроля этого параметра.
Более перспективными являются оптические методы контроля, описанные в [5, 6].
В работе [5] предложены метод и устройство для оптического контроля “степени параллелизации” волокон в полуфабрикатах прядильного производства. Суть метода заключается в исследовании диаграммы обратного светорассеяния с помощью двух одинаковых фотоприемников, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях под одинаковыми углами к оптической оси, путем вращения исследуемого образца материала вокруг этой оси.
В работе [6] описан метод контроля ориентации и распрямленности волокон в объектах, обладающих малой оптической плотностью. Он позволяет анализировать картины малоугловой дифракции света He-Ne-лазера, прошедшего сквозь исследуемый образец ваткипрочеса на соответствующем фотоприемнике, расположенном в фокальной плоскости объектива. Этот метод не применим в случае ВМС, обладающих высокими значениями средней оптической плотности.
В работе [7] предложен способ оценки степени параллелизации волокон оптическим коэффициентом анизотропии обратного рассеяния η по формуле
54 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
η=1−χ =1−
Φ|| Φ⊥
=1−
U|| U⊥
,
(1)
где χ – коэффициент оптической изотропии, Φ|| – рассеянный световой поток, измеренный фотоприемником, ориентированным в плоскости, проходящей через оптическую ось и направление протяжки исследуемого материала, Φ⊥ – световой поток, измеренный аналогичным фотоприемником в том же телесном угле и под тем же углом к оптической оси, но в перпендикулярной плоскости, U|| и U⊥ – сигналы соответствующих линейных фотоприемников (U⊥ ≥ U||).
В этой работе при исследовании угловых диаграмм обратного светорассеяния была доказана возможность контроля коэффициента распрямленности волокон в хлопковых лентах по измерению оптического коэффициента анизотропии η обратного светорассеяния, рассчитываемого по формуле (1).
Этот же принцип оценки анизотропии в распределении волокон в ВСМ по измерению коэффициента η был использован при контроле прочности конденсаторной бумаги [8].
В работе [9] описано компактное устройство для измерения коэффициента χ при обратном светорассеянии по способу [7], которое отличается высокой точностью измерения и хорошей помехоустойчивостью по отношению к внешним засветкам. С использованием этого устройства в [10] предложен метод оптического контроля относительного удлинения материала при его растяжении. Получены однозначные экспериментальные зависимости коэффициента оптической изотропии от относительного удлинения трикотажа и листовой резины.
С использованием этого же устройства в [11] предложен метод неразрушающего контроля величины крутки нити K, позволяющий по измеренной зависимости χ(K) контролировать значение крутки в процессе производства нити.
В [12] предложена модификация метода [7], в котором освещение материала производилось плоскополяризованным светом так, что световой вектор Е колеблется в плоскости преимущественной ориентации волокон. В этом случае получено некоторое увеличение чувствительности устройства.
К недостатку способа [12] можно отнести то, что коэффициент оптической изотропии χ, рассчитываемый по формуле (1), получается всегда меньше единицы даже в случае изотропного распределения волокон в исследуемом материале. Это обусловлено существенным различием в условиях освещения волокон, ориентированных в плоскости протяжки материала при его изготовлении, и волокон, ориентированных в перпендикулярном направлении [9].
Общим недостатком всех перечисленных выше оптических методов является зависимость рассчитываемых коэффициентов, используемых для оценки анизотропии углового распределения волокон, от толщины и оптических параметров исследуемого ВСМ.
В настоящей работе рассматривается способ контроля функции углового распределения волокон в ВСМ, в значительной степени свободный от этого недостатка.
На рис. 1 приведена схема измерительной установки, поясняющая предлагаемый метод.
Свет от источника 1 (белый светодиод, испускающий неполяризованный свет в видимой области спектра) через телескопический объ-
10 11
z O
23
6
5
1 4
Рис. 1. Схема измерительной установки (пояснения в тексте). “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
y O
55
ектив 2 и поляризационный фильтр 3 (поляроидная пленка), приводимый во вращение вокруг оси, перпендикулярной его поверхности, с помощью двигателя 4, параллельным пучком падает на поверхность исследуемого материала 5. В качестве фотоприемника используется фотоэлектрический умножитель (ФЭУ) 6, который питается от стабилизированного выпрямителя 10 и регистрирует свет, рассеянный материалом под углом α = 45° к оптической оси. Переменная составляющая напряжения с ФЭУ измеряется цифровым вольтметром 11. Исследуемый материал 5 закрепляется в специальном держателе между двумя плоскопараллельными стеклами, который может поворачиваться вокруг оптической оси и устанавливаться на любой угол ϕ в диапазоне 0–2π с точностью ±1°.
