冷端应力、厚度在线测量系统

续芯如 陈兆民 冯建业 陈福

（1.秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001；2.河北省玻璃节能减排技术创新中心 秦皇岛 066001；3.河北省企业技术中心 秦皇岛 066001）

0 引言

平板玻璃的生产需要对原料的熔化、澄清、冷却、成形、退火、裁切等的全过程进行生产控制。为保证成品玻璃的质量，实时获取从退火窑拉引出来的玻璃的厚度和应力数值，并快速反馈至生产控制系统使其能针对性地调整玻璃成形工艺，生产线冷端玻璃应力和厚度的在线检测非常必要。

为了保证玻璃使用时的安全，其残余内应力和厚度偏差要控制在合理范围内。基于此，设计开发了玻璃生产线冷端玻璃应力与厚度在线检测系统及检测方法。

1 冷端应力与厚度在线测量系统组成及功能分析

玻璃生产线冷端应力与厚度在线测量系统设计了一种连续自动测量玻璃厚度、应力及其分布的方法，该测量系统是一种无损检测系统。系统由应力监测单元，厚度检测单元，传动单元，控制单元组成。

利用Senarmont法测量应力，数据反馈给退火窑，便于快速调整参数，减少玻璃炸裂带来的成品率下降。厚度测量数据反馈给锡槽成形控制单元，能够快速调整成形参数，以减少不符合厚度要求产品，提升成品率，提高生产效率。智能综合处理系统将各类数据信号传输到综合处理系统，通过数据计算验证、对比，并将数据传输反馈给成形、退火工段，实现快速调整，同时将稳定生产的厚度、应力、板宽、速度、温度等信号通过数据传输调整单元传输到中央控制室，并在中控室进行显示，以调整生产工艺参数，满足其整体性参数控制要求。其网络架构如图1所示。

图1 应力、厚度在线测量系统网络架构

测量装备距离退火窑出口0.5～2 m，既能尽快反应厚度数据，又能使装置附近的温度不至于过高，影响测量装置的精度，同时测量支架还需要有一定的强度和小的弯曲度，保证应力和厚度测量装置的水平，使测量装置和玻璃带处于平行状态，减少装置对测量的影响。

2 工作原理

2.1 在线应力测量原理

玻璃板在退火时由于温度差异会存在应力，设置与检测光源一致的参考光源，通过测定透射一定厚度玻璃带的单色光束偏振面的旋转角来实现玻璃应力的测量。将测量信号和基准信号处理后，获得测量信号与基准信号之间的相位差，将相位差转化为电压值，经高精度A/D转换，所采集的值由显示器和数字表显示，且数据存储于工业控制计算机中，这就是所要测量玻璃的综合应力。在冷却区板宽方向上存在着温度差，这一温差使玻璃产生暂时应力。使用高分辨率快速反应的红外测温仪连续测出板宽方向上的温度变化，根据热弹性原理即可计算出玻璃的暂时热应力。将测得的数据反馈给退火窑，调整参数，减少玻璃炸裂。应力值显示可分为数字表数字显示和计算机屏幕曲线显示。应力测量原理见图2。

图2 应力测量原理

2.2 厚度测量原理

彩色共焦位移传感器发射一束白光，经过光笔上的棱镜，生成沿着Z轴连续的不同颜色的单色光，其中一个特定波长的单色光聚焦在物体表面，这束单色光通过针孔滤波光谱仪反射回传感器，分析这束光的波长，从而计算目标所在的位置，如图3所示。

图3 厚度测量原理

彩色共焦成像基于两个原则：共焦成像，光轴的色差编码。

（1）共焦装置是光学系统在物体表面生成点源S的像S'的一种光学装置。背散射的光由相同的光学系统收集，将光斑成像在一个针孔S''上。针孔被放置在光电探测器的前面。它过滤能到达光电探测器的光线，因此也被称为“空间过滤器”。共焦装置的特点是具有特殊的信噪比。对于CCI，光学系统是彩色光笔，光电探测器是分光计。

