СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТКАННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2001 года по МПК G01N21/89 

Изобретение относится к оптическим дифракционным методам неразрушающего контроля структурных геометрических периодических параметров непрозрачных тканых полотен любой природы, а также может найти применение при контроле любых пропускающих свет или не пропускающих свет плоских текстильных полотен, которые недоступны для непосредственного дифракционного анализа, но доступны для фотографирования, например музейные тканые образцы. Предлагаемый способ может найти применение также при контроле слоистости древесных панелей и параметров поверхностной периодической геометрической структуры различных композитных материалов.

Существует стандартный способ измерения структурных геометрических параметров текстильных полотен (ГОСТ 3812-72), описанный в [1] (Г.Н. Кукин и др. Лабораторный практикум по текстильному материаловедению. М., 1974, 260 с.) и [2] (учебное пособие для средних профессионально-технических училищ Т. С. Грановский, А. П. Мшвениерадзе. Строение и анализ тканей. М.: Легпромбытиздат, 1988, с. 77-78). Метод заключается в подсчете с помощью препоравальной иглы и специальной лупы числа уточных нитей и нитей основы, выступающих на границах прямоугольника, вырезанного из исследуемой ткани в направлении нитей основы. Оценка величины "плотности по утку" и "плотности по основе" дается в числе соответствующих нитей, приходящихся на 1 дм длины соответствующей стороны прямоугольника.

К основным недостаткам этого метода относятся его субъективность и трудоемкость (большое время на измерение). Метод является разрушающим.

Для быстрой оценки геометрических структурных параметров ткани в исследовательской лаборатории иногда пользуются измерениями под микроскопом. Недостатки этого метода те же, что у предыдущего.

Наиболее близким к предлагаемому является стандартный дифракционный способ анализа, использованный в [3] (М.И.Сухарев, Л.И.Раздвильчук и др. Оптический анализ структуры ткани. Изв. вузов, ТТП, 1978, N 5, с. 12-16) для анализа геометрической структуры текстильных полотен, заключающийся в том, что исследуемый образец участка материала освещают параллельным пучком монохроматического света с длиной волны λ перпендикулярно его поверхности и анализируют симметрию и взаимное расположение основных максимумов в Фраунгоферовой дифракционной картине, образуемой светом, прошедшим сквозь исследуемый материал, и наблюдаемой на экране, который установлен за образцом в фокальной плоскости объектива.

На этом экране наблюдается система максимумов, полученная при освещении необходимого статистического ансамбля нитей, по симметрии расположения которых и величине расстояний между соседними максимумами судят о величине периодов в геометрической структуре исследуемой ткани или о величинах "плотности по утку" и "плотности по основе", которые связаны с величинами соответствующих периодов обратной зависимостью.

К недостатку этого способа относится невозможность его использования для контроля не пропускающих свет материалов.

Целью настоящего изобретения является расширение возможностей дифракционного метода контроля этих параметров применительно к любым видам тканых полотен.

Поставленная задача достигается за счет того, что в качестве исследуемого образца, который освещают параллельным пучком монохроматического света с длиной волны λ, перпендикулярно его поверхности, используют негативное или позитивное фронтальное изображение исследуемого материала, полученное при прямом или обратном его освещении на любой прозрачной основе, например фотопленке, а о величине структурных параметров исследуемого материала судят по симметрии и взаимному расположению основных максимумов в дифракционной картине, полученной от изображения исследуемого материала на прозрачной основе, при этом о плотности по утку (P_у) судят по величине измеренного расстояния между, соседними рядами основных максимумов (ΔX), идущими в направлении уточных нитей в изображении исследуемой ткани, а о плотности по основе (P_о) судят по величине измеренного расстояния между соседними рядами основных максимумов (ΔY), идущими в направлении нитей основы в изображении, причем значения величин P_у, P_о рассчитывают по формулам:
P_y= KΔX/(Lλ);
P_o= KΔY/(Lλ),
где K - коэффициент увеличения изображения исследуемого материала, который равен отношению истинного размера исследуемого материала к размеру его фотоизображения на прозрачной основе,
L - расстояние от изображения исследуемого материала до экрана.

Существенными отличиями заявляемого решения являются:
1. В качестве образца используют негативное или позитивное фронтальное изображение исследуемого материала, полученное при прямом или обратном его освещении на любой прозрачной основе, например фотопленке, фотопластинке и т. п., т.е. вместо исследуемого материала по той же схеме, что и в прототипе исследуется его прозрачное изображение с известным коэффициентом увеличения.

