包亦望 周華斌 邱 巖 劉小根 萬(wàn)德田 王秀芳

（1.中國(guó)建筑材料檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司，北京100024； 2.上海理工大學(xué)，上海 200093；）

1 引言

我國(guó)是平板玻璃制造大國(guó)，平板玻璃年產(chǎn)量超過(guò)上千萬(wàn)噸，占世界總產(chǎn)量的30%以上，并且浮法玻璃又被深加工成各種各樣的建筑中空、真空、夾層和鋼化玻璃，各種玻璃作為建筑中的各種圍護(hù)和采光材料，玻璃幕墻、玻璃天棚、玻璃地板、玻璃樓梯甚至全玻璃建筑都已廣泛出現(xiàn)。但是浮法玻璃在生產(chǎn)過(guò)程中，由于工藝及其他原因會(huì)產(chǎn)生諸如氣泡、劃痕、結(jié)石、光學(xué)畸變、錫滴等雜質(zhì)或缺陷，不僅影響了玻璃的美觀，同時(shí)嚴(yán)重影響到玻璃的質(zhì)量，而且被加工成鋼化玻璃以后，玻璃內(nèi)部的結(jié)石或雜質(zhì)會(huì)使玻璃在使用和安裝過(guò)程由于應(yīng)力集中和不均勻而發(fā)生自爆，帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，危及人的生命安全造成財(cái)產(chǎn)損失[1]。因此玻璃質(zhì)量檢測(cè)起到了非常重要的作用[2]。傳統(tǒng)的玻璃檢測(cè)的方式是直接通過(guò)CCD攝像機(jī)獲取圖像，然后通過(guò)對(duì)圖像的分析處理達(dá)到檢測(cè)的目的；另一種是通過(guò)激光檢測(cè)來(lái)獲取玻璃表面與玻璃透射的激光信號(hào)與原信號(hào)的關(guān)系來(lái)檢測(cè)玻璃缺陷[3]。雖然直接用CCD相機(jī)檢測(cè)的可視效果不錯(cuò)，但精度有限，激光檢測(cè)設(shè)備在安裝上要求比較嚴(yán)格。因此，本文提出了一種基于光彈法的玻璃缺陷檢測(cè)的方法，該方法不僅可以排除玻璃表面的灰塵等錯(cuò)誤信號(hào)，還可以對(duì)玻璃內(nèi)部的雜質(zhì)和缺陷進(jìn)行分類，而且對(duì)于缺陷附近的應(yīng)力大小可以直觀定量地觀察到[4]。

2 檢測(cè)原理及實(shí)驗(yàn)裝置

光彈法是實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的一種基本方法，是基于平面應(yīng)力-光性定律提出來(lái)的。已被廣泛用于測(cè)試汽車玻璃的邊緣應(yīng)力[5],鋼化玻璃的殘余應(yīng)力[6]等，光彈性原理如圖1所示。光源發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)光鏡變?yōu)槠叫泄?。通過(guò)起偏振鏡后，變成只在一個(gè)平面內(nèi)振動(dòng)的平面偏振光，此時(shí)平面偏振光通過(guò)模型會(huì)按照兩個(gè)主應(yīng)力方向進(jìn)行分解，通過(guò)受力模型后出來(lái)的偏振光有了光程差然后又一起通過(guò)第二個(gè)偏振片，也就是檢偏鏡，最后在屏幕上成像。通常起偏振鏡的偏振軸P與檢偏振鏡的偏振軸A是正交的（如圖1所示），這樣組成的在屏幕上光場(chǎng)背景是暗的，稱為暗場(chǎng)，若兩偏振鏡的偏振軸相平行，此時(shí)背景是亮的，稱為明場(chǎng)。各項(xiàng)同性透明的非晶體材料，例如聚碳酸酯、環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃、透明塑料等材料，在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下沒(méi)有雙折射性質(zhì)。當(dāng)這種材料產(chǎn)生應(yīng)力后，它們的性質(zhì)如同各向異性晶體一樣，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力解除后，這種雙折射效應(yīng)會(huì)消失，這就是暫時(shí)雙折射現(xiàn)象。當(dāng)此種受力模型置于偏振光場(chǎng)中，就會(huì)觀察到由這種暫時(shí)雙折射而引起的干涉條紋[7]。原因是，在通過(guò)受力模型后，這兩支平面偏振光波使產(chǎn)生了光程差δ。平面應(yīng)力光定律指出，此光程差δ由下式表示：

式中：c－材料的應(yīng)力光學(xué)系數(shù)，與模型材料及光波波長(zhǎng)有關(guān)。

t－模型厚度。

σ1?σ2－該點(diǎn)的主應(yīng)力差。

通過(guò)檢偏振鏡后，模型上任一點(diǎn)的光強(qiáng)由下式示：

式中：I0是起偏鏡后光的強(qiáng)度，λ是所用光源的波長(zhǎng)（單色光）θ為模型上任一點(diǎn)的主應(yīng)力σ1與檢偏振鏡偏振軸之間的夾角。將（1）代入（2）式可得：

