Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования. Диаметр нити
Волокна, нити и ткани. метрология волокнистых материалов.
Волокна, нити и ткани. метрология волокнистых материалов.
Как правило, текстильная броня состоит из большого количества слоев ткани, которая изготовляется на ткацких станках из нитей. Нити (комплексные нити) состоят из отдельных волокон, соединенных между собой химически - склеиванием или механически - скручиванием. Фиксация волокон относительно друг друга при скрутке происходит за счет сил трения между волокнами. Прочность механического соединения волокон в нить определяется круткой - числом кручений на единицу длины или углом кручения, измеряемым между волокном и осью нити. При увеличении крутки возрастает поверхность контакта между отдельными волокнами и, следовательно, возрастает прочность нити. Однако эта тенденция сохраняется лишь до определенного предела.
Волокна и нити относят к одномерным материалам, поскольку один из их размеров много больше двух других. Исходя из специфической геометрии волокон и нитей, текстильная промышленность создала и своеобразную систему мер, относящуюся к толщине волокон и нитей. Везде ниже, говоря о нитях или волокнах, будем употреблять термин нить, если это не искажает смысл сказанного.
Метрический номер волокна или нити NM измеряется числом метров, заключающихся в одном грамме нити. Более совершенная мера - толщина нити, принятая в большинстве стран, это «текс», соответствующий массе в граммах 1000 м нити (1 текс = 1 г/км = 1 мг/м). В зарубежной литературе находит употребление единица меры толщины нитей «денье» - масса в граммах 9000 м нити. Перевод из одной меры толщины (или как принято в текстильной промышленности «линейной плотности») в другую производится следующим образом: 1 текс = 9 денье, 1 денье = 1,11 децитекс (дтекс), метрический номер NM = 1000/текс.
Чтобы определить условный диаметр нити dycn (условный, поскольку поперечное сечение нити редко бывает круглым), необходимо знать плотность полимера рм, из которого состоит нить. Формула для пересчета толщины в тексах в условный диаметр в миллиметрах имеет вид [2.2].
Прочность волокон и нитеи обычно определяется в смешанной системе единиц - в сантиньютонах на текс (сН/текс) или в граммсилах на текс (гс/текс). Формулы для перевода размерностей прочностных характеристик из смешанной системы единиц в СИ имеют вид:
Важной особенностью волокон является их высокая устойчивость к изгибу, т.е. способность выдерживать без разрушения очень резкие перегибы. Это свойство основано на том, что благодаря малым поперечным сечениям волокон (10...50 мкм) напряжения, возникающие в периферийных областях волокна при изгибах, не достигают предельных значений, отвечающих прочностным показателям. Это отличает волокна от объемных полимерных материалов, имеющих большие поперечные размеры (> 1 мм).
Формулы для определения деформации и напряжения, возникающих в упругом волокне при изгибе, имеют вид
Оценим напряжения и деформации, возникающие в волокнах диаметром d = 0,03 мм и 1 мм при их изгибе с радиусом кривизны R = 5 мм. Полагая Е = 100 ГПа, получим: в тонком волокне e = 0.3%, δ = 0,3 ГПа; в толстом e = 10 %, δ = 10 ГПа. Сравнивая вычисленные значения деформаций и напряжений с предельными (табл. 2.1) видим, что при изгибе тонкого волокна предельные значения не достигнуты, а толстое волокно при тех же условиях нагружения будет разрушено.
По мере уменьшения радиуса изгиба напряжения резко возрастают, в результате чего волокна не выдерживают малых радиусов изгиба. Например, при затягивании узла волокна могут хрупко разрушаться. В связи с этим в практике физико-механических испытаний волокон для характеристики их устойчивости к изгибу определяют прочность на растяжение в узле или петле. Устойчивость к изгибу характеризуется при этом потерей прочности при растяжении по сравнению с испытанием без перегиба.
Высокая стойкость достаточно толстых комплексных нитей к изгибу обусловлена тем, что они состоят из большого количества (до 750... 1000) моноволокон (филаментов) малого диаметра. Характерные диаметры моноволокон баллистических тканей составляют: СВМ - 15 мкм; Русар - 10 мкм; Тварон-микрофиламент, Кевлар-микрофиламент- 9 мкм.
Нити поступают в ткацкое производство для переработки в ткани. Для производства тканей, применяемых в СИБ, используются нити с линейной плотностью 29,4; 58,8 и 100 текс. Ткань получается в результате переплетения двух систем нитей, расположенных относительно друг друга в двух взаимноперпендикулярных направлениях. Система нитей, идущая вдоль ткани, называется основой, система, перпендикулярная основе, называется утком. По типу переплетения нитей основы и утка ткани разделяются на ткани полотняного, саржевого и атласного (сатинового) переплетений.
Самый плотный тип переплетения - полотняный, в котором каждая нить основы и утка проходят поочередно сверху и снизу пересекающих нитей. Такие ткани обладают максимальной плотностью и прочным закреплением нитей. Среди других типов переплетения у полотняных тканей усилие вытягивания (продергивания) нитей максимально. Из дальнейшего станет ясно, что данное обстоятельство может отрицательно сказываться на баллистической стойкости тканей полотняного переплетения.
При саржевом переплетении на лицевой стороне ткани преобладают нити одного направления. Саржевое переплетение обозначают дробью, в которой в числителе стоит число перекрытий основы, а в знаменателе - число перекрытий утка со стороны лицевой поверхности. Саржа 1/2, 1/3, 1/4 называется уточной, так как на лицевой стороне преобладают уточные перекрытия, а саржа 2/1, 3/1, 4/1 - основной, так как на лицевой стороне ткани преобладают нити основы. Характерной особенностью тканей саржевого переплетения является наличие на поверхности заметных диагональных полос. Плотность саржевых тканей меньше, чем полотняных, нити обладают более высокой подвижностью, усилие их вытягивания заметно меньше по сравнению с полотняными.