（2）光轴的色差编码意味着光学系统具有轴向色差：每个波长沿着该轴聚焦在不同的点上。假设一个样品存在于色差编码范围内，使得波长l0聚焦在它的表面上。当反射（或背散射）光束到达针孔平面时，波长上的光线聚焦在针孔上，穿过针孔到达分光计的敏感区。其他波长被成像为大斑点，因此被针孔阻挡。光谱仪通过识别波长l0来“解码”样品位置。

该系统跟随传动系统在运动的平板玻璃上方做定时往复运动。厚度测量数据反馈给锡槽成形，快速调整成形参数，减少不符合厚度要求产品，提升成品率，提高生产效率。玻璃厚度及参数可在计算机屏幕曲线显示。

3 冷端应力与厚度测量对玻璃质量的影响

3.1 应力对玻璃质量的影响

玻璃的强度受到玻璃应力的直接影响，如：以热钢化或化学钢化增加玻璃的表面压应力，从而使玻璃的强度增加。但热应力过大引起玻璃的热炸裂；玻璃受到机械冲击力或撞击力而产生的机械应力过大使玻璃受击破裂；玻璃内部应力过大导致玻璃自爆。玻璃的应力与强度有着密不可分的关系。

①平面应力：由退火窑横向温度不均引起，各种在线应力仪均可测出。其大小与玻璃带降温速度（退火窑长度）无关，仅取决于玻璃板横向温度分布。平面应力对玻璃带掰断、掰边影响很大。掰断去边之后，平面应力大部分消失，对玻璃进一步加工影响很小。相对于厚玻璃而言，由平面应力引起的主要问题是多缺角以及劈边、白渣等。

②厚度应力：即端面应力，由玻璃表面与板芯在冷却时产生的温度差引起。其大小由退火窑长度决定，在退火窑长度一定时，各区的进出口温度即冷却速度直接决定了应力的大小。厚度应力不但对玻璃一次生产有影响，而且对后续深加工也有很大影响，是玻璃产品出厂质量的一项重要指标。厚度应力对厚玻璃生产的影响主要是糖状物；对深加工的影响主要有不易切割、钢化炸炉等。

3.2 厚度测量对玻璃质量的影响

传统应力与厚度测量是采用人工测量的方式，该方法会由于人为因素造成测量偏差，无法固化控制制度，不仅费用高，而且费时费力。现有技术中应力常用的补偿法需要测量偏振旋转角度或补偿器移动距离，可靠性差、测量精度低。厚度采用玻璃彻底冷却后再检测的方法，导致玻璃厚度测量反馈信号滞后玻璃厚度控制系统至少40 min甚至更长时间，造成生产损失。

3.3 冷端应力与厚度测量系统应用前后数据对比

应力测量范围：±90°应力角，玻璃带最大板速1000 m/h，测量其原板宽3850 mm，玻璃厚度：1.0 mm，玻璃表面温度90 ℃左右，玻璃综合应力范围为±4 MPa，产品应力指标符合平板玻璃标准要求。

厚度测量范围：0.2～19 mm，测量精度：±0.03 mm，玻璃原板宽度范围：1000～5200 mm，某电子玻璃生产线实际测量厚度1.1 mm，测量精度±0.015 mm，满足平板玻璃检测要求。不同厚度应用情况见表1。

表1 应用前后应力厚度测量数据对比

4 结语

冷端应力与厚度测量系统的应用更好地为玻璃生产企业的节能减排工作提供新的技术支撑，减少了生产损失，提升了玻璃成品率。实现生产和调整的智能化，为企业节约生产成本，对企业的自动化和精细化管理能力均有提升，技术指标满足生产要求，设备运行安全可靠。对优化平板玻璃产业结构，推动浮法玻璃、太阳能光伏玻璃、硼硅玻璃行业技术进步具有重要意义。