Отличие предлагаемого метода контроля функции углового распределения волокон в ВСМ по этой схеме от использованного в работах, описанных ранее, обусловлено необходимостью отделения части светового потока, отраженного от волокон, находящихся непосредственно у освещенной поверхности исследуемого материала, от светового потока, поступающего на фотоприемник от освещаемой толщи ВСМ.
Первый компонент светового потока представляет собой свет всегда частично плоскополяризованный таким образом, что в нем содержится преимущественно компонент вектора Е, колеблющийся в плоскости, перпендикулярной плоскости падения света. Эта плоскость проходит через образующую цилиндрического волокна и поэтому несет информацию об ориентации этого волокна в ВСМ.
Второй компонент светового потока обусловлен светом, проходящим сквозь волокна, и приходит на фотоприемник после многочисленных переотражений от случайно ориентированных волокон в материале. Этот диффузный компонент при достаточном количестве волокон в освещенной толще материала не поляризован.
Интенсивность первого компонента 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 первым информативным компо-
нентом, очевидно, может только снижать чувствительность метода при расчете коэффициента изотропии χ по формуле (1), особенно в случае достаточно толстых ВСМ и хорошо пропускающих свет волокон. Это подтверждается в работах [7, 10–12].
В случае измерения амплитуды только переменной составляющей светового потока по схеме рис. 1 из общего светового потока, поступающего на фотоприемник 6, выделяется только переменный с частотой 2ω плоскополяризованный его компонент U, интенсивность которого U определяется известным законом Малюса (U ~ cos2ωt).
На рис. 2 приведены нормированные по максимуму угловые диаграммы U(ϕ) в полярных координатах, полученные при измерениях по схеме рис. 1 для глянцевой каландрированной конденсаторной бумаги (КБ) толщиной 10 мкм, белкозиновой колбасной оболочки (БКО) и принтерной бумаги. На рис. 3 – аналогичные диаграммы U(ϕ) для ленты из непро-
U||
3
21
U
Рис. 2. Угловые диаграммы обратного светорассеяния. 1 – каландрированная конденсаторная бумага, 2 – белкозиновая колбасная оболочка, 3 – бумага для принтера.
U|| 3 2
1
U
Рис. 3. Угловые диаграммы обратного светорассеяния. 1 – лента из углеродных волокон, 2 – конденсаторная бумага, 3 – вискозная лента со второго перехода ленточной машины.
56 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
зрачных углеродных моноволокон, матовой КБ толщиной 15 мкм и вискозной ленты со второго перехода ленточной машины.
На рис. 4 и 5 показаны функции распределения волокон по углам отклонения от направления, перпендикулярного направлению протяжки материала при его изготовлении, т. е. зависимости U (ϕ), построенные в декартовых координатах по данным рис. 2 и 3 соответственно.
Из сравнения данных рис. 2 и 3 видно, что во всех случаях, кроме бумаги для принтера (кривая 3 на рис. 2), измеренные угловые диаграммы U(ϕ) сильно отличаются от эллиптических, которые наблюдались при исследованиях по методу [7] для КБ, БКО и полуфабрикатов прядильного производства. Это различие свидетельствует о значительно более высокой точности предлагаемого метода.
В пользу такого вывода свидетельствует наличие “тонкой структуры” в зависимостях U(ϕ) для КБ (кривая 1 на рис. 2 и кривая 2 на рис. 3), которые в рамках погрешности измерений практически не различаются и состоят из двух компонентов: перевернутой восьмерки и части окружности. Мы объясняем это известным составом конденсаторной бумаги, в которой, кроме коротких (примерно 2 мм) волокон, присутствует также изотропное наполнение из молотой порошковой целлюлозы. Рассеяние от нее “забивает” ход зависимости U(ϕ) для волокон в центральной области. Последний вывод полностью коррелирует с выводом, сделанным при независимых спектрографических исследованиях, описанных для этих типов конденсаторной бумаги в [9]. Можно попытаться устранить влияние этого компонента на общий ход указанных кривых, проведя касательные к кривой в месте ее перехода в часть окружности (показано пунктиром). Тогда ход скорректированной таким образом кривой будет качественно совпадать с ходом кривой 3 на рис. 3 для ленты из вискозных волокон, в которой отсутствует изотропное заполнение.
