СПОСОБ КОНТРОЛЯ АНИЗОТРОПИИ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЛОКОН В СТРУКТУРЕ ПЛОСКОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF CONTROLLING ANISOTROPY OF ANGULAR DISTRIBUTION OF FIBRES IN STRUCTURE OF FLAT FIBROUS MATERIAL

Изобретение относится к способам контроля анизотропии углового распределения волокон в плоских волокнистых материалах и связанных с этим распределением технологических параметров и может быть использовано при решении вопросов повышения качества таких материалов и контроля качества работы производящего оборудования.
II
┴
II
Известен способ (Патент РФ №1723503, МКИ5 G01N 21/55. Способ контроля оптической анизотропии светорассеяния плоских волокнистых материалов и устройство для его осуществления / П.Г.Шляхтенко, О.М.Суриков, С.К.Калличаран, опубл. 30.03.92, БИ №12) для контроля анизотропии ориентации волокон, например, в бумаге и полуфабрикатов прядильного производства, заключающийся в том, что исследуемый материал освещают плоскополяризованным параллельным пучком нормально к его поверхности так, что плоскость колебаний светового вектора Е в световом пучке совпадает с направлением протяжки материала и измеряют световые потоки Фи Ф, рассеянные материалом в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку, один из которых (Ф) располагают в плоскости, совпадающей с направлением протяжки материала. Об анизотропии углового распределения волокон в материале судят по коэффициенту оптической анизотропии, вычисляемого по формуле
где χ - коэффициент оптической изотропии.
II
⊥
Способ позволяет контролировать анизотропию углового распределения волокон в непропускающих свет материалах, но имеет недостатки, к которым можно отнести то обстоятельство, что одинаковые волокна, ориентированные в направлении протяжки и в перпендикулярном направлении, находятся в различных по отношению к направлению падения светового вектора Е (напряженность электрического поля в плоскополяризованной световой волне) условиях, а поэтому дают различный вклад в светорассеяние, контролируемое фотоприемниками. Это приводит к тому, что контролируемая величина коэффициента оптической изотропии χ, равного отношению измеренных световых потоков Ф/Ф. получается всегда меньше единицы, а рассчитываемый коэффициент оптической анизотропии η=(1-χ)>0, даже в случае изотропного материала. Рассматриваемый способ не позволяет судить по измеренным фотоприемниками сигналам о форме угловой диаграммы светорассеяния исследуемого материала, если она отличается от эллиптической.
1
2
2
1
В работе (П.Г.Шляхтенко, Ю.Н.Ветрова, Н.Н.Труевцев, М.С.Брад-шоу, Р.Д.Харвуд. Новый метод и устройство для контроля углового распределения волокон в плоских волокносодержащих материалах // Текстильная промышленность - 1999. - №9/10. - С.25-28) описан способ быстрого получения угловой диаграммы обратного светорассеяния, заключающийся в том, что плоскополяризованный свет He-Ne лазера параллельным пучком освещает исследуемый материал перпендикулярно его поверхности. Свет, рассеянный в обратном направлении, освещает светорассеивающий и светопропускающий экран (молочное стекло), изображение с которого передается с помощью камеры машинного видения на компьютер с последующим построением угловой зависимости средней интенсивности света в кольце с радиусами R и R(R>R), центр которого совмещен с центром анализируемой картины.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что по полученным экспериментальным функциям можно только качественно судить о функции углового распределения волокон в исследуемом материале, т.к. вид угловых диаграмм светорассеяния в этом методе зависит от толщины и оптических свойств исследуемых материалов. Дополнительным недостатком метода является трудность определения геометрического центра вводимого в компьютер изображения.
Общим недостатком описанных выше аналогов является то, что величина измеряемых этими методами параметров зависит от оптических свойств исследуемого материала и входящих в него волокон,
Наиболее близким к предлагаемому является способ (Патент РФ №2164679, МКИ7 G01N 21/89. Способ контроля структурных геометрических параметров тканых материалов / П.Г.Шляхтенко, Н.Н.Труевцев, опубл. 27.03.2001, БИ №9), предложенный для неразрушающего дифракционного контроля структурных параметров непрозрачных текстильных материалов с периодической структурой расположения нитей, заключающийся в том, что изображение поверхности исследуемого материала на прозрачной основе освещают параллельным пучком света перпендикулярно его поверхности и анализируют распределение прошедшего сквозь это изображение светового потока в соответствующей фраунгоферовой дифракционной картине. О величине структурных параметров исследуемого материала, например плотности ткани по уточным и основным нитям, судят по симметрии и взаимному расположению основных максимумов в дифракционной картине, полученной от изображения исследуемого материала на прозрачной основе, которые рассчитывают по предложенным в этом патенте формулам.