Для изготовления текстильных бронепакетов, соответствующих первому и второму классам стойкости по ГОСТ Р 50744-95, используются ткани как полотняного (например, ткани ТСВМ-ДЖ, артикул 8601) так и саржевого переплетений (ТСВМ-ДЖ, артикул 56319) [2.3].
В атласных и сатиновых переплетениях обычно на лицевой поверхности тканей не менее 5 нитей одного направления приходится на 1 или более нитей другого. Такие ткани имеют гладкую блестящую поверхность. Их особенностью является относительно слабое закрепление нитей в ткани, из-за чего нити легко вытягиваются из ткани и осыпаются по отрезанному краю.
Баллистическая стойкость тканей зависит от степени заполнения ее нитями, которая определяется числом нитей основы П0 и утка Пу на условной длине ткани, равной 10 см. Важную роль играет поверхностная плотность ткани тт - масса куска ткани единичной площади. При определении поверхностной плотности mт расчетным путем используют стандартные характеристики: плотности заполнения ткани по основе П0 и утку Пу, линейные плотности нитей по основе р0 и утку ру. С учетом изгиба нитей при их переплетении для расчета можно записать следующее соотношение [2.4]
Прочность ткани на разрыв Рр определяют обычно путем растяжения полоски ткани шириной b = 25 мм (иногда 50 мм), вырезанной из ткани в направлении основы или утка. Для сравнения прочностных характеристик тканей, имеющих различные поверхностные плотности, вводят удельную разрывную нагрузку Руа - Рр/(bтТ). Расчетную разрывную нагрузку, приходящуюся на
одну нить в растягиваемой полоске, определяют с помощью соотношения Ррасч = Рр /(bП), где П = П0 или Пу в зависимости от того,
по какому направлению (основе или утку) вырезана полоска ткани.
Удельная работа разрыва (работа на единицу длины) образца ткани aр определяется путем интегрирования диаграммы деформирования Р = Р(e)
Если зависимость Р(ε) может быть представлена в виде степенной функции Р =αε", то для av имеем следующее соотношение
Прочностные характеристики тканей зависят от скорости деформирования, однако сколько-нибудь устоявшихся данных по этим зависимостям авторам найти не удалось. Выполненные в [2.5] исследования показывают существенное различие поведения при динамическом растяжении индивидуальных нитей и нитей в составе ткани. Кроме этого было установлено, что статическая прочность нитей значительно превосходит динамическую.
Удлинение при растяжении ткани происходит за несколько стадий. На начальной стадии деформирования происходит распрямление нитей ткани, расположенных в направлении нагрузки; растяжение нитей, связанное с уменьшением углов наклона волокон спиральной крутки, распрямление и скольжение волокон. На конечной стадии деформирования происходит собственно растяжение волокон. Поскольку в тканях полотняного переплетения нити испытывают наибольшее количество перегибов, то при растяжении ткани полотняного переплетения имеют наибольшее удлинение при прочих равных условиях. Однако с увеличением плотности удлинение ткани растет до определенного предела, после которого связанность нитей становится настолько большой, что способность к растяжению уменьшается. Данное обстоятельство необходимо иметь в виду при разработке мягких защитных структур СИБ.
С позиций механики деформируемых тел ткань является орто- тропным материалом. Полярная диаграмма зависимости разрывной нагрузки и деформации при растяжении ее в различных направлениях приведена на рис. 2.1 [2.4]. При приложении усилий растяжения под углом к нитям основы и утка прочность ткани оказывается меньше, чем при приложении нагрузки в продольном и поперечном направлениях. Деформации удлинения, наоборот, значительно возрастают при промежуточных направлениях приложения нагрузки.
Основные характеристики некоторых баллистических тканей приведены в табл. 2.2. [2.6]
Смотрите также
materialy-bronirovaniya.ru
ГОСТ 6943.2-79 Материалы текстильные стеклянные. Методы определения диаметра элементарных нити и волокна (с Изменением N 1), ГОСТ от 22 мая 1979 года №6943.2-79
ГОСТ 6943.2-79
Группа И19
ОКСТУ 5950
Дата введения 1980-07-01
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 22 мая 1979 г. N 1800 срок введения установлен с 01.07.80Ограничение срока действия снято по протоколу N 4-93 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 4-94)ВЗАМЕН ГОСТ 6943.2-71ИЗДАНИЕ с Изменением N 1, утвержденным в декабре 1989 г. (ИУС 3-90).Настоящий стандарт распространяется на стеклянные нити и волокна, пряжу, ровинг, ленту, ткань, нетканое полотно и устанавливает определение диаметра элементарных нити и волокна методами продольного и поперечного сечения.При возникновении разногласий между изготовителем и потребителем в определении диаметра элементарных нити и волокна, используют метод продольного сечения.(Измененная редакция, Изм. N 1).
1. МЕТОД ОТБОРА ПРОБ
1.1. От каждой отобранной по ГОСТ 6943.0-93 единицы продукции отбирают одну пробу размером для:нити, ровинга, пряжи, ленты, ткани - отрезок нити длиной 3-5 см;нетканого полотна - квадрат площадью не менее 10 см.