Вид зависимости для ленты из длинных углеродных моноволокон (кривая 3 на рис. 3) в рамках погрешности метода совпал с зависимостью, полученной на установке рис. 1 для этого же образца ленты по методу [7] (предварительно удалялся поляризатор 3 и измерялась постоянная составляющая сигнала с фотоприемника 6). Это естественно, так как в этом случае от образца на фотоприемник поступает однократно отраженный сигнал только от при-
U 3
2 1
0 30 60 90 120 150 180
, град
Рис. 4. Функции распределения волокон по углам отклонения от направления, перпендикулярного направлению протяжки материала при его изготовлении, построенные по данным рис. 2.
U
3
2 1
0 30 60 90 120 150 180
, град
Рис. 5. Функции распределения волокон по углам отклонения от направления, перпендикулярного направлению протяжки материала при его изготовлении, построенные по данным рис. 3.
поверхностных волокон (волокна полностью поглощают свет, и дальнейшее проникновение света в глубину материала полностью исключается).
Для КБ на установке рис. 1 были проведены исследования зависимости U(ϕ) от толщины, которая менялась путем наложения образцов одной бумаги друг на друга при совпадении машинного направления протяжки бумаги при ее изготовлении для двух и трех сложений. Полученные кривые в рамках погрешности метода не различались, что свидетельствует о хорошем отделении информативной приповерхностной части отраженного светового потока от диффузной его части в предлагаемом методе при исследованиях на не поглощающих свет целлюлозных волокнах.
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
57
Результат расчета коэффициентов χ и η по формуле (1) и коэффициентов χ~ и η~ по формуле (2)
Материал
χ η χ~ η~
Бумага для принтера 0,99 0,01 0,89 0,11
КБ каландрированная 0,86 0,14 0,31 0,69
КБ матовая
0,87 0,13 0,29 0,71
БКО
0,75 0,25 0,38 0,62
Углеродная лента
~0 ~1 ~ 0 ~1
Вискозная лента 2 переход ленточной машины
0,76 0,24 0,24 0,76
В таблице для сравнения приведены ре-
зультаты расчета коэффициентов оптической
изотропии χ и анизотропии η по формуле (1),
при исследованиях по методу [7], и по фор-
муле (2)
η~
=
1
−
χ~
=
1
−
U|| U⊥
,
(2)
при исследованиях предлагаемым методом. Из данных, приведенных в таблице, видно,
что диапазон измерений коэффициентов для всех светопропускающих исследованных материалов предлагаемым методом значительно расширился. Если аналоговым методом коэффициент изотропии χ измерялся в пределах 0,99 – 0,75 = 0,24, то при использовании предложенного метода измерения коэффициента χ~ этот диапазон для тех же материалов значительно расширился (0,89 – 0,24 = 0,65). Это легко объясняется тем, что этим методом регистрируется только переменная составляющая сигнала с фотоприемника, что действительно отсекает от регистрации постоянную диффузную неполяризованную составляющую сигнала, которая регистрируется в методах, описанных выше.
Для углеродной ленты, состоящей из жест-
ких прямолинейных волокон, имеющих малый
угловой разброс от машинного направления, контролируемая величина сигнала U|| и U|| оказалась меньше ошибки измерения, что говорит
об отсутствии видимого преимущества одного
из методов при измерениях на подобных свето-
поглощающих ВСМ.
Если рассчитать значение коэффициента
изотропии в угловом распределении волокон по
формуле
χýêñï
=
⎜⎜⎜⎝⎛
dN dϕ
⎠⎞⎟⎟⎟⎟⊥
⎜⎜⎜⎛⎝
dN dϕ
⎞⎠⎟⎟⎟⎟||
,
(3)
где
⎛⎜⎜⎝⎜
dN dϕ
⎞⎠⎟⎟⎟⎟⊥
–
угловая
плотность
волокон,
ори-
ентированных в направлении, перпендикуляр-
ном
машинному;
⎜⎜⎜⎛⎝
dN dϕ
⎞⎠⎟⎟⎟⎟||
–
угловая
плотность
во-
локон, ориентированных в машинном направ-
лении, подставив в нее соответствующие ис-
тинные средние значения этих плотностей из
экспериментально измеренного углового рас-
пределения волокон в КБ, приведенного в [9],
то получим значение χэксп = 0,23. Практически такой же результат получа-
ется при расчете коэффициента χ~ по форму-
ле (2) с учетом скорректированного значения U|| для КБ (кривая 1 на рис. 2) в месте пересечения пунктирных кривых на этом рисунке
(χ~ = 0,24), что в рамках погрешности измерений перекрывается с истинным значением, рас-
считанным по формуле (3).
