續(xù)芯如 陳兆民 馮建業(yè) 陳福

（1.秦皇島玻璃工業(yè)研究設計院有限公司 秦皇島 066001；2.河北省玻璃節(jié)能減排技術創(chuàng)新中心 秦皇島 066001；3.河北省企業(yè)技術中心 秦皇島 066001）

0 引言

平板玻璃的生產(chǎn)需要對原料的熔化、澄清、冷卻、成形、退火、裁切等的全過程進行生產(chǎn)控制。為保證成品玻璃的質(zhì)量，實時獲取從退火窯拉引出來的玻璃的厚度和應力數(shù)值，并快速反饋至生產(chǎn)控制系統(tǒng)使其能針對性地調(diào)整玻璃成形工藝，生產(chǎn)線冷端玻璃應力和厚度的在線檢測非常必要。

為了保證玻璃使用時的安全，其殘余內(nèi)應力和厚度偏差要控制在合理范圍內(nèi)。基于此，設計開發(fā)了玻璃生產(chǎn)線冷端玻璃應力與厚度在線檢測系統(tǒng)及檢測方法。

1 冷端應力與厚度在線測量系統(tǒng)組成及功能分析

玻璃生產(chǎn)線冷端應力與厚度在線測量系統(tǒng)設計了一種連續(xù)自動測量玻璃厚度、應力及其分布的方法，該測量系統(tǒng)是一種無損檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)由應力監(jiān)測單元，厚度檢測單元，傳動單元，控制單元組成。

利用Senarmont法測量應力，數(shù)據(jù)反饋給退火窯，便于快速調(diào)整參數(shù)，減少玻璃炸裂帶來的成品率下降。厚度測量數(shù)據(jù)反饋給錫槽成形控制單元，能夠快速調(diào)整成形參數(shù)，以減少不符合厚度要求產(chǎn)品，提升成品率，提高生產(chǎn)效率。智能綜合處理系統(tǒng)將各類數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)骄C合處理系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)計算驗證、對比，并將數(shù)據(jù)傳輸反饋給成形、退火工段，實現(xiàn)快速調(diào)整，同時將穩(wěn)定生產(chǎn)的厚度、應力、板寬、速度、溫度等信號通過數(shù)據(jù)傳輸調(diào)整單元傳輸?shù)街醒肟刂剖遥⒃谥锌厥疫M行顯示，以調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，滿足其整體性參數(shù)控制要求。其網(wǎng)絡架構如圖1所示。

圖1 應力、厚度在線測量系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

測量裝備距離退火窯出口0.5～2 m，既能盡快反應厚度數(shù)據(jù)，又能使裝置附近的溫度不至于過高，影響測量裝置的精度，同時測量支架還需要有一定的強度和小的彎曲度，保證應力和厚度測量裝置的水平，使測量裝置和玻璃帶處于平行狀態(tài)，減少裝置對測量的影響。

2 工作原理

2.1 在線應力測量原理

玻璃板在退火時由于溫度差異會存在應力，設置與檢測光源一致的參考光源，通過測定透射一定厚度玻璃帶的單色光束偏振面的旋轉(zhuǎn)角來實現(xiàn)玻璃應力的測量。將測量信號和基準信號處理后，獲得測量信號與基準信號之間的相位差，將相位差轉(zhuǎn)化為電壓值，經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換，所采集的值由顯示器和數(shù)字表顯示，且數(shù)據(jù)存儲于工業(yè)控制計算機中，這就是所要測量玻璃的綜合應力。在冷卻區(qū)板寬方向上存在著溫度差，這一溫差使玻璃產(chǎn)生暫時應力。使用高分辨率快速反應的紅外測溫儀連續(xù)測出板寬方向上的溫度變化，根據(jù)熱彈性原理即可計算出玻璃的暫時熱應力。將測得的數(shù)據(jù)反饋給退火窯，調(diào)整參數(shù)，減少玻璃炸裂。應力值顯示可分為數(shù)字表數(shù)字顯示和計算機屏幕曲線顯示。應力測量原理見圖2。

圖2 應力測量原理

2.2 厚度測量原理

彩色共焦位移傳感器發(fā)射一束白光，經(jīng)過光筆上的棱鏡，生成沿著Z軸連續(xù)的不同顏色的單色光，其中一個特定波長的單色光聚焦在物體表面，這束單色光通過針孔濾波光譜儀反射回傳感器，分析這束光的波長，從而計算目標所在的位置，如圖3所示。

圖3 厚度測量原理

彩色共焦成像基于兩個原則：共焦成像，光軸的色差編碼。

（1）共焦裝置是光學系統(tǒng)在物體表面生成點源S的像S'的一種光學裝置。背散射的光由相同的光學系統(tǒng)收集，將光斑成像在一個針孔S''上。針孔被放置在光電探測器的前面。它過濾能到達光電探測器的光線，因此也被稱為“空間過濾器”。共焦裝置的特點是具有特殊的信噪比。對于CCI，光學系統(tǒng)是彩色光筆，光電探測器是分光計。