2. АППАРАТУРА
2.1. Для проведения испытания применяют:микроскоп по ТУ 3-3.404-83, ТУ 3-3.154-80;микрометр окулярный винтовой с ценой деления 0,2-0,3 мкм по ТУ 3-3.2048-88 или другой нормативно-технической документации;объект-микрометр для проходящего света по ТУ 3-3.2038-87; для определения цены деления окулярного винтового микрометра;осветители типа ОП-19 и др.держатель пробы, толщиной 1,2 мм.Для проведения испытания по методу поперечного сечения дополнительно применяют:пресс-форму - держатель пробы;полотно ножовочное для резки проб по ГОСТ 6645-86;круги шлифовальные для ручных машин по ГОСТ 23182-78;смолу полиэфирную или эпоксидную по нормативно-технической документации.
3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
3.1. Метод продольного сечения
3.1.1. Проба материала с массовой долей веществ, удаляемых при прокаливании, свыше 3% должна быть высушена по соответствующему режиму по ГОСТ 6943.8-79.Допускается использовать пробы после их испытания по ГОСТ 6943.8-79.
3.1.2. Пробу помещают на предметное стекло, разъединяют препаровальной иглой на элементарные нити и волокна. Стеклянной палочкой помещают одну каплю среды на пробу и накрывают другим стеклом (среда - жидкость с показателем преломления, отличающимся от испытуемого стекла).
3.2. Метод поперечного сечения
3.2.1. Пробу помещают на предметное стекло, разъединяют препаровальной иглой на элементарные нити и волокна, приклеивают смолой и дают затвердеть. Затем пробу вертикально помещают в пресс-форму-держатель, пропитывают смолой и отверждают в холодном состоянии.
3.2.2. Отформованную пробу шлифуют и полируют.
3.2.3. Из пробы вырезают диск толщиной (4,0±0,5) мм.
4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
4.1. Климатические условия проведения испытаний - по ГОСТ 6943.1-94.
4.2. Метод продольного сечения
4.2.1. Предметное стекло с подготовленными элементарными нитями и волокнами переносят на столик микроскопа.Элементарные нити и волокна измеряют при искусственном освещении. В осветителе или оправе конденсора необходимо применять матовые или серо-голубые фильтры.Изображение элементарных нитей и волокон должно быть резким и ограничиваться тонкими темными линиями.
4.2.2. Устанавливают неподвижную шкалу микрометра перпендикулярно изображению элементарной нити и волокна и вращением барабана последовательно совмещают центр перекрестия с краями изображения. По шкалам микрометра делают отсчеты и, зная цену деления шкалы барабана, определяют значение диаметра в микрометрах.Измерение производят с погрешностью цены одного деления. Цена деления шкалы барабана микрометра проверяется с помощью объект-микрометра один раз в месяц после каждой наладки микроскопа.
4.2.3. В каждой пробе измеряют диаметр пяти элементарных нитей и волокон.
4.3. Метод поперечного сечения
4.3.1 Диск помещают под шкалу микрометра.Устанавливают неподвижную шкалу микрометра над держателем пробы с диском, параллельно его перемещению.
4.3.2. Проводят 25 измерений диаметра нити и волокна. Измерения проводят с погрешностью цены одного деления. Зная цену деления шкалы, определяют диаметр каждой элементарной нити и волокна в микрометрах.Разд.2-4. (Измененная редакция, Изм. N 1).
5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
5.1. За окончательный результат испытания принимают среднее арифметическое результатов всех испытаний.
5.2. При определении диаметра по методу продольного сечения пределы допускаемого значения относительной суммарной погрешности измерений ±0,38 мкм при доверительной вероятности 0,95.
5.3. Протокол испытания приведен в приложении.
5.2, 5.3. (Введены дополнительно, Изм. N 1).
ПРИЛОЖЕНИЕ (обязательное). ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ
ПРИЛОЖЕНИЕОбязательное
Протокол испытаний должен содержать:наименование метода;наименование продукции;увеличение микроскопа;результаты испытаний;среднее арифметическое всех испытаний;дату испытаний;обозначение настоящего стандарта;фамилию лица, проводившего испытания.ПРИЛОЖЕНИЕ. (Введено дополнительно, Изм. N 1).Электронный текст документаподготовлен АО "Кодекс" и сверен по:официальное изданиеМатериалы текстильные стекловолокнистые.Технические условия. Методы анализа:Сб. ГОСТов. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002
docs.cntd.ru
способ измерения диаметра тонких протяженных нитей - патент РФ 2310159
Способ измерения диаметра тонких протяженных нитей включает освещение нитей источником света, прием дифракционного изображения нитей путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины и его последующую обработку с вычислением диаметра нити. Прием дифракционного изображения нитей осуществляют путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины, возникающей в результате интерференции проходящей волны света с дифрагированной волной, соответствующей дифракции Фраунгофера. Обработку дифракционного изображения производят путем нахождения контраста дифракционной картины с вычислением диаметра по формуле
где 
I - контраст дифракционной картины, 
- длина волны света, используемого источника освещения, L - расстояние от источника света до фотоприемника, s - расстояние между главными максимумами дифракционной картины. Освещение объекта производят точечным монохроматическим источником света. Освещение объекта производят протяженным квазимонохроматическим источником света. Технический результат - повышение точности измерения способа, особенно в части измерения сверхтонких нитей при одновременном упрощении его реализации в заводских условиях. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. 
Рисунки к патенту РФ 2310159
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптическим бесконтактным методам измерения диаметра тонких протяженных непрозрачных объектов, и может быть использовано при создании приборов для контроля тонких и сверхтонких нитей и, например, для контроля диаметра нитей накаливания осветительных ламп.