В заключение можно сделать вывод о пер-
спективности использования предложенного
метода при создании устройств текущего кон-
троля функции углового распределения во-
локон в любых, как светопропускающих, так
и непрозрачных плоских ВСМ, независимо от
природы и оптических свойств содержащихся
в них волокон.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Севастьянов А.Г. Методы и средства исследования механико-технологических процессов текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1980. 392 с.
2. Протасова В.А. Определение распрямленности волокон методом радиографии // Изв. вузов. ТТП. 1960. № 4. С. 29–32.
3. Стрельцов Б.Н., Цыбранкова Т.Н. Новый способ определения распрямленности волокон // Текст. промышленность.1987. № 9. С. 57–59.
4. Ашнин Н.М., Штут И.И., Челышев А.М., Ангаров А.А., Самойлова Е.Г. Метод и прибор КСЛ для комплексной оценки структуры ленты по показателю работы разрыва / Реф. сб. ЦНИИлегпрома. 1978. № 11. С. 9–12.
5. Яковлев В.В. Исследование оптического метода определения степени параллелизации волокон // Изв. вузов. ТТП. 1967. № 1. С. 56–64.
58 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
6. Корнюхина Т.А., Борзунов И.Г. Определение ориентации и распрямленности волокон методом рассеяния излучения // Изв. вузов. ТТП. 1976. № 1. С. 25–28; № 3. С. 19–22.
7. Шляхтенко П.Г., Труевцев Н.Н., Ветрова Ю.Н. Оптический метод измерения коэффициента распрямленности волокон в волокнистых лентах // Изв. вузов. ТТП. 1987. № 4. С. 9–10.
8. Шляхтенко П.Г., Суриков О.М., Ветрова Ю.Н., Горбунов Л.С., Лиске Т.Н. Оптический способ контроля прочности листовых волокнистых светопропускающих материалов в процессе их производства // А. с. № 1383168. Бюл. изобр. 1988. № 11.
9. Шляхтенко П.Г. Неразрушающие методы оптического контроля структурных параметров волокносодержащих материалов. СПб.: СПГУТД, 2010. 258 с.
10. Шляхтенко П.Г., Садовский В.В., Виноградов Б.А., Сергеев А.В. Оптический способ контроля волокносодержащих материалов // Текст. промышленность. 1994. № 1. С. 31–32.
11. Челышев А.М., Шляхтенко П.Г., Ветрова Ю.Н., Струева Л.В. Оптический способ контроля крутки нитей // Патент России № 2047169. 1995.
12. Шляхтенко П.Г., Суриков О.М., Калличаран С.К.Способ контроля оптической анизотропии светорассеяния плоских волокнистых материалов и устройство для его осуществления // Патент России № 1723503. 1992.
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
59
ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЛОКОН В ПЛОСКИХ ВОЛОКНОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛАХ
© 2011 г. П. Г. Шляхтенко, канд. физ.-мат. наук, доктор техн. наук; Ю. Н. Ветрова, канд. техн. наук; А. Е. Рудин, доктор техн. наук; Я. И. Золотова
Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна, Санкт-Петербург Е-mail: pavelshl@sutd.ru
Предложен оптический метод контроля углового распределения волокон в волокносодержащих материалах (ВСМ) типа бумаги, нетканых материалов, белкозиновой оболочки, полуфабрикатов прядильного производства и т. п. Метод основан на освещении исследуемого ВСМ плоскополяризованным светом с вращающейся относительно оси светового пучка с частотой ω плоскостью поляризации. Последующий анализ угловой диаграммы обратного светорассеяния проводится с помощью линейного фотоприемника, установленного под постоянным углом относительно оптической оси и регистрирующего амплитуду переменного сигнала на частоте 2ω. На образцах различных ВСМ показана перспективность метода для текущего контроля анизотропии углового распределения волокон в ВСМ вне зависимости от природы материала волокон.