（2）光軸的色差編碼意味著光學系統(tǒng)具有軸向色差：每個波長沿著該軸聚焦在不同的點上。假設一個樣品存在于色差編碼范圍內(nèi)，使得波長l0聚焦在它的表面上。當反射（或背散射）光束到達針孔平面時，波長上的光線聚焦在針孔上，穿過針孔到達分光計的敏感區(qū)。其他波長被成像為大斑點，因此被針孔阻擋。光譜儀通過識別波長l0來“解碼”樣品位置。

該系統(tǒng)跟隨傳動系統(tǒng)在運動的平板玻璃上方做定時往復運動。厚度測量數(shù)據(jù)反饋給錫槽成形，快速調(diào)整成形參數(shù)，減少不符合厚度要求產(chǎn)品，提升成品率，提高生產(chǎn)效率。玻璃厚度及參數(shù)可在計算機屏幕曲線顯示。

3 冷端應力與厚度測量對玻璃質(zhì)量的影響

3.1 應力對玻璃質(zhì)量的影響

玻璃的強度受到玻璃應力的直接影響，如：以熱鋼化或化學鋼化增加玻璃的表面壓應力，從而使玻璃的強度增加。但熱應力過大引起玻璃的熱炸裂；玻璃受到機械沖擊力或撞擊力而產(chǎn)生的機械應力過大使玻璃受擊破裂；玻璃內(nèi)部應力過大導致玻璃自爆。玻璃的應力與強度有著密不可分的關系。

①平面應力：由退火窯橫向溫度不均引起，各種在線應力儀均可測出。其大小與玻璃帶降溫速度（退火窯長度）無關，僅取決于玻璃板橫向溫度分布。平面應力對玻璃帶掰斷、掰邊影響很大。掰斷去邊之后，平面應力大部分消失，對玻璃進一步加工影響很小。相對于厚玻璃而言，由平面應力引起的主要問題是多缺角以及劈邊、白渣等。

②厚度應力：即端面應力，由玻璃表面與板芯在冷卻時產(chǎn)生的溫度差引起。其大小由退火窯長度決定，在退火窯長度一定時，各區(qū)的進出口溫度即冷卻速度直接決定了應力的大小。厚度應力不但對玻璃一次生產(chǎn)有影響，而且對后續(xù)深加工也有很大影響，是玻璃產(chǎn)品出廠質(zhì)量的一項重要指標。厚度應力對厚玻璃生產(chǎn)的影響主要是糖狀物；對深加工的影響主要有不易切割、鋼化炸爐等。

3.2 厚度測量對玻璃質(zhì)量的影響

傳統(tǒng)應力與厚度測量是采用人工測量的方式，該方法會由于人為因素造成測量偏差，無法固化控制制度，不僅費用高，而且費時費力?，F(xiàn)有技術中應力常用的補償法需要測量偏振旋轉(zhuǎn)角度或補償器移動距離，可靠性差、測量精度低。厚度采用玻璃徹底冷卻后再檢測的方法，導致玻璃厚度測量反饋信號滯后玻璃厚度控制系統(tǒng)至少40 min甚至更長時間，造成生產(chǎn)損失。

3.3 冷端應力與厚度測量系統(tǒng)應用前后數(shù)據(jù)對比

應力測量范圍：±90°應力角，玻璃帶最大板速1000 m/h，測量其原板寬3850 mm，玻璃厚度：1.0 mm，玻璃表面溫度90 ℃左右，玻璃綜合應力范圍為±4 MPa，產(chǎn)品應力指標符合平板玻璃標準要求。

厚度測量范圍：0.2～19 mm，測量精度：±0.03 mm，玻璃原板寬度范圍：1000～5200 mm，某電子玻璃生產(chǎn)線實際測量厚度1.1 mm，測量精度±0.015 mm，滿足平板玻璃檢測要求。不同厚度應用情況見表1。

表1 應用前后應力厚度測量數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)語

冷端應力與厚度測量系統(tǒng)的應用更好地為玻璃生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能減排工作提供新的技術支撐，減少了生產(chǎn)損失，提升了玻璃成品率。實現(xiàn)生產(chǎn)和調(diào)整的智能化，為企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本，對企業(yè)的自動化和精細化管理能力均有提升，技術指標滿足生產(chǎn)要求，設備運行安全可靠。對優(yōu)化平板玻璃產(chǎn)業(yè)結(jié)構，推動浮法玻璃、太陽能光伏玻璃、硼硅玻璃行業(yè)技術進步具有重要意義。