В настоящее время при производстве нити накаливания осветительной лампы остро стоит задача за контролем отклонения ее диаметра от номинального размера. Это связано с тем, что при утончении нити лампа обеспечивает пониженную световую отдачу (мощность), но при этот удлиняется срок эксплуатации, а при ее утолщении - склонна к быстрому перегоранию и не обеспечивает заданный срок эксплуатации.
Диапазон измеряемых значений толщин нитей лежит от 8-10 микрон до 100-150 микрон, при этом погрешность измерения не должна превышать 0.7%. Разрабатываемые измерительные системы для решения данной задачи должны быть достаточно компактными и легко встраиваемыми в различные линии производства. Такие системы не должны зависеть от внешних факторов, таких как пыль, фоновые засветки и др.
Известен способ бесконтактного определения толщины нити, основанный на дифракционном методе измерения, включающем источник монохроматического (точечного) освещения, Фурье-звено для формирования дифракционного изображения объекта и фотоприемник для его регистрации (см. а.с. СССР №1357701, кл. G01В 11/08, 1987 г.).
Основными недостатками указанного способа являются, во-первых, необходимость применения высокоточной дорогостоящей Фурье-оптики, что требует сложных операций настройки и юстировки, во-вторых, чувствительность к таким факторам, как пыль и незначительные загрязнения оптических компонент и, наконец, недостаточно высокая точность измерения при контроле непрозрачных объектов малого диаметра вследствие влияния нулевого порядка дифракции. В последнем случае имеют место наложения "хвостов" нулевого порядка на информативный сигнал, уровень интенсивности которого в окрестности первых порядков дифракции оказывается заметно ниже уровня «хвостов» нулевого порядка, что не только затрудняет определение положения экстремумов дифракционной картины объекта с приемлемой точностью, но даже приводит к потере информативного сигнала. Это приводит к необходимости использования при обработке изображения более дальних дифракционных порядков, амплитуда которых, однако, может быть порядка амплитуды высокочастотного шума, что заметно снижает точность и диапазон измерения.
Кроме того, известный способ сложно применять в заводском производстве. Это связано с тем, что данный измеритель имеет неудовлетворительные массогабаритные показатели, что вызывает определенные трудности при встраивании указанного устройства в линии производства, например, нитей.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ бесконтактного определения толщины непрозрачной нити, основанный на теневом методе измерения, включающем источник монохроматического (точечного) освещения и многоэлементный фотоприемник для регистрации дифракционного изображения контролируемого объекта и последующую обработку этого изображения с вычислением диаметра нити по известному пороговому алгоритму (см. европейский патент №0924493, кл. G01B 11/08, 1999 г.).
Основными недостатками известного способа являются, во-первых, невысокая точность измерения, которая зависит от точности определения коэффициента геометрического увеличения при пространственном перемещении объекта и порогового уровня положения краев объекта. Во-вторых, невозможность измерения известным способом тонких нитей диаметром от 100 мкм и менее, т.к. известно, что у измерительных систем, базируемых на анализе дифракционных картин Френелевского типа, нижний диапазон составляет порядка зоны Френеля, значение которой для нормальной работы измерителя (расстояние между объектом и источником света z=15 мм) порядка 100 мкм. Следует особо отметить, что в этом случае значительно повышается погрешность измерения, что обусловлено взаимодействием дифракционных изображений краев контролируемого объекта.
Кроме того, указанные системы требуют ввода дополнительного ортогонального канала для регистрации пространственных перемещений контролируемого объекта для ввода поправки на коэффициент геометрического увеличения, что приводит к значительному росту габаритов измерителя. Также этот способ чувствителен к таким факторам, как пыль и всевозможные загрязнения, что ограничивает его применение в промышленных условиях или требует ввода дополнительных средств, необходимых для очистки системы и защиты оптического тракта.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение точности измерения способа, особенно в части измерения сверхтонких нитей при одновременном упрощении его реализации в заводских условиях.
Указанная задача в способе измерения диаметра тонких протяженных нитей, включающем освещение объекта источником света, прием дифракционного изображения объекта путем регистрации его дифракционной картины многоэлементным фотоприемником и ее последующую обработку с вычислением диаметра нити, решена тем, что прием дифракционного изображения объекта осуществляют путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины, возникающей в результате интерференции проходящей волны света с дифрагированной волной, соответствующей дифракции Фраунгофера, а обработку сигнала производят путем нахождения контраста дифракционной картины с вычислением диаметра по следующей формуле:
где I=(Imax-Imin )/(Imax+Imin) - контраст дифракционной картины, - длина волны света, используемого источника освещения, L - расстояние от источника света до фотоприемника, s - расстояние между главными максимумами дифракционной картины.
Благодаря использованию интерференционно-дифракционной картины, соответствующей интерференции прошедшей волны света с волной, дифрагированной на объекте, удалось существенно повысить точность измерения за счет повышения соотношения сигнал-шум и снизить более чем в десять раз нижнюю границу диапазона измерения, т.к. в заявляемом способе проводится анализ контраста дифракционной картины, а не пороговых координат.
Для упрощения реализации способа в лабораторных условиях в качестве источника освещения объекта используют точечный монохроматический источник света.
Для исключения влияния внешних условий на точность измерения в качестве источника освещения объекта используют протяженный квазимонохроматический источник света (частично-когерентное освещение), который позволяет производить пространственную фильтрацию изображения соответствующим выбором угловых размеров источника излучения, значение которых задается диафрагмой и тем самым отрывает возможность для применения способа метода в заводских условиях.