Это решение является новым и позволяет анализировать поверхностную геометрическую структуру исследуемой ткани также и в том случае, когда она не является светопропускающим объектом, т. е. не содержит свободных для прохождения света промежутков между нитями. В этом случае анализируется на просвет изображение ткани, полученное на негативе или позитиве в отраженном свете, например, при обычной фотосъемке ткани в обратном свете.

Специфика плетения нитей в любой ткани такова, что практически при любом освещении на негативе, позитиве или слайде (цветном или черно-белом) всегда выделяется контрастный поверхностный рельеф, связанный с периодикой нитей основы и утка.

Эти периоды дифракционный метод, при освещении достаточного количества периодов N, автоматически выявляет в виде основных максимумов в дифракционной картине, расстояние между которыми (Δ) в Фраунгоферовом приближении для малоугловой дифракции связано с соответствующим периодом повторения изображения нитей на пленке (T) зависимостью типа Δ = λL/T.
Интенсивность максимумов (I_m) в дифракционной картине конечно зависит от вида съемки (I_m ≈ N²), но взаимные расположения основных, т.е. наиболее интенсивных максимумов на экране, при постоянных значениях длины волны используемого света λ и постоянных значениях параметров дифракционной установки и коэффициента K, от вида съемки, от цвета и типа изображения на пленке, как показали наши эксперименты, в пределах ошибки эксперимента не зависят.

Свидетельства в пользу такого вывода имеются в общей теории Фраунгоферовой малоугловой дифракции для периодических оптических структур в [4] (М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М: Наука, 1973, 345-380), хотя относятся к поведению основных минимумов, разделяющих основные максимумы при дифракции на периодическом объекте.

Предлагаемое в этом пункте решение позволяет проводить исследование структуры тканей, которые принципиально не могут быть использованы для непосредственного анализа, например музейные, которые можно фотографировать, но нельзя трогать, а тем более разрушать. Для предлагаемого анализа могут быть использованы также качественные фотографии тканей (их негативы, полученные при пересъемке фотографий).

2. О величине структурных параметров исследуемого материала судят по симметрии и взаимному расположению основных максимумов в дифракционной картине, полученной от изображения исследуемого материала на прозрачной основе, например ткани, о плотности по утку (P_у) судят по величине измеренного расстояния между соседними рядами основных максимумов (ΔX), идущими в направлении уточных нитей в дифракционном изображении исследуемой ткани на экране, а о плотности по основе (P_о) судят по величине измеренного расстояния между соседними рядами основных максимумов (ΔY), идущими в направлении нитей основы в дифракционном изображении исследуемой ткани на экране.

В статье [3] (М. И. Сухарев, Л.И.Раздвильчук и др. Оптический анализ структуры ткани. Изв. вузов, ТТП, 1978, N 5, с. 12-16.) были установлены полуэмпирические закономерности, связывающие расстояния между наблюдаемыми в дифракционной картине, полученной от натурных образцов ткани, максимумами (Δ_i) с действительными величинами периодов по утку и основе в исследуемой ткани (T_i), даваемые формулой
Δ_i= λL/T_i. (1)
Наши исследования подтверждают этот вывод.

Для более сложных тканей с полотняным переплетением, в которых существует периодическая изогнутость нитей в ткани, дифракционная картина является более сложной и содержит, кроме основных максимумов, неосновные, расположенные между основными, но меньшие по интенсивности, чем основные. Однако нами экспериментально показано, что и в этом случае, измеряя расстояния между взаимно перпендикулярными рядами основных максимумов в дифракционной картине, можно по тем же формулам рассчитать искомые периоды по утку и основе, а следовательно и технологические параметры плотности по утку и основе. В [5] (Л. И. Раздвильчук, Н.Г.Дружинин. Применение дифракционного метода для контроля перекоса уточных нитей. Изв. вузов, ТТП, 1990, N 2, с. 9-12.) подтверждается формула (1), а также показано, что перекос уточных нитей относительно основных автоматически приводит к тождественному перекосу рядов основных максимумов, соответствующих периоду повторения уточных нитей, относительно рядов максимумов, обусловленных периодом повторения нитей основы.

Новизна этой позиции в заявляемом решении состоит в том, что на основании симметрии и взаимного расположения основных максимумов дифракционной картины, полученной от изображения исследуемой ткани на прозрачной основе, а не самой ткани, предлагается судить о величине структурных параметров исследуемой ткани.