受力模型上任一點(diǎn)的應(yīng)力差σ1?σ2和θ均不相同，因此在屏幕上各點(diǎn)的亮度不一樣，即在屏幕上形成明暗相間的條紋,通過(guò)對(duì)條紋值的讀取可以知道受力模型內(nèi)部的應(yīng)力大小。因?yàn)楸疚难芯康牟Ａ?nèi)部的缺陷和雜質(zhì)附近的應(yīng)力很小，讀不出明顯的條紋值，因此只做定性的判定，只需要檢測(cè)到缺陷或雜質(zhì)引起的應(yīng)力光斑現(xiàn)象即可，因此對(duì)于應(yīng)力值的讀取不做討論。

圖1 光彈性原理示意圖

根據(jù)光彈法的原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了該實(shí)驗(yàn)裝置（如圖2），因?yàn)樽匀还夤鈴?qiáng)比較弱，對(duì)于缺陷檢測(cè)的效果影響較大，因此實(shí)驗(yàn)采用白光作為光源。為了代替準(zhǔn)光鏡獲得平行光，采用一塊厚度為5mm的單面磨砂玻璃，這樣通過(guò)磨砂面后的光就是平行光，把起偏片貼在磨砂玻璃的光滑面。通過(guò)起偏振片后，平行光變成只在一個(gè)平面內(nèi)振動(dòng)的平面偏振光。平面偏振光通過(guò)帶有雜質(zhì)或缺陷的玻璃，然后通過(guò)檢偏片成像，圖2中的檢偏片安裝在CCD鏡頭前面（本實(shí)驗(yàn)采用日本KEYENCE產(chǎn)的VHX-600E數(shù)碼顯微鏡）。為了獲得暗場(chǎng)，起偏振鏡的偏振軸與檢偏振鏡的偏振軸必須正交。當(dāng)未有缺陷或雜質(zhì)的普通玻璃放置在暗場(chǎng)中時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)的玻璃屬于各向同性透明的，平面偏振光直接透射過(guò)玻璃，觀察不到雙折射現(xiàn)象。當(dāng)玻璃內(nèi)部存在缺陷或者雜質(zhì)時(shí)，因?yàn)槠涓浇鼤?huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此平面偏振光不能直接透射過(guò)，雜質(zhì)或缺陷周圍由于產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，在暗場(chǎng)中可以觀察到明顯的應(yīng)力光斑或者條紋。因此就可以通過(guò)這種方法來(lái)檢測(cè)出玻璃的雜質(zhì)或缺陷。

圖2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了更好的驗(yàn)證光彈法檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)越性，實(shí)驗(yàn)的時(shí)候我們用CCD相機(jī)4分別獲取了不同玻璃缺陷的圖片進(jìn)行研究（其中包含了直接通過(guò)CCD攝像機(jī)拍攝到的玻璃缺陷圖）。

(1)結(jié)瘤

結(jié)瘤是玻璃中存在的化學(xué)不均勻或熱學(xué)不均勻顯示出的特別明顯的光學(xué)畸變。是玻璃中的常見(jiàn)缺陷。玻璃中結(jié)瘤和氣泡都有一個(gè)共同點(diǎn)，顏色透明，不像其他夾雜物一樣可以在通過(guò)CCD相機(jī)下比較容易檢測(cè)到。如圖3中，a圖是直接用CCD相機(jī)拍攝到的，肉眼比較難分辨出來(lái)，可供進(jìn)一步圖像處理進(jìn)行判定缺陷類型的信息比較少；b圖是在光彈下拍攝到的，可以看出結(jié)瘤周圍存在的光斑，而結(jié)瘤中間和玻璃正常部分都是暗場(chǎng)。

圖3 結(jié)瘤

(2)錫滴

錫滴是指掉落到玻璃帶上表面含錫的固態(tài)或液態(tài)物，通常是SnS、SnO2或Sn，也稱為“掉錫點(diǎn)”。掉錫點(diǎn)一般很小，粒徑約為0.1～0.5mm，大部分在0.3mm左右，肉眼很難從運(yùn)行的玻璃帶上發(fā)現(xiàn)它。但能使直徑約5～10mm的周圍玻璃表面產(chǎn)生嚴(yán)重的光學(xué)扭曲，所以又稱“光畸變點(diǎn)”，使玻璃成品成為廢品。圖4中，c圖是CCD相機(jī)直接拍攝的，錫滴呈小黑點(diǎn)；d是光彈下拍攝的，可以看出錫滴因?yàn)樽柚沽似叫衅窆獾耐高^(guò)，整個(gè)錫滴都呈現(xiàn)暗場(chǎng)，因?yàn)殄a滴通常在玻璃表面，所以只在錫滴周圍有雜亂微小的光點(diǎn)。