Заявляемый способ позволяет производить высокоточные измерения диаметров сверхтонких нитей в широком измерительном диапазоне при достаточно простой оптической схеме, не требующей ввода дополнительных, вспомогательных элементов, что не имеет аналогов среди оптических бесконтактных методов измерения диаметров, а следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Указанное выполнение способа позволяет существенно повысить точность измерения и снизить более чем в десять раз нижнюю границу диапазона измерения, что не имеет аналогов среди известных дифракционных способов контроля тонких нитей, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 приведен рисунок устройства, поясняющего реализацию способа при монохроматическом освещении.
На фиг.2 приведен рисунок устройства, поясняющий реализацию способа при квазимонохроматическом (частично-когерентном) освещении.
На фиг.3 приведен рисунок типичной дифракционной картины, соответствующей указанному способу. Структуры дифракционных картин при монохроматическом точечном и квазимонохроматическом протяженном освещениях, в случае незначительных угловых размеров источника излучения, практически не различимы.
Устройство для реализации заявляемого способа содержит источник монохроматического точечного света 1, измеряемый объект 2, многоэлементный фотоприемник 5 и блок обработки измерительной информации 6.
Устройство (см.фиг.2) дополнительно содержит осветитель 7, содержащий источник квазимонохроматического света, диффузор 8, диафрагму 9.
Устройство (см. фиг.1) работает следующим образом. Пучок света от монохроматического точечного источника света 1 освещает контролируемое изделие 2. Вследствие дифракции света на объекте 2 на многоэлементном фотоприемнике 5 формируется дифракционная картина, представленная на фиг.3, которая возникает вследствие интерференции дифрагированной волны света 4 с проходящей волной света 3. Получаемое изображение объекта регистрируется фотоприемником 5 и поступает в блок обработки измерительной информации 6.
Устройство, представленное на фиг.2, работает аналогичным образом. Сфокусированный пучок света от источника 7 попадает на диффузор, на котором происходит рассеяние света, при этом диафрагма 9 выступает в качестве источника света, облучающего контролируемый объект 2, дифракционное изображение которого регистрируется многоэлементным фотоприемником 5 и поступает в блок обработки измерительной информации 6. Использование диффузора позволяет получить равномерный по пространству пучок света. Свет с диффузора 8 проецируется на диафрагму 9 (см.фиг.2), раскрытием которой задаются угловые размеры источника излучения. Это позволяет, в сравнении с теневым и дифракционным способами, производить пространственную фильтрацию оптического сигнала, при наличии пыли или других факторов.
Пример 1. На установке, представленной на фиг.1, габаритные размеры которой составили 180 мм × 50 мм × 50 мм, на расстоянии 40 мм от точечного источника монохроматического света (полупроводниковый лазер марки LDPM 12-655-3 с длиной волны =0.65 мкм) устанавливалась аттестованная вольфрамовая нить диаметром 13 мкм. Дифракционное изображение (фиг.3), формируемое вследствие интерференции дифрагируемой и проходящей волн света, регистрировалось многоэлементным линейным фотоприемником - ПЗС линейкой марки Toshiba TCD1304AP с размером пиксела 8 мкм × 200 мкм, расположенной на расстоянии 110 мм от контролируемого объекта. Расчет диаметра нити производился согласно формуле (1). При этом значения параметров системы составили I
0.1, L=150 мм, x 1.4 мм. Погрешность измерения не превысила 0.1 мкм.
Пример 2. На установке, представленной на фиг.2, габаритные размеры которой составили 200 мм × 50 мм × 50 мм, на расстоянии 50 мм от протяженного источника на базе светодиода (Paralight EP2012-150G1 длина волны =0.525 мкм), формируемого посредством ввода диффузора (матовый рассеватель) и прямоугольной диафрагмы с размером пропускающего отверстия 50 мкм, устанавливалась аттестованная вольфрамовая нить диаметром 88 мкм. Контроль нити осуществлялся в измерительном объеме 10×10 мм2. Дифракционное изображение (фиг.3), формируемое вследствие интерференции дифрагируемой и проходящей волн света, регистрировалось многоэлементным линейным фотоприемником - ПЗС линейкой (Toshiba TCD1304AP с размером пиксела 8 мкм × 200 мкм), расположенной на расстоянии 130 мм от контролируемого объекта. Расчет диаметра нити производился согласно формуле (1). При этом значения параметров системы составили I 0.7, L=180 мм, x 1.2 мм. Погрешность измерения не превысила 0.15 мкм.
Таким образом, заявляемый способ является наиболее применимым для контроля нитей накаливания в процессе их производства.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ измерения диаметра тонких протяженных нитей, включающий освещение нитей источником света, прием дифракционного изображения нитей путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины и его последующую обработку с вычислением диаметра нити, отличающийся тем, что прием дифракционного изображения нитей осуществляют путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины, возникающей в результате интерференции проходящей волны света с дифрагированной волной, соответствующей дифракции Фраунгофера, а обработку дифракционного изображения производят путем нахождения контраста дифракционной картины с вычислением диаметра по формуле
где I - контраст дифракционной картины, - длина волны света используемого источника освещения, L - расстояние от источника света до фотоприемника, s - расстояние между главными максимумами дифракционной картины.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что освещение объекта производят точечным монохроматическим источником света.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что освещение объекта производят протяженным квазимонохроматическим источником света.
