Messung von Spannungen in Glas – Theorie und Praxis
5. Wertheimer Glastage 24./25.09.2013 Henning Katte, ilis gmbh
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ilis gmbh Produkte und Dienstleistungen für die Glas- und Optikindustrie Gegründet 1998 in Clausthal-Zellerfeld, seit April 2001 mit Sitz in Erlangen Schwerpunkte und Produkte: Messung der Glasfarbe: Chroma™ Softwarepaket Gemengeberechnung/Glaseigenschaftsvorhersage: BatchMaker® Softwarepaket Bildgebende Messung der Spannungsdoppelbrechung: StrainMatic® Bildgebende Polarimetersysteme StrainScope® Echtzeit-Polarimetersysteme
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Vortragsgliederung Grundlagen der Spannungsoptik Manuelle/visuelle Messung Automatisierte Messung Messung in Echtzeit Anwendungsbeispiele
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Motivation und Überblick Die Festigkeit und Verarbeitbarkeit von Glaserzeugnissen wird stark von Eigenspannungen beeinflusst. Bereits geringe Eigenspannungen können die Funktion von optischen Komponenten negativ beeinträchtigen Restspannungen werden oft noch mit einfachen, manuell bedienten Polariskopen und Polarimetern bestimmt. Ungenaue, subjektive Ergebnisse, keine Dokumentation Moderne bildgebende Verfahren ermöglichen dagegen eine automatische und schnelle Messung mit hoher Auflösung. Die Messung in Echtzeit ermöglicht die Beobachtung und Steuerung von Produktionsprozessen sowie eine 100%-Kontrolle der Produktion (auch an bewegten Objekten).
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Grundlagen der Spannungsoptik Lichtwelle? Lichtbrechung?
optisch isotrop?
optischer Gangunterschied?
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Spannungsdoppelbrechung? Tempernummer?
Polarisiertes Licht?
Polarimeter? Polariskop? Viertelwellenplatte?
Polarisationswinkel
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Licht und Brechzahl Licht ist eine elektromagnetische Welle, die Atomhüllen zum Schwingen anregt, was wiederum Licht erzeugt. Die Lichtgeschwindigkeit im Material ist abhängig von der Teilchendichte. Die Brechzahl n ist definiert als das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten im Vakuum c und im Material v:
n = c/v Standardglas: n ~ 1,5
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Spannungsdoppelbrechung Mechanische Spannungen führen zur Verformung der Materialstruktur, verändern also den Teilchenabstand. Wenn sich die Lichtgeschwindigkeit in den Raumrichtungen unterscheidet, ist ein Material doppelbrechend. Glas ist normalerweise optisch isotrop, wird unter Spannung aber doppelbrechend. Spannungsdoppelbrechung (Abk.: SDB)
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Veranschaulichung
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Lineare Polarisation Schwingt das elektrische Feld des Lichts nur in einer Ebene, spricht man von linear polarisiertem Licht. Ein (Linear-)Polarisator lässt nur solche Lichtwellen passieren, die parallel zu seiner optischen Achse orientiert sind, erzeugt also linear polarisiertes Licht.
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Zirkulare und elliptische Polarisation In einem doppelbrechenden Material breiten sich die Lichtwellen in horizontaler und vertikaler Richtung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus, es kommt zu einem optischen Gangunterschied. Linear polarisiertes Licht verlässt ein doppelbrechendes Material als Überlagerung von zwei aufeinander senkrecht stehenden Lichtwellen unterschiedlicher Phasenlage. Wenn der Gangunterschied genau ein Viertel der Wellenlänge beträgt, ist das Licht zirkular polarisiert. Im allgemeinen Fall ist das austretende Licht elliptisch polarisiert. Die Elliptizität ist ein Maß für die Spannungsdoppelbrechung. © ilis gmbh, alle Rechte vorbehalten
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Veranschaulichung
Zusammenhang zwischen Elliptizität und optischem Gangunterschied
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Herkömmliche Messtechnik Meist werden Restspannungen mit manuell bedienten Polariskopen kontrolliert, die Spannungszustände durch Interferenzfarben sichtbar machen. Polarimeter erlauben die Spannungsmessung an einem bestimmten Messpunkt. Einige Hersteller kombinieren beides in einem Gerät.