圖4 錫滴

(3)結(jié)石

結(jié)石是玻璃制品中最危險(xiǎn)的缺陷,它不僅破壞了玻璃制品的外觀質(zhì)量和光學(xué)均勻性,而且降低了玻璃制品的使用價(jià)值,在玻璃生產(chǎn)中應(yīng)盡量減少結(jié)石的產(chǎn)生.結(jié)石可分為配合料結(jié)石、耐火材料結(jié)石、析晶結(jié)石、硫酸鹽夾雜物、黑色夾雜物與外來(lái)夾雜物.一般使用偏光顯微鏡巖相分析法均可做出鑒定,因?yàn)樗鼈冇兄^明顯的結(jié)晶形態(tài)和光學(xué)特性。結(jié)石是在進(jìn)行配料的時(shí)候，或者在玻璃出爐的時(shí)候，沒(méi)有與其他物質(zhì)完全反應(yīng)而保留下來(lái)的。結(jié)石的種類很多，但結(jié)石的圖案在光彈下拍攝的圖片都具有類似的花瓣?duì)罨蚝麪畹暮诎讞l紋圖案。如圖5和圖6，分別是斜鋯石和氧化鉻的圖像。e圖和g圖是CCD相機(jī)直接拍攝到的圖像；f圖和h圖是光彈下拍攝的圖像，可以看到很漂亮的花瓣?duì)罨蚝麪畹暮诎讞l紋圖案。

圖5 斜鋯石

圖6 氧化鉻

（4）真空玻璃支柱

真空玻璃兩層玻璃之間有0.02~0.03mm的真空間隙，這兩層玻璃之間有設(shè)置支柱，防止兩層玻璃因外部大氣壓作用而吸在一起。因此在支柱周圍由于受應(yīng)力集中，可以在光彈下看到明顯的光斑。當(dāng)支柱周圍出現(xiàn)裂紋或者真空玻璃漏氣導(dǎo)致真空度變化時(shí)會(huì)引起支柱周圍的光斑大小的變化。文獻(xiàn)[8]報(bào)道過(guò)利用光彈法測(cè)試真空玻璃真空度的可行性辦法。圖7中，i圖是CCD相機(jī)直接拍攝的支柱圖像，看不到支柱周圍的光斑；j圖是光彈下拍攝的圖片，可以看到很均勻?qū)ΨQ的梅花狀圖形，通過(guò)觀察同一批真空玻璃的光斑大小和玻璃內(nèi)部真空度的比例關(guān)系，可以定性或定量判斷出真空玻璃是否失效。

圖7 真空玻璃支柱

4 結(jié)論

本文基于光彈法的玻璃缺陷檢測(cè)技術(shù)做了一些實(shí)驗(yàn)上的研究，一般CCD攝像機(jī)檢測(cè)時(shí)只給出了由于氣泡、結(jié)石等缺陷引起的光強(qiáng)變化，但是任何玻璃上的污漬也會(huì)給出錯(cuò)誤的信號(hào)，使其不易與真正的缺陷區(qū)別開(kāi)來(lái)。通過(guò)光彈法可以觀察出不同的缺陷或雜質(zhì)引起的光斑，這是一般的攝像機(jī)看不到的，并且可以通過(guò)光彈下各種缺陷或雜質(zhì)引起的光斑圖像的不同對(duì)其進(jìn)行分類。正是由于這一點(diǎn)使得光彈法檢測(cè)具有更高的可靠性。同時(shí)光彈法還可以用于檢測(cè)真空玻璃支柱引起的光斑變化，判斷真空玻璃的失效問(wèn)題。因此光彈法檢測(cè)玻璃缺陷，可以在傳統(tǒng)的CCD相機(jī)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，配合光彈法可以檢測(cè)到應(yīng)力光斑這種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為玻璃檢測(cè)缺陷的新途徑。

[1]馬眷榮，羅憶，劉忠偉.建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]王麗萍等.玻璃缺陷在線自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備性能及實(shí)踐[J].玻璃，2003，5(170)：46-48.

[3]Bao Yiwang,Liu Lizhong,Han Song.A New Mechanism of Spontaneous Breakage of Tempered Glass—Monolithic[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2007,35（9）：1273-1277.

[4]K.E.DONNE et al.Photoelastic stress and thermographic measurements of automotive windscreen defects generated by projectile impact[J]. Quality and Reliability Engineering International Qual,2008,24：897~902.

[5] ASTM C1279,“Standard Test Method for Non-Destructive Photoelastic Measurement of Edge and Surface Stresses in Annealed, Heat-Strengthened and Fully Tempered Flat Glass,”ASTM, Conshohocken, PA, 2000.

[6]喻賓揚(yáng),王召巴,金永. 玻璃缺陷檢測(cè)新方法的研究.傳感器與微系統(tǒng)[J].2008,27（8）：60~62.

[7]佟景偉，李鴻琦.光力學(xué)原理及測(cè)試技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[8]劉小根，包亦望，宋一樂(lè)，邱巖.真空玻璃真空度在線檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（1）：101~105.