3. Значения величин P_у, P_о для любых частично пропускающих свет тканей или не пропускающих свет тканей с полотняным переплетением рассчитывают по формулам:
P_y= 0,1KΔX/(Lλ) дм^-1;
P_o= 0,1KΔY/(Lλ) дм^-1,
где K - коэффициент увеличения изображения исследуемого материала, который равен отношению истинного размера исследуемого материала к размеру его фотоизображения на прозрачной основе,
L - расстояние от изображения исследуемого материала до экрана.

Эти формулы являются новыми и учитывают в формулах, найденных ранее при исследованиях дифракции от реальных образцов ткани, отличия, связанные с тем, что в предлагаемом методе исследуются не сами образцы ткани, но их фотоизображения на прозрачной основе, а именно, отличия, вызванные тем, что коэффициент увеличения изображения исследуемого материала K в общем случае может быть не равен 1 и то обстоятельство, что при расчете величин P_у и P_о, обратных величинам значений соответствующих периодов T_у и T_о в формуле (1), в существующем ГОСТе на величины P_у и P_о используются внесистемные единицы измерения.

Естественно, что величины λ, L, ΔX и ΔY, содержащиеся в заявляемых расчетных формулах измеряются в системе СИ [м].

Наши эксперименты доказывают, что эти формулы могут быть с успехом применены для вычислений значений P_у и P_о для любых частично светопропускающих тканей с любым видом переплетений, т.к. периоды по утку и основе в негативе (позитиве) на прозрачной основе определяются периодом повторения, существующими в этом случае свободными промежутками между нитями утка и основы.

Для плотных, не пропускающих свет тканей с полотняным переплетением, наличие таких промежутков не обязательно, т. к. в поверхностном рельефе изображения ткани, полученном при фотосъемке "на отражение" периоды чередования интенсивности отраженного света всегда равны периодам нитей по утку и основе в изображении. Для таких тканей дифракционная картина, наблюдаемая по предлагаемому методу, достаточна проста и позволяет выделить систему основных максимумов, связанных с действительными периодами по утку и основе.

Следует отметить, что предлагаемый метод позволяет значительно уменьшить рабочие размеры устройства по способу, особенно при контроле достаточно больших периодов повторения геометрического рельефа в исследуемом объекте. Дело в том, что при работе с реальными образцами тканей наблюдаемая дифракционная картина относится к малоугловой дифракции. Поэтому, чтобы ее уверенно наблюдать и фиксировать, необходимо работать с объективами, имеющими фокусное расстояние 5-10 м. Предлагаемый метод позволяет проводить фотосъемку с увеличением значительно меньшим единицы. В этом случае, наблюдая дифракцию от значительно меньших изображений исследуемого материала при той же величине L, в 1/K раз увеличится угол наблюдения дифракционной картины на экране, что позволяет во столько же раз приблизить экран к изображению при том же линейном разрешении дифракционной картины на экране.

На фиг. 1 представлена блок-схема экспериментальной установки, собранной для проверки заявляемого способа.

Свет от маломощного He-Ne лазера 1 через телескопический объектив 2, фокусирующий свет на экране 3, освещает исследуемый объект 4, который устанавливается в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы, непосредственно за объективом. В экране для облегчения наблюдения и фиксации относительно слабых по интенсивности максимумов дифракционной картины проделано отверстие, пропускающее центральный, наиболее интенсивный максимум. Изображение дифракционной картины через камеру машинного видения 5 переносится с экрана 3 на дисплей персонального компьютера 6. Распечатка изображения производится на принтере 7.

Все представленные ниже изображения дифракционных картин были предварительно обработаны по стандартной программе, находящейся в памяти компьютера (инверсия и повышение контрастности изображения, удаление фона).

На фиг. 2 приведены полученные таким образом изображения дифракционных картин от тканой белой металлической сетки с простым полотняным переплетением нитей, использующейся в электронных осциллографических трубках, с одинаковыми периодами повторения нитей по утку и основе [T_у = T_о = (0,50 ±0,2) мм и диаметром нити D = (0,050 ± 0,005) мм, доверительная вероятность P = 0,9], которые измерялись под микроскопом. Измеренные стандартным методом [1] значения плотности по утку и основе для этого образца металлической ткани P_у = (190 ± 10) дм^-1; P_о = (210 ± 10) дм^-1, P = 0,9. Видно, что в пределах погрешности микроскопических измерений измеренные величины P_у и P_о совпадают со значением 1/T_о = 1/T_у, что естественно.