Ключевые слова: анизотропия, угловое распределение волокон, плоские волокносодержащие материалы, поляризация света при отражении, диффузное рассеяние света.
Коды OCIS: 230.5440, 240.0240.
Поступила в редакцию 16.12.2010.
При изготовлении пряжи, нетканых материалов, бумаги и других подобных волокносодержащих материалов (ВСМ) волокна, содержащиеся в материале, ориентируются преимущественно вдоль машинного направления протяжки материала при его изготовлении. Угловое распределение волокон относительно этого направления оказывает существенное влияние на качество конечного продукта, его потребительские и прочностные свойства.
В настоящее время для контроля степени анизотропии в угловом распределении волокон в ВСМ известны и иногда используются следующие методы: проекционный [1], методы с использованием радиоизотопных препаратов [2], электрофоретический [3], метод для комплексной оценки структуры лент по измеряемой на образцах величине работы разрыва [4].
Все указанные методы трудоемки, требуют значительных временных затрат и предназначены для работы на образцах, а поэтому в принципе не могут быть применены для текущего контроля этого параметра.
Более перспективными являются оптические методы контроля, описанные в [5, 6].
В работе [5] предложены метод и устройство для оптического контроля “степени параллелизации” волокон в полуфабрикатах прядильного производства. Суть метода заключается в исследовании диаграммы обратного светорассеяния с помощью двух одинаковых фотоприемников, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях под одинаковыми углами к оптической оси, путем вращения исследуемого образца материала вокруг этой оси.
В работе [6] описан метод контроля ориентации и распрямленности волокон в объектах, обладающих малой оптической плотностью. Он позволяет анализировать картины малоугловой дифракции света He-Ne-лазера, прошедшего сквозь исследуемый образец ваткипрочеса на соответствующем фотоприемнике, расположенном в фокальной плоскости объектива. Этот метод не применим в случае ВМС, обладающих высокими значениями средней оптической плотности.
В работе [7] предложен способ оценки степени параллелизации волокон оптическим коэффициентом анизотропии обратного рассеяния η по формуле
54 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
η=1−χ =1−
Φ|| Φ⊥
=1−
U|| U⊥
,
(1)
где χ – коэффициент оптической изотропии, Φ|| – рассеянный световой поток, измеренный фотоприемником, ориентированным в плоскости, проходящей через оптическую ось и направление протяжки исследуемого материала, Φ⊥ – световой поток, измеренный аналогичным фотоприемником в том же телесном угле и под тем же углом к оптической оси, но в перпендикулярной плоскости, U|| и U⊥ – сигналы соответствующих линейных фотоприемников (U⊥ ≥ U||).
В этой работе при исследовании угловых диаграмм обратного светорассеяния была доказана возможность контроля коэффициента распрямленности волокон в хлопковых лентах по измерению оптического коэффициента анизотропии η обратного светорассеяния, рассчитываемого по формуле (1).
Этот же принцип оценки анизотропии в распределении волокон в ВСМ по измерению коэффициента η был использован при контроле прочности конденсаторной бумаги [8].
В работе [9] описано компактное устройство для измерения коэффициента χ при обратном светорассеянии по способу [7], которое отличается высокой точностью измерения и хорошей помехоустойчивостью по отношению к внешним засветкам. С использованием этого устройства в [10] предложен метод оптического контроля относительного удлинения материала при его растяжении. Получены однозначные экспериментальные зависимости коэффициента оптической изотропии от относительного удлинения трикотажа и листовой резины.
С использованием этого же устройства в [11] предложен метод неразрушающего контроля величины крутки нити K, позволяющий по измеренной зависимости χ(K) контролировать значение крутки в процессе производства нити.
В [12] предложена модификация метода [7], в котором освещение материала производилось плоскополяризованным светом так, что световой вектор Е колеблется в плоскости преимущественной ориентации волокон. В этом случае получено некоторое увеличение чувствительности устройства.
К недостатку способа [12] можно отнести то, что коэффициент оптической изотропии χ, рассчитываемый по формуле (1), получается всегда меньше единицы даже в случае изотропного распределения волокон в исследуемом материале. Это обусловлено существенным различием в условиях освещения волокон, ориентированных в плоскости протяжки материала при его изготовлении, и волокон, ориентированных в перпендикулярном направлении [9].