Указанный метод пригоден для нахождения периодических параметров в структуре тканых материалов, но не дает возможности контроля анизотропии углового распределения волокон в структуре волокносодержащих материалов типа бумаги, полуфабрикатов прядильного производства и тому подобных волокнистых материалов, отличающихся хаотическим распределением волокон в материале.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является нахождение из фраунгоферовой дифракционной картины, наблюдающейся от изображения поверхности исследуемого материала на прозрачной подложке, по предлагаемому решению искомой функции углового распределения волокон для материалов, имеющих хаотическое распределение волокон в геометрической структуре, независимо от ее оптических свойств, толщины и физической природы входящих в материал волокон.
1
2
2
1
Поставленная задача достигается тем, что изображение поверхности исследуемого материала на прозрачной основе освещают параллельным пучком света перпендикулярно его поверхности и анализируют распределение прошедшего сквозь это изображение светового потока в соответствующей фраунгоферовой дифракционной картине, предлагаемый способ отличается тем, что измеряют угловую зависимость светового потока в дифракционной картине, попадающего в кольцо с радиусами R, R{R>R), центр которого совпадает с центральным максимумом дифракционной картины, и по этой зависимости судят о анизотропии углового распределения волокон в исследуемом материале.
Существенными отличиями заявляемого решения являются:
1
2
2
1
1. В заявляемом решении измеряют угловую зависимость светового потока в дифракционной фраунгоферовой картине, полученной от изображения поверхности исследуемого волокносодержащего материала на прозрачной подложке, попадающего в кольцо с радиусами R, R(R>R), центр которого совпадает с центральным максимумом дифракционной картины.
В прототипе измеряют среднее расстояние между горизонтальными и вертикальными соседними рядами основных максимумов в дифракционной фраунгоферовой картине, наблюдаемой от изображения поверхности исследуемой ткани на прозрачной подложке, и по приведенным формулам вычисляют искомые значения периодических параметров исследуемой ткани.
Изображение поверхности исследуемого материала, полученное методом ксерокопирования на прозрачную основу, содержит изображения только приповерхностных волокон в исследуемом материале, что делает заявляемый метод не зависящим от толщины волокнистого материала.
Дифракционная картина Фраунгофера от этого изображения зависит только от геометрических свойств освещаемой структуры, содержащей прозрачные и не прозрачные промежутки, но не от оптических свойств и природы изображений волокон.
Следует отметить, что новой является сама попытка исследования углового распределения волокон в материале по дифракционной картине, наблюдаемой от изображения поверхности исследуемого материала.
2. Новой является выявленная связь между измеренной по заявляемому решению угловой зависимостью светового потока в фраунгоферовой дифракционной картине и функцией углового распределения волокон в исследуемом материале, по виду которой судят об анизотропии углового распределения волокон в исследуемом материале.
1
2
На фиг.1 показано расположение кольца с радиусами R и R относительно наблюдаемой дифракционной картины, полученной от микроизображения на прозрачной основе исследуемого волокносодержащего материала, имеющего хаотическое распределение волокон в его структуре, в котором производится угловой анализ этой картины, схематично поясняющее предлагаемый способ.
В центре фраунгоферовой дифракционной картины всегда находится дифракционный максимум максимальной интенсивности, поэтому центровка кольца не представляет затруднений.
В соответствии с заявляемым решением снимается экспериментальная угловая зависимость светового потока, попадающего в сектор кольца с углом Δφ и площадью ΔS, от угла φ, т.е. зависимость Ф(φ).
Известно, см., например, работу П.Г.Шляхтенко. Исследование фраунгоферовой дифракции на движущейся крученой нити // Оптический журнал. - 2001. - Т. 68. - №10. - С.17-23, что максимумы дифракционной картины Фраунгофера от одного волокна (или его изображения) всегда располагаются вдоль линии, перпендикулярной образующей волокна.
Известно (смотри, например, работу М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. - 1973. - С.368), что при освещении ансамбля хаотически распределенных частиц одинаковой формы наблюдаемая дифракционная картина будет тождественна картине от одной частицы, но интенсивность ее в каждой точке картины будет в N раз больше.
Поэтому следует ожидать, что в случае хаотического взаимного расположения одинаковых волокон, параллельных друг другу, эта дифракционная картина будет тождественна картине от одного волокна, но интенсивность будет пропорциональна числу освещаемых волокон.
При хаотической и изотропной ориентации волокон в исследуемом материале рассчитываемая по заявляемому решению зависимость Ф{φ) должна быть окружностью, центр которой совпадает с центром дифракционной картины.