На фиг. 2a приведено компьютерное изображение дифракционной картины, полученной при использовании в качестве исследуемого объекта 4 натурного образца исследуемой сетки. На фиг. 2b, с приведены аналогичные изображения дифракционных картин от негатива фотоизображения этого же образца сетки, полученного при фронтальной ее фотосъемке "на просвет" (фиг. 2b), и от негатива того же участка сетки, полученного при фотосъемке "на отражение" (фиг. 2c). Как в этом случае, так и во всех последующих, фотосъемка исследуемых образцов производилась фронтально на черно-белую фотопленку с помощью фотоаппарата "Зенит 3-М" и переходного кольца с одинаковым коэффициентом увеличения K = 0,58. При этом при фотосъемке "на отражение" исследуемые образцы располагались на контрастной (черной) бумажной подложке.

Все параметры устройства на фиг. 1 во всех случаях были одинаковы (L = 6 м, λ = 0,63 мкм).

Из данных фиг. 2b и фиг. 2c видно, что расстояния между основными дифракционными максимумами, измеренные вдоль уточных нитей и нитей основы в этих дифракционных картинах идентичны. Отличия величины этих расстояний в этих картинах от соответствующих расстояний на фиг. 2a обусловлено величиной коэффициента увеличения K. Покажем это.

Ранее, в [3, 5], было установлено и в наших экспериментах подтверждено, что в пределах ошибки измерения расстояния между рядами основных максимумов в Фраунгоферовой дифракционной картине на экране Δ_i,н от натурного образца тканого полотна (фиг. 2a), соответствующих периоду T_i, где i = о, у (Δ_o,н= ΔX_н;Δ_у,н= ΔY_н) связаны формулой, вытекающей из (1):
T_i= Lλ/Δ_i,н. (2)
Тогда для плотности по основе (i = о) или утку (i = у) в этом случае имеем:
P_i= 1/T_i= Δ_i,н/(Lλ) (3)
Предлагаемая формула для расчета P_i по измеренным расстояниям между соответствующими рядами основных максимумов Δ_i в дифракционной картине (фиг. 2b, c), наблюдающейся при использовании в качестве образца фотоизображения исследуемой ткани,
P_i= KΔ_i/(Lλ). (4)
Из сравнения (3) и (4) видно, что при L, λ ⇒ const должно выполняться равенство:
KΔ_i= Δ_i,н. (5)
Действительно, умножив величины соответствующих расстояний в картинах фиг. 2b и c на величину K = 0,58, получим значения, соответствующие в пределах ошибки измерения данным на фиг. 2a, что свидетельствует о работоспособности заявляемого решения в этом случае. Отчетливо виден перекос нитей утка и основы, одинаковый для всех этих картин.

На фиг. 3a, b, c, d представлено семейство дифракционных изображений, полученных аналогичным образом и представленных на рисунке в уменьшенном в 1,5 раза масштабе (a - дифракционная картина от натурного образца тканой медной сетки с плетением типа "саржа" и параметрами: P_о = (160 ± 5) дм^-1, P_у = (240 ± 5) дм^-1, D = (0,24 ± 0,02) мм, P = 0,9; b - от негатива, полученного при съемке "на просвет"; c и d - от негативов, снятых "на отражение", но с противоположных сторон сетки.

Из данных фиг. 3 видно, что хотя симметрия картин на фиг. 3b, c и d отличается от картины на фиг. 3a, но все расстояния между максимумами вдоль основы и вдоль утка на картинах b, c и d совпадают, а после пересчета на коэффициент K совпадают в пределах ошибки измерения и с соответствующими расстояниями на фиг. 3a, что свидетельствует о правомочности заявляемого решения и в этих случаях.

Отличия в симметрии расположения максимумов на фиг. 3c и d обусловлены как тем, что в сарже в структуре поверхностного рельефа наблюдаются симметричные полосы, идущие примерно под 45^o к направлению нитей основы или утка и в противоположном направлении для различных сторон ткани [слева-направо и снизу-вверх (c) и справа-налево и снизу-вверх (d)], так и тем, что исследуемый образец сетки использовался на производстве в качестве сетки электрофлокатора бункера, сквозь которую протирался ворс, поэтому одна из сторон этой сетки является сильно изношенной (стертой), что отчетливо видно при визуальном наблюдении сетки. Поэтому дальнейшее сравнительное исследование различий в интенсивностях максимумов в дифракционных картинах c и d по предлагаемому методу открывает новые возможности для контроля степени изношенности подобных сетчатых структур.