Общим недостатком всех перечисленных выше оптических методов является зависимость рассчитываемых коэффициентов, используемых для оценки анизотропии углового распределения волокон, от толщины и оптических параметров исследуемого ВСМ.
В настоящей работе рассматривается способ контроля функции углового распределения волокон в ВСМ, в значительной степени свободный от этого недостатка.
На рис. 1 приведена схема измерительной установки, поясняющая предлагаемый метод.
Свет от источника 1 (белый светодиод, испускающий неполяризованный свет в видимой области спектра) через телескопический объ-
10 11
z O
23
6
5
1 4
Рис. 1. Схема измерительной установки (пояснения в тексте). “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
y O
55
ектив 2 и поляризационный фильтр 3 (поляроидная пленка), приводимый во вращение вокруг оси, перпендикулярной его поверхности, с помощью двигателя 4, параллельным пучком падает на поверхность исследуемого материала 5. В качестве фотоприемника используется фотоэлектрический умножитель (ФЭУ) 6, который питается от стабилизированного выпрямителя 10 и регистрирует свет, рассеянный материалом под углом α = 45° к оптической оси. Переменная составляющая напряжения с ФЭУ измеряется цифровым вольтметром 11. Исследуемый материал 5 закрепляется в специальном держателе между двумя плоскопараллельными стеклами, который может поворачиваться вокруг оптической оси и устанавливаться на любой угол ϕ в диапазоне 0–2π с точностью ±1°.
Отличие предлагаемого метода контроля функции углового распределения волокон в ВСМ по этой схеме от использованного в работах, описанных ранее, обусловлено необходимостью отделения части светового потока, отраженного от волокон, находящихся непосредственно у освещенной поверхности исследуемого материала, от светового потока, поступающего на фотоприемник от освещаемой толщи ВСМ.
Первый компонент светового потока представляет собой свет всегда частично плоскополяризованный таким образом, что в нем содержится преимущественно компонент вектора Е, колеблющийся в плоскости, перпендикулярной плоскости падения света. Эта плоскость проходит через образующую цилиндрического волокна и поэтому несет информацию об ориентации этого волокна в ВСМ.
Второй компонент светового потока обусловлен светом, проходящим сквозь волокна, и приходит на фотоприемник после многочисленных переотражений от случайно ориентированных волокон в материале. Этот диффузный компонент при достаточном количестве волокон в освещенной толще материала не поляризован.
Интенсивность первого компонента 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 первым информативным компо-
нентом, очевидно, может только снижать чувствительность метода при расчете коэффициента изотропии χ по формуле (1), особенно в случае достаточно толстых ВСМ и хорошо пропускающих свет волокон. Это подтверждается в работах [7, 10–12].
В случае измерения амплитуды только переменной составляющей светового потока по схеме рис. 1 из общего светового потока, поступающего на фотоприемник 6, выделяется только переменный с частотой 2ω плоскополяризованный его компонент U, интенсивность которого U определяется известным законом Малюса (U ~ cos2ωt).
На рис. 2 приведены нормированные по максимуму угловые диаграммы U(ϕ) в полярных координатах, полученные при измерениях по схеме рис. 1 для глянцевой каландрированной конденсаторной бумаги (КБ) толщиной 10 мкм, белкозиновой колбасной оболочки (БКО) и принтерной бумаги. На рис. 3 – аналогичные диаграммы U(ϕ) для ленты из непро-
U||
3
21
U
Рис. 2. Угловые диаграммы обратного светорассеяния. 1 – каландрированная конденсаторная бумага, 2 – белкозиновая колбасная оболочка, 3 – бумага для принтера.
U|| 3 2
1
U
Рис. 3. Угловые диаграммы обратного светорассеяния. 1 – лента из углеродных волокон, 2 – конденсаторная бумага, 3 – вискозная лента со второго перехода ленточной машины.
56 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
зрачных углеродных моноволокон, матовой КБ толщиной 15 мкм и вискозной ленты со второго перехода ленточной машины.
На рис. 4 и 5 показаны функции распределения волокон по углам отклонения от направления, перпендикулярного направлению протяжки материала при его изготовлении, т. е. зависимости U (ϕ), построенные в декартовых координатах по данным рис. 2 и 3 соответственно.
