СПОСОБ КОНТРОЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖУЩЕЙСЯ НИТИ Российский патент 1999 года по МПК D01H13/32 G01N21/00 

Изобретение относится к оптическим способам контроля геометрических параметров нити и может быть использовано для оперативного контроля таких параметров нити, как ее диаметр, величина крутки.

Существует оптический метод определения крутки пряжи, заключающийся в том, что исследуемый образец нити освещают фокусированным с помощью собирающей линзы ответом лазера перпендикулярно ее поверхности и в фокальной плоскости линзы анализируют угловую диаграмму интенсивности света, рассеянного нитью /1/. Наблюдаемая авторами /1/ картина представляет собой три максимума - горизонтальный /при вертикальном расположении нити/, симметрично пересеченный под углами β и -β двумя другими максимумами в центре дифракционной картины, наблюдаемой на экране. По величине угла β авторы судят о величине крутки. Величину этого угла они измеряют, анализируя временную зависимость фототока от фотоприемника, установленного на оптической оси за фокальной плоскостью, когда в фокальной плоскости линзы установлена светопропускающая щель, вращающаяся вокруг оптической оси. Авторы связывают наблюдаемое угловое распределение с "малоугловой дифракцией света".

К недостаткам предложенного в /1/ метода можно отнести следующее:
1. Наши эксперименты показали, что наблюдаемая в /1/ картина соответствует по малоугловой дифракции, которую можно наблюдать только с использованием в качестве линзы /1/ телескопического объектива с фокусным расстоянием, превышающим 2 м, но при условии выполнения приближения геометрической оптики, т.е. на расстояниях от исследуемой нити, меньших 0,5 м. Наблюдаемая картина существенно зависит от выбора соотношений между фокусным расстоянием линзы и расстоянием от линзы до нити. Авторы никак не оптимизируют эти расстояния, что резко снижает точность измерений при попытках повторения результатов работы /1/.

2. Метод измерения угла β, предложенный в /1/, не дает возможности использования метода для текущего контроля.

В /2/ описан метод контроля крутки нити, заключающийся в создании на фотодиодной матрице действительного изображения отрезка нити при импульсном ее освещении, запоминании этого изображения и последующем его анализе по алгоритму, использующему автокорреляционную функцию.

Этот метод трудно использовать для контроля параметров тонких нитей, что пишут сами авторы, отмечая также необходимость использования для текущего контроля максимального быстродействия и максимальных значений оперативной памяти современных электронных вычислительных машин, с помощью которой производится "распознавание необходимого образа" из проецируемого изображения.

Известен метод контроля параметров нити, описанный в /3/ и заключающийся в том, что исследуемый участок нити, расположенный вертикально, освещают когерентным пучком монохроматического света перпендикулярно оси нити и наблюдают дифракционную картину на экране, расположенном за освещаемым участком нити в фокальной плоскости собирающей линзы, причем световой пучок, падающий на нить, ограничивается регулируемой по ширине щелью так, чтобы она незначительно превышала ширину нити при симметричном ее освещении. Предлагается формула, связывающая расстояние между световыми пятнами, обтекающими исследуемую нить a, с длиной используемого света λ , расстоянием от линзы до экрана L и расстоянием между соседними максимумами в дифракционной картине Δ X. Авторы /3/ сами отмечают, что величина a = Lλ/ΔX только "более-менее" определяет величину контролируемого диаметра.

Авторы /3/ также предлагают контролировать другие параметры нити, описывающие ее пространственную конфигурацию, осветив участок нити дополнительно еще одним световым пучком в перпендикулярном направлении с аналогичной регистрацией света с помощью аналогичных элементов в соответствующем канале и последующей коммутацией и обработкой этих сигналов. Правда они не предлагают конкретного алгоритма, предлагая исследовать в перспективе взаимную корреляцию этих сигналов.

К недостатку метода можно отнести его низкую точность, связанную с нерешенной авторами проблемой связи измеряемой величины a с диаметром нити d.

Наиболее близким к предлагаемому является способ контроля физических параметров движущейся нити, заключающийся в том, что исследуемый участок нити, расположенный вертикально, освещают когерентным параллельным пучком монохроматического света перпендикулярно оси нити и наблюдают дифракционную картину на экране, расположенном за освещаемым участком нити, о параметрах нити судят по дифракционной картине, наблюдаемой визуально или с помощью фотоприемника на экране /4/.

Недостатком данного способа является его низкая точность.

Техническим результатом, на который направлено данное изобретение, является повышение точности и расширение возможностей дифракционного метода.