На фиг. 4 представлены дифракционные картины для белого хлопкового полотна [P_о = (167 ± 4) дм^-1, P_у = (114 ± 5) дм^-1]. На фиг. 4a представлена дифракционная картина от натурного образца, на фиг. 4b - от негатива, снятого "на просвет", на фиг. 4c - от негатива, снятого " на отражение". Из этих данных следует, что с учетом коэффициента K обсуждаемые расстояния между основными дифракционными максимумами во всех картинах также совпадают.

На фиг. 5 представлена дифракционная картина от негатива, снятого ''на отражение'' от непрозрачного капронового полотна, в котором нити основы - белые, а утка - оранжевые [P_о = (400 ± 20) дм^-1, P_у = (200 ± 10) дм^-1, P = 0,9] , иллюстрирующая возможности предлагаемого метода применительно к непрозрачным объектам.

Вычисления, сделанные по формуле (4), при подстановке в нее измеренных по дифракционной картине на экране значений Δ_i и использованных в установке значений параметров λ и L дали значения P_о и P_у, совпадающие в пределах погрешности измерений этих величин (менее 10% при доверительной вероятности P = 0,9) с измеренными по методу [1] значениями P_i для исследованной ткани.

Изобретение относится к оптическим дифракционным методам неразрушающего контроля структурных геометрических периодических параметров непрозрачных тканых полотен любой природы, а также может найти применение при контроле любых пропускающих свет или не пропускающих свет плоских текстильных полотен, которые недоступны для непосредственного дифракционного анализа, но доступы для фотографирования, например музейные тканые образцы. Сущность изобретения заключается в том, что в качестве исследуемого образца, который освещают параллельным пучком монохроматического света с длиной волны λ, перпендикулярно его поверхности, используют негативное или позитивное фронтальное изображение исследуемого материала, полученное при прямом или обратном его освещении на любой прозрачной основе, например фотопленке, а о величене структурных параметров исследуемого материала судят по симметрии и взаимному расположению основных максимумов в дифракционной картине, полученной от изображения исследуемого материала на прозрачной основе, при этом о плотности по утку (P_y) судят по величине измеренного расстояния между соседними рядами основных максимумов (ΔX), идущими в направлении уточных нитей в изображении исследуемой ткани, а о плотности по основе (P_о) судят по величине измеренного расстояния между соседними рядами основных максимумов (ΔY), идущими в направлении нитей основы в изображении, причем значения величин P_y, P_o рассчитывают по формулам: P_y= KΔX/(Lλ);P_o= KΔY/(Lλ), где К - коэффициент увеличения изображения исследуемого материала, который равен отношению истинного размера исследуемого материала к размеру его фотоизображения на прозрачной основе, L - расстояние от изображения исследуемого материала до экрана. Техническим результатом является расширение возможностей дифракционного метода применительно к любым видам тканых полотен. 5 ил.

Способ контроля структурных геометрических параметров тканых материалов, заключающийся в том, что исследуемый образец освещают параллельным пучком монохроматического света с длиной волны λ перпендикулярно его поверхности и анализируют симметрию и взаимное расположение основных максимумов в Фраунгоферовой дифракционной картине, наблюдаемой на экране, который установлен за образцом в фокальной плоскости объектива, отличающийся тем, что в качестве образца используют негативное или позитивное фронтальное изображение исследуемого материала, полученное при прямом или обратном его освещении на любой прозрачной основе, например фотопленке, а о величине структурных параметров исследуемого материала судят по симметрии и взаимному расположению основных максимумов в дифракционной картине, полученной от изображения исследуемого материала на прозрачной основе, при этом о плотности по утку (Р_у) судят по величине измеренного расстояния между соседними рядами основных максимумов (ΔX), идущими в направлении уточных нитей в изображении исследуемой ткани, а о плотности по основе (Р_о) судят по величине измеренного расстояния между соседними рядами основных максимумов (ΔY), идущими в направлении нитей основы в изображении, причем значения величин Р_у, Р_о рассчитывают по формулам
P_y= 0,1KΔX/(Lλ)дм^-1;
P_o= 0,1KΔY/(Lλ)дм^-1,
где К - коэффициент увеличения изображения исследуемого материала, который равен отношению истинного размера исследуемого материала к размеру его фотоизображения на прозрачной основе;
L - расстояние от изображения исследуемого материала до экрана.