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Funktionsprinzip Polariskop (Linear-)Polariskope mit zwei gekreuzten Polarisatoren zeigen bei doppelbrechenden Materialien und weißer Lichtquelle farbige Bilder. Spannungsdoppelbrechung erzeugt elliptisch polarisiertes Licht, welches den zweiten Polarisator zum Teil passiert. Der Grad der Elliptizität ist sowohl von der Doppelbrechung als auch von der Wellenlänge abhängig. Wird aus dem Spektrum eine Farbe herausgefiltert, nimmt das Restlicht die Komplementärfarbe an. Diese Interferenzfarbe kann mit Hilfe von Farbtabellen in Verzögerungen übersetzt werden. 0 nm
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1800 nm
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Vollwellenplatte (Rot 1. Ordnung) Bei geringen Verzögerungen ist das Bild nicht farbig; verschiedene Verzögerungen spiegeln sich in unterschiedlicher Helligkeit wieder. Durch Hinzufügen einer Vollwellenplatte kann die Verzögerung in einen Bereich verschoben werden, der besser auswertbar ist, in der Regel um 550 nm. 0
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-400
400
-200
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0
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+200 +400
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+800 +1000 +1200 nm
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Funktionsprinzip Polarimeter Bei Betrachtung durch zwei gekreuzte Polarisatoren erscheinen verspannte Bereiche als aufgehellte Stellen im ansonsten schwarzen Sichtfeld. Durch eine sog. Viertelwellenplatte wird das elliptisch polarisierte Licht wieder in linear polarisiertes Licht verwandelt, das allerdings unter einem anderen Winkel schwingt. Dieser Polarisationswinkel ist proportional zur Doppelbrechung und damit ein Maß für die Spannung im Material. Der Polarisationswinkel wird gemessen, indem man den zweiten Polarisator (Analysator) solange dreht, bis der aufgehellte Bereich maximal dunkel ist. © ilis gmbh, alle Rechte vorbehalten
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Veranschaulichung
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Verwendete Messeinheiten Aus dem Polarisationswinkel α lässt sich der optische Gangunterschied R in nm nach folgender Formel berechnen:
R = α · λ / 180° Wenn die Doppelbrechung entlang des Messstrahls homogen ist, kann der auf 1 cm Schichtstärke normierte Gangunterschied berechnet werden (für eine Probendicke d in mm):
N = R · (10 / d) Im Fall von Membranspannungen (und nur dann), kann der optische Gangunterschied in Spannung in MPa umgerechnet werden, sofern der fotoelastische Koeffizient C bekannt ist: S = R / (d · C) © ilis gmbh, alle Rechte vorbehalten
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Automatische Messung Vollautomatische Messung analog zum Polarimeter Betrachtung des gesamten Messbereichs statt nur einzelner Messpunkte Integrierter PC zur automatischen Auswertung und Dokumentation der Messergebnisse
StrainMatic® M4/100 Polarimetersystem
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Messprinzip Bestimmung des Polarisationswinkels für jeden Bildpunkt Umrechnung in optischen Gangunterschied (nm), normierten Gangunterschied (nm/cm) und Spannung (MPa) Farbkodierte Darstellung der Messwerte (z.B. blau bis rot) 10° (32 nm)
5° (16 nm)
0° (0 nm)
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Messprinzip (Forts.) Prinzipbedingt sind nur Spannungen sichtbar, die in einem Winkel von 45° zur Polarisatorachse orientiert sind, alle anderen Orientierungen sind abgeschwächt. Daher werden mehrere Messungen unter verschiedenen Polarisationen durchgeführt und die Ergebnisse kombiniert. 0° 30° 60°
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Anwendungsbeispiele
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Messung von Restspannungen in Hohlglas
StrainMatic® M2 © ilis gmbh, alle Rechte vorbehalten
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Messung von Restspannungen in Glasspritzen
Einzelmessungen (zufällige radiale Orientierung) © ilis gmbh, alle Rechte vorbehalten
Kombinierte Messung (definiertes Abrollen des Umfangs) www.ilis.de
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Messung in Immersionslösung
nicht entspannte Spritze © ilis gmbh, alle Rechte vorbehalten
entspannte Spritze www.ilis.de
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Tomografische Messung der Spannungsverteilung in Rohrenden
StrainMatic® M4/60 Tube Tester © ilis gmbh, alle Rechte vorbehalten
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Tomografische Messung der Spannungsverteilung in Spritzen
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Messung von optischen Gläsern
StrainMatic® M4/300 © ilis gmbh, alle Rechte vorbehalten
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Messung von CaF2-Kristallen
StrainMatic® M4/160 Stepper
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Spannungsmessung in Echtzeit Messung und Darstellung der Spannungsverteilung in Echtzeit (bis zu 20 Hz) Schnelle Erfassung von bewegten Objekten möglich Anwendungen: Digitales Polariskop 100%-Prüfung im Prozess
StrainScope® S3/180 EchtzeitPolarimetersystem © ilis gmbh, alle Rechte vorbehalten
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Messung mit zirkular polarisiertem Licht Messung von Spannungen unabhängig von der Orientierung und Position der Probe im Messfeld durch Verwendung von zirkular polarisiertem Licht und telezentrischer Optik Gleichzeitige Messung von Betrag und Richtung der Spannungen pro Pixel StrainScope® S4/100C Echtzeit-Polarimetersystem © ilis gmbh, alle Rechte vorbehalten
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Lineare vs. zirkulare Polarisation Messergebnisse an einer sogenannten Strain Disk mit rotationssymmetrisch verteilten Randspannungen
Grauwertbild
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Messergebnis mit linear polarisiertem Licht; nur Spannungen in 45 Grad zum Polarisator sichtbar
Messergebnis mit zirkular polarisiertem Licht; alle Spannungen sind sichtbar
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Beispiel: Verzögerungsskala
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Beispiel: Pharma-Verpackungsglas
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Beispiel: 100%-Inline-Prüfung
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Noch Fragen?
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