Данный технический результат достигается за счет того, что в способе контроля физических параметров движущейся нити, заключающемся в том, что исследуемый участок нити, расположенный вертикально, освещают когерентным параллельным пучком монохроматического света перпендикулярно оси нити и наблюдают дифракционную картину на экране, расположенном за освещаемым участком нити, о параметрах нити судят по дифракционной картине, наблюдаемой визуально или с помощью фотоприемника на экране, согласно изобретения, дифракционную картину получают в виде малоугловой Фраунгоферовой дифракционной картины, в которой на основании анализа ее тонкой структуры судят о параметрах нити, причем о величине крутки нити судят по измеренной средней величине расстояния между соседними горизонтальными рядами максимумов на этом экране Δ Y, о четном или нечетном числе стренг, из которых скручена контролируемая нить, судят по соответственно асимметричному или симметричному расположению максимумов в соседних горизонтальных рядах, о величине диаметра нити d судят по измеренной величине среднего расстояния между соседними максимумами или минимумами в горизонтальных рядах Δ X, соответствующих ненулевому порядку в спектре, известным значениям расстояния от нити до экрана L и длины волны света λ и вычисляют по формуле d = Lλ/ΔX , а о величине скорости движения нити V судят по измеренной с помощью соответствующего фотоприемника средней величине частоты основной гармоники изменения интенсивности света в горизонтальных рядах максимумов ν и измеренным значениям Δ Y и вычисляют по формуле V = νΔY.

1. О физических параметрах нити судят на основании анализа тонкой структуры в малоугловой Фраунгоферовой дифракционной картине, наблюдаемой визуально или с помощью фотоприемника на экране.

Такая дифракционная картина от нити никем не наблюдалась. B /1/ авторы пишут, что они анализируют малоугловую дифракционную картину. Однако анализ приведенной схемы в /1/, наши эксперименты, в которых мы пытались получить результаты /1/, и численные оценки показывают, что в этой работе наблюдалась угловая картина распределения светорассеяния для больших углов расстояния в прямом направлении в приближении выполнения геометрической оптики /5/:

где d - диаметр нити; L - расстояние от нити до экрана;
λ - длина световой волны.

Для значений параметров: d = 1 мм, L = 0,2 м, λ = 5 • 10^-7 м это соотношение равно 10.

В /6/ проводились исследования обратной угловой диаграммы светорассеяния нити в том же приближении /большие углы, геометрическая оптика/, которые дали возможность предложить способ контроля величины крутки нити по коэффициенту оптической изотропии. В /3/ исследовалась Фраунгоферова дифракция, но в больших углах /при короткофокусных линзах/.

2. О величине крутки нити судят по измеренной величине расстояния между соседними горизонтальными рядами максимумов на этом экране.

Расщепление рядов максимумов в зависимости от величины крутки до нас не описано /не наблюдалось/.

3. О четном или нечетном числе стренг, из которых скручена контролируемая нить, судят по соответственного ассимметричному или симметричному расположению максимумов в соседних горизонтальных рядах.

Такая зависимость нами установлена впервые и никем не описывалась.

4. О величине диаметра нити D судят по измеренной величине среднего расстояния между соседними максимумами в горизонтальных рядах Δ X, соответствующих ненулевому порядку в спектре, известным значениям расстояния от нити до экрана L и длины волны света λ и вычисляют по формуле d = Lλ/ΔX.
Известна теорема Бабине, в соответствии с которой дифракционная картина от щели и от дополнительного к щели экрана должны быть вне прямого пучка света тождественными. Однако даже цилиндр не является дополнительным экраном к щели, не говоря уже о крученой нити. В прототипе, при наличии в схеме щели, в центре которой помещалось исследуемое волокно, авторы /3/ говорили, что диаметр волокна связан с контролируемой величиной среднего расстояния в дифракционной картине между соседними максимумами, но не писали как, приводя аналогичную нашей формулу, но для расстояния между центрами световых пятен по обе стороны от нити. У нас щели, которая только портит картину /7/, нет. Кроме того, мы наблюдаем другую картину максимумов в малоугловой диффракционной картине.

5. О величине скорости движения нити V судят по измеренной.... Такая зависимость предложена впервые. Формула также.