Из сравнения данных рис. 2 и 3 видно, что во всех случаях, кроме бумаги для принтера (кривая 3 на рис. 2), измеренные угловые диаграммы U(ϕ) сильно отличаются от эллиптических, которые наблюдались при исследованиях по методу [7] для КБ, БКО и полуфабрикатов прядильного производства. Это различие свидетельствует о значительно более высокой точности предлагаемого метода.
В пользу такого вывода свидетельствует наличие “тонкой структуры” в зависимостях U(ϕ) для КБ (кривая 1 на рис. 2 и кривая 2 на рис. 3), которые в рамках погрешности измерений практически не различаются и состоят из двух компонентов: перевернутой восьмерки и части окружности. Мы объясняем это известным составом конденсаторной бумаги, в которой, кроме коротких (примерно 2 мм) волокон, присутствует также изотропное наполнение из молотой порошковой целлюлозы. Рассеяние от нее “забивает” ход зависимости U(ϕ) для волокон в центральной области. Последний вывод полностью коррелирует с выводом, сделанным при независимых спектрографических исследованиях, описанных для этих типов конденсаторной бумаги в [9]. Можно попытаться устранить влияние этого компонента на общий ход указанных кривых, проведя касательные к кривой в месте ее перехода в часть окружности (показано пунктиром). Тогда ход скорректированной таким образом кривой будет качественно совпадать с ходом кривой 3 на рис. 3 для ленты из вискозных волокон, в которой отсутствует изотропное заполнение.
Вид зависимости для ленты из длинных углеродных моноволокон (кривая 3 на рис. 3) в рамках погрешности метода совпал с зависимостью, полученной на установке рис. 1 для этого же образца ленты по методу [7] (предварительно удалялся поляризатор 3 и измерялась постоянная составляющая сигнала с фотоприемника 6). Это естественно, так как в этом случае от образца на фотоприемник поступает однократно отраженный сигнал только от при-
U 3
2 1
0 30 60 90 120 150 180
, град
Рис. 4. Функции распределения волокон по углам отклонения от направления, перпендикулярного направлению протяжки материала при его изготовлении, построенные по данным рис. 2.
U
3
2 1
0 30 60 90 120 150 180
, град
Рис. 5. Функции распределения волокон по углам отклонения от направления, перпендикулярного направлению протяжки материала при его изготовлении, построенные по данным рис. 3.
поверхностных волокон (волокна полностью поглощают свет, и дальнейшее проникновение света в глубину материала полностью исключается).
Для КБ на установке рис. 1 были проведены исследования зависимости U(ϕ) от толщины, которая менялась путем наложения образцов одной бумаги друг на друга при совпадении машинного направления протяжки бумаги при ее изготовлении для двух и трех сложений. Полученные кривые в рамках погрешности метода не различались, что свидетельствует о хорошем отделении информативной приповерхностной части отраженного светового потока от диффузной его части в предлагаемом методе при исследованиях на не поглощающих свет целлюлозных волокнах.
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
57
Результат расчета коэффициентов χ и η по формуле (1) и коэффициентов χ~ и η~ по формуле (2)
Материал
χ η χ~ η~
Бумага для принтера 0,99 0,01 0,89 0,11
КБ каландрированная 0,86 0,14 0,31 0,69
КБ матовая
0,87 0,13 0,29 0,71
БКО
0,75 0,25 0,38 0,62
Углеродная лента
~0 ~1 ~ 0 ~1
Вискозная лента 2 переход ленточной машины
0,76 0,24 0,24 0,76
В таблице для сравнения приведены ре-
зультаты расчета коэффициентов оптической
изотропии χ и анизотропии η по формуле (1),
при исследованиях по методу [7], и по фор-
муле (2)
η~
=
1
−
χ~
=
1
−
U|| U⊥
,
(2)
при исследованиях предлагаемым методом. Из данных, приведенных в таблице, видно,
что диапазон измерений коэффициентов для всех светопропускающих исследованных материалов предлагаемым методом значительно расширился. Если аналоговым методом коэффициент изотропии χ измерялся в пределах 0,99 – 0,75 = 0,24, то при использовании предложенного метода измерения коэффициента χ~ этот диапазон для тех же материалов значительно расширился (0,89 – 0,24 = 0,65). Это легко объясняется тем, что этим методом регистрируется только переменная составляющая сигнала с фотоприемника, что действительно отсекает от регистрации постоянную диффузную неполяризованную составляющую сигнала, которая регистрируется в методах, описанных выше.