www.freepatent.ru
Размер - нить - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2
Размер - нить
Cтраница 2
Материальная точка, вынужденная оставаться на окружности постоянного радиуса, совершает в поле параллельных сил движение, аналогичное движению груза на растянутой нити:, когда размеры груза малы по сравнению с размерами нити. [16]
Нить для мячей может быть изготовлена из латекса с соответствующей рецептурой, но обычно нить производится с помощью традиционных процессов переработки сухой резиновой смесью - размол в шаровой мельнице, каланд-рование, вулканизация на барабане и многоножевая резка. Традиционно размеры нити - 0 5 х 1 5 мм2 ( 0 020 х 0 060 дюйм2) или близкие к ним. Рецептура смеси для изготовления нити дает удлинение примерно 1000 %, высокую прочность на разрыв и устойчивость к истиранию. [17]
В механических гигрометрах для непосредственного измерения влажности пользуются человеческим волосом, древесным волокном и некоторыми химическими волокнами. Метод основан на изменении размеров нити с изменением влажности. [18]
При использовании композитных сверхпроводников очень большого сечения возникает, однако, другая форма нестабильности, которая возрастает строго пропорционально размерам композитов. Она слабо зависит от размера сверхпроводящих нитей. [19]
Для стабилизации тока при малых мощностях ( например, стабилизация цепей накала) применяют бареттер, состоящий из стеклянного баллона, заполненного водородом, в котором помещается железная или вольфрамовая нить. При прохождении тока по нити бареттера сопротивление нити вследствие нагрева увеличивается. Размеры нити и давление водорода в баллоне подбирают так, чтобы увеличение сопротивления при нагреве было прямо пропорционально увеличению приложенного к зажимам бареттера напряжения. Очевидно, что при этом величина тока в цепи будет оставаться постоянной. [21]
С), состоят из углеродных нитей диаметром от 15 до 300 мкм и длиной от 1000 мкм до 1 мм. Переплетаясь между собой, эти нити образуют ватообразиую структуру. Отложения волокнистого углеродного вещества, полученные па железосодержащих катализаторах, имеют также волокнистую структуру, но менее выраженную, так как размеры нитей гораздо меньше: диаметр от 0 1 до 100 мкм и длина менее 50000 мкм. [22]
Светораспределение прожекторов отличается резким максимумом силы света в осевом направлении. Кривая силы света, если ее строить, как обычно, в полярных координатах, оказывается неудобочитаемой, и приходится давать ее в прямоугольных координатах, принимая для углов крупный масштаб. Для ламп 127 и 220 вдаются отдельные кривые. Дело в том, что размеры нити ламп 220 в больше, чем ламп 127 в, а это вызывает большее рассеивание светового пучкаг и меньшую осевую силу света. [24]
Результаты опытов Кумагаи приведены на рис. 8.26. Они в целом подтверждают правильность теоретического предположения о том, что константа испарения не зависит от начального диаметра капли. Эксперимент был выполнен с н-гептаном с использованием кварцевых нитей, имеющих утолщение на нижнем конце. Влияние кварцевой нити проявляется даже в случае очень тонких нитей. Причиной некоторого изменения константы испарения в зависимости от начального диаметра капли является, по-видимому, теплоемкость кварцевой нити. Материал и размер подвешивающей нити оказывают равноценное влияние на константу испарения. [25]
Торзионные весы с вертикальной торзионной нитью, называемые весами Ренкина [56, 57], Кюри - Шенево или магнитными весами применяются главным образом для исследования магнитных свойств материалов и используются как в нулевом методе взвешивания, так и по отклонению. Исследуемый образец помещается на конец коромысла, которое, в свою очередь, подвешено на торзионной нити, закрепленной в своей верхней части. Отклонение образца в магнитном поле вызывает поворот коромысла и закручивание нити, величина деформации которой измеряется оптическим устройством при помощи зеркала, закрепленного на коромысле или торзионной нити. При работе нулевым методом верхний закрепленный конец нити соединяется с поворотным механизмом, снабженным определения угла поворота. При отклонении коромысла от нулевого положения, что фиксируется зеркалом, нить при помощи поворотного устройства закручивают в обратную сторону до установления коромысла в прежнем положении. Чувствительность таких весов может определяться расчетным путем [58], причем точность расчета будет ограничиваться лишь точностью определения размеров нити и ошибкой в величине значения модуля жесткости, принятого в расчетах. [27]
Так как эффект умножения зависит от состояния поверхности металла фотоумножителя и изменяется со временем, то этот способ оказался неудовлетворительным. Она имеет управляющую сетку 7 и катушку 8 для магнитной фокусировки выходящего электронного пучка. Так как спиральная нить пушки при нагревании деформируется, то в качестве катода был выбран кусок вольфрамовой проволоки длиной 1 см и диаметром 0 025 мм. Для обеспечения постоянства эмиссии катода накаливание нити 9 производится постоянным стабилизированным током от цепи с меднозакисными выпрямителями и сглаживающим фильтром Сф и Дрф. Изменение размеров нити или ее месторасположения по отношению к сетке, имевшее место, например, при ремонте пушки, резко изменяло ее характеристики. [28]
Страницы: 1 2
www.ngpedia.ru
Способ измерения диаметра тонких протяженных нитей
Способ измерения диаметра тонких протяженных нитей включает освещение нитей источником света, прием дифракционного изображения нитей путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины и его последующую обработку с вычислением диаметра нити. Прием дифракционного изображения нитей осуществляют путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины, возникающей в результате интерференции проходящей волны света с дифрагированной волной, соответствующей дифракции Фраунгофера. Обработку дифракционного изображения производят путем нахождения контраста дифракционной картины с вычислением диаметра по формуле
где ΔI - контраст дифракционной картины, λ - длина волны света, используемого источника освещения, L - расстояние от источника света до фотоприемника, s - расстояние между главными максимумами дифракционной картины. Освещение объекта производят точечным монохроматическим источником света. Освещение объекта производят протяженным квазимонохроматическим источником света. Технический результат - повышение точности измерения способа, особенно в части измерения сверхтонких нитей при одновременном упрощении его реализации в заводских условиях. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптическим бесконтактным методам измерения диаметра тонких протяженных непрозрачных объектов, и может быть использовано при создании приборов для контроля тонких и сверхтонких нитей и, например, для контроля диаметра нитей накаливания осветительных ламп.