Для проверки работоспособности предложенного способа была собрана схема, приведенная на фиг. 1. Свет от He - Ne лазера 1 через телескопический объектив 2-3 фокусировал свет на экране, установленном на расстоянии 3 м от объектива. Это дает основания считать, что исследуемая нить 4, установленная непосредственно за объективом, освещена практически параллельным пучком света. Исследуемая нить 4 /отрезок длиной 12 см/ помещалась в вертикальном держателе, причем верхний конец нити зажимался в держателе, который можно было вращать вокруг оси нити /5/, нижний - был нагружен постоянным грузом /10 г/ - 6, выполненным в виде "ласточкина хвоста", который мог свободно перемещаться вдоль вертикальной оси в соответствующем держателе 7.

Смещение нижнего конца нити при ее закручивании могло контролироваться по линейке. Дифракционная картина контролировалась по миллиметровой бумаге на экране 8, установленном в фокальной плоскости объектива, визуально или с помощью фотокамеры 9. Контроль крутки проводился также визуально с помощью длиннофокусного бинокулярного микроскопа 10. Все элементы схемы, кроме экрана, были смонтированы на рейтерах и установлены на оптической оси оптической скамьи. Держатель с нитью мог смещаться относительно своего рейтера в вертикальном направлении на расстояние 2 см.

В качестве объекта исследований были опробованы луженая медная проволока диаметром 0,1 мм, капроновая леска диаметрами 0,12; 0,17; 0,25 мм, из которых на описанном держателе скручивались нити / и параллельно исследовались/ из 2, 3, 4 элементарных нитей, а также были исследованы зависимости и от крутки стандартных, выпускаемых промышленностью синтетических, шелковых и хлопковых нитей с различной круткой стренг.

На фиг. 2 представлены типичные фотографии дифракционных картин, наблюдаемых на экране для четного /рис. 2-a/ и нечетного /рис. 2-б/ числа стренг, иллюстрирующие положения патентной формулы. При съемке центральный дифракционный максимум был пропущен сквозь экран к поэтому не виден на фотографиях. Это было сделано для облегчения снятия координат других максимумов, имеющих значительно меньшую интенсивность, при визуальной обработке дифракционного спектра. Вид о, что при четном числе стренг верхний ряд максимумов и нижний ряд горизонтальных максимумов, смещенные соответственно вверх и вниз относительно горизонтального ряда максимумов, соответствующего оптической оси и нулевому значению крутки, на одинаковое расстояние Δ Y, расположены асимметрично /максимумы единого ряда расположены над минимумами соседнего ряда /рис. 2-a/. При нечетном числе стренг, эти максимумы расположены симметрично, т. е. друг на другом в соседних горизонтальных рядах /рис. 2-б/. Установлено, что качественно такая картина наблюдается независимо от значений других геометрических параметров нити физической природы ее составляющих, направления крутки стронг в хлопковых, шелковых и синтетических нитях.

На фиг. 3 представлены экспериментальные зависимости величины расстояния между горизонтальными соседними рядами максимумов Δ Y от величины крутки нити, построенные на основании измерений для нитей, скрученных из металлических нитей и капроновой жилки /... и xxx соответственно/. Прямая 1 соответствует нити, скрученной из двух нитей, прямая 2 - из трех, прямая 3 - из четырех нитей. Видно, что независимо от природы нити и ее диаметра /проверялись нити, скрученные из лесок различного, но одного и для каждого образца диаметра/ экспериментальные точки, соответствующие одинаковому количеству стренг, соответствуют одной экспериментальной кривой. Наши эксперименты показали, что в пределах погрешности эксперимента на эти же прямые ложатся экспериментальные точки, снятые по исследованию образцов промышленных нитей различной природы. В этих экспериментах нити предварительно раскручивались на нашем устройстве, а уж потом закручивались и параллельно исследовались их дифракционные картины. Эти эксперименты показали, что при переходе от металлических и синтетических нитей на хлопковые только несколько ослабляется контраст в дифракционной картине, но не меняются принципиально положения, заложенные в патентную формулу. При повышении вероятности нитей повышается общий фон дифракционной картины /его интенсивность/, что делает перспективным использование датчика по заявляемому способу также для контроля этого параметра.

Экспериментальные измерения зависимости дифракционной картины от диаметра нитей, проведенные на мононитях /металлических и капроновых/, на двойных нитях /при малых крутках и средних крутках/, при параллельном контроле диаметра нити с помощью микроскопа показали, что их диаметр хорошо описывается формулой

где L - расстояние от нити до экрана; λ - длина волны лазера;
Δ X - расстояние между соседними максимумами /минимумами/ в горизонтальных рядах, соответствующих ненулевому порядку в спектре, т.е. не рассматриваются центральный максимум и расположенные непосредственно над и под ним в спектре при наличии крутки.