Для углеродной ленты, состоящей из жест-
ких прямолинейных волокон, имеющих малый
угловой разброс от машинного направления, контролируемая величина сигнала U|| и U|| оказалась меньше ошибки измерения, что говорит
об отсутствии видимого преимущества одного
из методов при измерениях на подобных свето-
поглощающих ВСМ.
Если рассчитать значение коэффициента
изотропии в угловом распределении волокон по
формуле
χýêñï
=
⎜⎜⎜⎝⎛
dN dϕ
⎠⎞⎟⎟⎟⎟⊥
⎜⎜⎜⎛⎝
dN dϕ
⎞⎠⎟⎟⎟⎟||
,
(3)
где
⎛⎜⎜⎝⎜
dN dϕ
⎞⎠⎟⎟⎟⎟⊥
–
угловая
плотность
волокон,
ори-
ентированных в направлении, перпендикуляр-
ном
машинному;
⎜⎜⎜⎛⎝
dN dϕ
⎞⎠⎟⎟⎟⎟||
–
угловая
плотность
во-
локон, ориентированных в машинном направ-
лении, подставив в нее соответствующие ис-
тинные средние значения этих плотностей из
экспериментально измеренного углового рас-
пределения волокон в КБ, приведенного в [9],
то получим значение χэксп = 0,23. Практически такой же результат получа-
ется при расчете коэффициента χ~ по форму-
ле (2) с учетом скорректированного значения U|| для КБ (кривая 1 на рис. 2) в месте пересечения пунктирных кривых на этом рисунке
(χ~ = 0,24), что в рамках погрешности измерений перекрывается с истинным значением, рас-
считанным по формуле (3).
В заключение можно сделать вывод о пер-
спективности использования предложенного
метода при создании устройств текущего кон-
троля функции углового распределения во-
локон в любых, как светопропускающих, так
и непрозрачных плоских ВСМ, независимо от
природы и оптических свойств содержащихся
в них волокон.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Севастьянов А.Г. Методы и средства исследования механико-технологических процессов текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1980. 392 с.
2. Протасова В.А. Определение распрямленности волокон методом радиографии // Изв. вузов. ТТП. 1960. № 4. С. 29–32.
3. Стрельцов Б.Н., Цыбранкова Т.Н. Новый способ определения распрямленности волокон // Текст. промышленность.1987. № 9. С. 57–59.
4. Ашнин Н.М., Штут И.И., Челышев А.М., Ангаров А.А., Самойлова Е.Г. Метод и прибор КСЛ для комплексной оценки структуры ленты по показателю работы разрыва / Реф. сб. ЦНИИлегпрома. 1978. № 11. С. 9–12.
5. Яковлев В.В. Исследование оптического метода определения степени параллелизации волокон // Изв. вузов. ТТП. 1967. № 1. С. 56–64.
58 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
6. Корнюхина Т.А., Борзунов И.Г. Определение ориентации и распрямленности волокон методом рассеяния излучения // Изв. вузов. ТТП. 1976. № 1. С. 25–28; № 3. С. 19–22.
7. Шляхтенко П.Г., Труевцев Н.Н., Ветрова Ю.Н. Оптический метод измерения коэффициента распрямленности волокон в волокнистых лентах // Изв. вузов. ТТП. 1987. № 4. С. 9–10.
8. Шляхтенко П.Г., Суриков О.М., Ветрова Ю.Н., Горбунов Л.С., Лиске Т.Н. Оптический способ контроля прочности листовых волокнистых светопропускающих материалов в процессе их производства // А. с. № 1383168. Бюл. изобр. 1988. № 11.
9. Шляхтенко П.Г. Неразрушающие методы оптического контроля структурных параметров волокносодержащих материалов. СПб.: СПГУТД, 2010. 258 с.
10. Шляхтенко П.Г., Садовский В.В., Виноградов Б.А., Сергеев А.В. Оптический способ контроля волокносодержащих материалов // Текст. промышленность. 1994. № 1. С. 31–32.
11. Челышев А.М., Шляхтенко П.Г., Ветрова Ю.Н., Струева Л.В. Оптический способ контроля крутки нитей // Патент России № 2047169. 1995.
12. Шляхтенко П.Г., Суриков О.М., Калличаран С.К.Способ контроля оптической анизотропии светорассеяния плоских волокнистых материалов и устройство для его осуществления // Патент России № 1723503. 1992.
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
59