В настоящее время при производстве нити накаливания осветительной лампы остро стоит задача за контролем отклонения ее диаметра от номинального размера. Это связано с тем, что при утончении нити лампа обеспечивает пониженную световую отдачу (мощность), но при этот удлиняется срок эксплуатации, а при ее утолщении - склонна к быстрому перегоранию и не обеспечивает заданный срок эксплуатации.
Диапазон измеряемых значений толщин нитей лежит от 8-10 микрон до 100-150 микрон, при этом погрешность измерения не должна превышать 0.7%. Разрабатываемые измерительные системы для решения данной задачи должны быть достаточно компактными и легко встраиваемыми в различные линии производства. Такие системы не должны зависеть от внешних факторов, таких как пыль, фоновые засветки и др.
Известен способ бесконтактного определения толщины нити, основанный на дифракционном методе измерения, включающем источник монохроматического (точечного) освещения, Фурье-звено для формирования дифракционного изображения объекта и фотоприемник для его регистрации (см. а.с. СССР №1357701, кл. G01В 11/08, 1987 г.).
Основными недостатками указанного способа являются, во-первых, необходимость применения высокоточной дорогостоящей Фурье-оптики, что требует сложных операций настройки и юстировки, во-вторых, чувствительность к таким факторам, как пыль и незначительные загрязнения оптических компонент и, наконец, недостаточно высокая точность измерения при контроле непрозрачных объектов малого диаметра вследствие влияния нулевого порядка дифракции. В последнем случае имеют место наложения "хвостов" нулевого порядка на информативный сигнал, уровень интенсивности которого в окрестности первых порядков дифракции оказывается заметно ниже уровня «хвостов» нулевого порядка, что не только затрудняет определение положения экстремумов дифракционной картины объекта с приемлемой точностью, но даже приводит к потере информативного сигнала. Это приводит к необходимости использования при обработке изображения более дальних дифракционных порядков, амплитуда которых, однако, может быть порядка амплитуды высокочастотного шума, что заметно снижает точность и диапазон измерения.
Кроме того, известный способ сложно применять в заводском производстве. Это связано с тем, что данный измеритель имеет неудовлетворительные массогабаритные показатели, что вызывает определенные трудности при встраивании указанного устройства в линии производства, например, нитей.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ бесконтактного определения толщины непрозрачной нити, основанный на теневом методе измерения, включающем источник монохроматического (точечного) освещения и многоэлементный фотоприемник для регистрации дифракционного изображения контролируемого объекта и последующую обработку этого изображения с вычислением диаметра нити по известному пороговому алгоритму (см. европейский патент №0924493, кл. G01B 11/08, 1999 г.).
Основными недостатками известного способа являются, во-первых, невысокая точность измерения, которая зависит от точности определения коэффициента геометрического увеличения при пространственном перемещении объекта и порогового уровня положения краев объекта. Во-вторых, невозможность измерения известным способом тонких нитей диаметром от 100 мкм и менее, т.к. известно, что у измерительных систем, базируемых на анализе дифракционных картин Френелевского типа, нижний диапазон составляет порядка зоны Френеля, значение которой для нормальной работы измерителя (расстояние между объектом и источником света z=15 мм) порядка 100 мкм. Следует особо отметить, что в этом случае значительно повышается погрешность измерения, что обусловлено взаимодействием дифракционных изображений краев контролируемого объекта.
Кроме того, указанные системы требуют ввода дополнительного ортогонального канала для регистрации пространственных перемещений контролируемого объекта для ввода поправки на коэффициент геометрического увеличения, что приводит к значительному росту габаритов измерителя. Также этот способ чувствителен к таким факторам, как пыль и всевозможные загрязнения, что ограничивает его применение в промышленных условиях или требует ввода дополнительных средств, необходимых для очистки системы и защиты оптического тракта.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение точности измерения способа, особенно в части измерения сверхтонких нитей при одновременном упрощении его реализации в заводских условиях.
Указанная задача в способе измерения диаметра тонких протяженных нитей, включающем освещение объекта источником света, прием дифракционного изображения объекта путем регистрации его дифракционной картины многоэлементным фотоприемником и ее последующую обработку с вычислением диаметра нити, решена тем, что прием дифракционного изображения объекта осуществляют путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины, возникающей в результате интерференции проходящей волны света с дифрагированной волной, соответствующей дифракции Фраунгофера, а обработку сигнала производят путем нахождения контраста дифракционной картины с вычислением диаметра по следующей формуле:
где ΔI=(Imax-Imin)/(Imax+Imin) - контраст дифракционной картины, λ - длина волны света, используемого источника освещения, L - расстояние от источника света до фотоприемника, s - расстояние между главными максимумами дифракционной картины.
Благодаря использованию интерференционно-дифракционной картины, соответствующей интерференции прошедшей волны света с волной, дифрагированной на объекте, удалось существенно повысить точность измерения за счет повышения соотношения сигнал-шум и снизить более чем в десять раз нижнюю границу диапазона измерения, т.к. в заявляемом способе проводится анализ контраста дифракционной картины, а не пороговых координат.
Для упрощения реализации способа в лабораторных условиях в качестве источника освещения объекта используют точечный монохроматический источник света.