Экспериментальные данные по измерению крутки нитей по величине Y показали, что в пределах погрешности измерений справедлива формула для величины крутки K

Эксперименты, проведенные с образцами стандартных нитей различной природы, показали, что в пределах погрешности измерений все указанные соотношения выполняются также и для них.

Для осознания факта, что интенсивность горизонтальных максимумов в дифракционной картине, наблюдаемой по схеме фиг. 1, зависит от скорости движения нити в вертикальном направлении, были проведены наблюдения одной и той же нити также по схеме, в которой в отличие от изображенной на фиг. 1 отсутствовал объектив 2.

В этом случае на экране наблюдалась система горизонтальных максимумов, вертикальный размер которых соответствовал диаметру лазерному пучка на экране, перерезанных в горизонтальном направлении системой горизонтальных минимумов. При вертикальных перемещениях нити эти минимумы двигались в вертикальном направлении с той же скоростью, что и нить, и в том же направлении.

Очевидно, что при наличии в схеме объектива 2 это обстоятельство должно приводить и приводит к соответствующему такому перемещению нити изменению интенсивности света в горизонтальных максимумах. Амплитуда такого изменения, конечно, должна зависеть от числа освещенных в нити круток.

Литература:
1. Парамонов А.В., Корнюхина Т.В., Борзунов И.Г., Корнюхин И.П. Экспресс-метод определения крутки пряжи. Текстильная промышленность, 1978, N 3, с. 72-74.

2. P. Narwinski, N. Schulmann, F.H.Niederrhein and R. Lorebz, Nondestructive testing of twist for large packages of cabled technical yarns translated from Chemicfosern, Textilidustrie (CTI), vol. 45/95 (June 1993), pp. 501-503.

3. B.Durand, L.Bouget, S.Bouget, Measurement Automation and Diagnosis in Spinning, M. Acar(ed.), Mechatronic Design in textil engineering, 1995, pp. 107-131, Kluwer Academic Publishers, Prined in Netherlands.

4. Заявка Великобритании N 1280211, кл. G 01 B 11/08, 1972.

5. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, М., 1982, с. 406.

6. Патент РФ N 2047169, кл. G 01 N 21/00, 1995.

7. Бутиков Е.И. Оптика, М., 1986, с.295-296.

Изобретение относится к способам контроля геометрических параметров нити и может быть использовано для оперативного контроля таких параметров нити, как ее диаметр, величина крутки, число стренг в скручиваемой нити в процессе ее производства. Сущность изобретения состоит в том, что о параметрах нити судят на основании дифракционной картины, наблюдаемой визуально или с помощью фотоприемника на экране, причем о величине крутки судят по измеренной средней величине расстояния между соседними горизонтальными рядами максимумов в тонкой структуре при Фраунгоферовой дифракции, о четном или нечетном числе стренг судят по виду симметрии максимумов в соседних горизонтальных рядах, о величине диаметра нити - по величине среднего расстояния между соседними максимумами в горизонтальных рядах, а о скорости движения нити - по измеренной с помощью соответствующего фотоприемника средней величине частоты основной гармоники изменения интенсивности света в горизонтальных рядах максимумов. Изобретение повышает точность и расширяет возможности дифракционного метода. 3 ил.

Способ контроля физических параметров движущейся нити, заключающийся в том, что исследуемый участок нити, расположенный вертикально, освещают когерентным параллельным пучком монохроматического света перпендикулярно оси нити и наблюдают дифракционную картину на экране, расположенном за освещаемым участком нити, о параметрах нити судят по дифракционной картине, наблюдаемой визуально, или с помощью фотоприемника на экране, отличающийся тем, что дифракционную картину получают в виде малоугловой Фраунгоферовой дифракционной картины, в которой на основании анализа ее тонкой структуры судят о параметрах нити, причем о величине крутки нити судят по измеренной средней величине расстояния между соседними горизонтальными рядами максимумов на этом экране ΔY, о четном или нечетном числе стренг, из которых скручена контролируемая нить, судят соответственно по асимметричному или симметричному расположению максимумов в соседних горизонтальных рядах, о величине диаметра нити d судят по измеренной величине среднего расстояния между соседними максимумами или минимумами в горизонтальных рядах ΔX, соответствующих ненулевому порядку в спектре, известным значениям расстояния от нити до экрана L и длины волны света λ и вычисляют по формуле , а о величине скорости движения нити V судят по измеренной с помощью соответствующего фотоприемника средней величине частоты основной гармоники изменения интенсивности света в горизонтальных рядах максимумов ν и измеренным значениям ΔY и вычисляют по формуле V = ν•ΔY.