Для исключения влияния внешних условий на точность измерения в качестве источника освещения объекта используют протяженный квазимонохроматический источник света (частично-когерентное освещение), который позволяет производить пространственную фильтрацию изображения соответствующим выбором угловых размеров источника излучения, значение которых задается диафрагмой и тем самым отрывает возможность для применения способа метода в заводских условиях.
Заявляемый способ позволяет производить высокоточные измерения диаметров сверхтонких нитей в широком измерительном диапазоне при достаточно простой оптической схеме, не требующей ввода дополнительных, вспомогательных элементов, что не имеет аналогов среди оптических бесконтактных методов измерения диаметров, а следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Указанное выполнение способа позволяет существенно повысить точность измерения и снизить более чем в десять раз нижнюю границу диапазона измерения, что не имеет аналогов среди известных дифракционных способов контроля тонких нитей, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 приведен рисунок устройства, поясняющего реализацию способа при монохроматическом освещении.
На фиг.2 приведен рисунок устройства, поясняющий реализацию способа при квазимонохроматическом (частично-когерентном) освещении.
На фиг.3 приведен рисунок типичной дифракционной картины, соответствующей указанному способу. Структуры дифракционных картин при монохроматическом точечном и квазимонохроматическом протяженном освещениях, в случае незначительных угловых размеров источника излучения, практически не различимы.
Устройство для реализации заявляемого способа содержит источник монохроматического точечного света 1, измеряемый объект 2, многоэлементный фотоприемник 5 и блок обработки измерительной информации 6.
Устройство (см.фиг.2) дополнительно содержит осветитель 7, содержащий источник квазимонохроматического света, диффузор 8, диафрагму 9.
Устройство (см. фиг.1) работает следующим образом. Пучок света от монохроматического точечного источника света 1 освещает контролируемое изделие 2. Вследствие дифракции света на объекте 2 на многоэлементном фотоприемнике 5 формируется дифракционная картина, представленная на фиг.3, которая возникает вследствие интерференции дифрагированной волны света 4 с проходящей волной света 3. Получаемое изображение объекта регистрируется фотоприемником 5 и поступает в блок обработки измерительной информации 6.
Устройство, представленное на фиг.2, работает аналогичным образом. Сфокусированный пучок света от источника 7 попадает на диффузор, на котором происходит рассеяние света, при этом диафрагма 9 выступает в качестве источника света, облучающего контролируемый объект 2, дифракционное изображение которого регистрируется многоэлементным фотоприемником 5 и поступает в блок обработки измерительной информации 6. Использование диффузора позволяет получить равномерный по пространству пучок света. Свет с диффузора 8 проецируется на диафрагму 9 (см.фиг.2), раскрытием которой задаются угловые размеры источника излучения. Это позволяет, в сравнении с теневым и дифракционным способами, производить пространственную фильтрацию оптического сигнала, при наличии пыли или других факторов.
Пример 1. На установке, представленной на фиг.1, габаритные размеры которой составили 180 мм × 50 мм × 50 мм, на расстоянии 40 мм от точечного источника монохроматического света (полупроводниковый лазер марки LDPM 12-655-3 с длиной волны λ=0.65 мкм) устанавливалась аттестованная вольфрамовая нить диаметром 13 мкм. Дифракционное изображение (фиг.3), формируемое вследствие интерференции дифрагируемой и проходящей волн света, регистрировалось многоэлементным линейным фотоприемником - ПЗС линейкой марки Toshiba TCD1304AP с размером пиксела 8 мкм × 200 мкм, расположенной на расстоянии 110 мм от контролируемого объекта. Расчет диаметра нити производился согласно формуле (1). При этом значения параметров системы составили ΔI≈0.1, L=150 мм, x≈1.4 мм. Погрешность измерения не превысила 0.1 мкм.
Пример 2. На установке, представленной на фиг.2, габаритные размеры которой составили 200 мм × 50 мм × 50 мм, на расстоянии 50 мм от протяженного источника на базе светодиода (Paralight EP2012-150G1 длина волны λ=0.525 мкм), формируемого посредством ввода диффузора (матовый рассеватель) и прямоугольной диафрагмы с размером пропускающего отверстия 50 мкм, устанавливалась аттестованная вольфрамовая нить диаметром 88 мкм. Контроль нити осуществлялся в измерительном объеме 10×10 мм2. Дифракционное изображение (фиг.3), формируемое вследствие интерференции дифрагируемой и проходящей волн света, регистрировалось многоэлементным линейным фотоприемником - ПЗС линейкой (Toshiba TCD1304AP с размером пиксела 8 мкм × 200 мкм), расположенной на расстоянии 130 мм от контролируемого объекта. Расчет диаметра нити производился согласно формуле (1). При этом значения параметров системы составили ΔI≈0.7, L=180 мм, x≈1.2 мм. Погрешность измерения не превысила 0.15 мкм.
Таким образом, заявляемый способ является наиболее применимым для контроля нитей накаливания в процессе их производства.
1. Способ измерения диаметра тонких протяженных нитей, включающий освещение нитей источником света, прием дифракционного изображения нитей путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины и его последующую обработку с вычислением диаметра нити, отличающийся тем, что прием дифракционного изображения нитей осуществляют путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины, возникающей в результате интерференции проходящей волны света с дифрагированной волной, соответствующей дифракции Фраунгофера, а обработку дифракционного изображения производят путем нахождения контраста дифракционной картины с вычислением диаметра по формуле
где ΔI - контраст дифракционной картины, λ - длина волны света используемого источника освещения, L - расстояние от источника света до фотоприемника, s - расстояние между главными максимумами дифракционной картины.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что освещение объекта производят точечным монохроматическим источником света.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что освещение объекта производят протяженным квазимонохроматическим источником света.
www.findpatent.ru