В случае же наличия преимущественной ориентации волокон в исследуемом по заявляемому решению материале вдоль какого-либо направления последнее должно приводить к большим значениям рассчитываемых значений Ф для значений углов, отличающихся от этого направления на ±π/2, т.е. иметь вид, представленный на фиг.2.
При этом измеряемое по заявляемому решению значение Ф{φ) для каждого угла Δφ пропорционально числу волокон ΔN, ориентация которых находится в диапазоне Δφ от (φ±π/2-Δ(φ/2) до {φ±π/2+Δφ/2).
II
Зависимость Ф{φ)~ΔN~ΔN/Δφ при достаточной малости угла Δφ можно считать хорошим приближением к истинному виду контролируемой функции углового распределения волокон в исследуемом материале ΔN/Δφ, когда преимущественная ориентация волокон («машинное направление») соответствует направлению оси ординат (Ф на фиг.2).
На фиг.3 показана нормированная по максимальному значению зависимость ΔN/Δφ, построенная в декартовой системе координат по данным фиг.2.
Выше мы привели известные данные, из которых мы исходили при написании формулы изобретения, поясняющие суть, новизну и физические основы заявляемого решения.
Заявляемый метод контроля углового распределения волокон в материале по дифракционной картине, полученной от изображения поверхности материала на прозрачной основе, является по всем рассмотренным в отличительной части формулы изобретения позициям методом новым, который нигде нами или кем-то другим ранее никогда не был описан.
Работоспособность предлагаемого способа была проверена на установке, блок-схема которой изображена на фиг.4, где 1 - He-Ne лазер, 2 - длиннофокусный объектив, 3 - исследуемый объект, 4 - экран, 5 - камера машинного видения, 6 - персональный компьютер, 7 - принтер.
Свет от источника 1 через длиннофокусный объектив 2 освещает исследуемый объект 3 и фокусируется на экране 4, установленном перпендикулярно оптической оси. Камера машинного видения 5 переносит изображение наблюдаемой дифракционной картины на экране в компьютер 6, которое может быть распечатано на принтере 7.
Исследуемыми объектами служили микроизображения поверхности хлопковой ленты со второго перехода ленточной машины - фиг.5-а, хлопкового прочеса - фиг.5-6 и бумаги для принтера - фиг.5-в, полученные методом ксерокопирования на прозрачную подложку.
1
2
На фиг.6 слева показаны дифракционные картины от указанных на фиг.5 материалов (фиг.6-а, б, с), на которых указаны параметры радиусов R и R. Справа показаны рассчитанные по заявляемому методу угловые диаграммы дифракционного светорассеяния Ф(φ) световых потоков в одинаковых угловых секторах Δφ=5° через 5° в диапазоне изменения φ от 0 до 360°.
Величина прямой, проведенной из центра диаграммы, и ее направление соответственно пропорциональна величине Ф(φ) и направлению угла φ. Если соединить внешние концы прямых, то получим угловые диаграммы для исследованных материалов, качественно подобных представленным на фиг.2.
Из данных фиг.6 видно, что полученные зависимости Ф(φ) указывают на то, что анизотропия дифракционного светорассеяния максимальна для хлопковой ленты (фиг.6-а), меньше для хлопкового прочеса (фиг.6-б) и еще меньше для бумаги (фиг.6-в).
Из данных фиг.6 видно также, что направление преимущественной ориентации волокон в хлопковой ленте (перпендикулярное направлению максимального значения Ф в зависимости Ф(φ)) смещено относительно вертикального направления (фиг.6-а). На фиг.6-б оно приблизительно совпадает с вертикалью, а на фиг.6-в оно находится ближе к горизонтальному направлению, хотя и несколько смещено.
II
┴
В таблице приведены результаты сравнительных вычислений коэффициентов изотропии χ и анизотропии η, рассчитанных с использованием формулы  по данным, полученным аналоговым методом (Патент РФ №1723503, МКИ5 G01N 21/55. Способ контроля оптической анизотропии светорассеяния плоских волокнистых материалов и устройство для его осуществления / П.Г.Шляхтенко, О.М.Суриков, С.К.Калличаран, опубл. 30.03.92, БИ №12) на натуральных образцах материалов, и данным, полученным на микроизображениях поверхности тех же образцов материалов (фиг.5) заявляемым методом при обработке угловых диаграмм дифракционного светорассеяния, приведенных на фиг.6. В последнем случае по данным фиг.6 измерялось отношение величин Ф к Ф в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, как это показано на фиг.2.
Метод аналога
Заявляемый метод
χ
η=1-χ
χ
η=1-χ
Хлопковая лента
0,83
0,17
0,04
0,96
Хлопковый прочес
0,76
0,24
0,14
0,86
Бумага для принтера
0,98
0,02
0,62
0,38
Известно, что степень ориентации волокон относительно машинного направления протяжки материала при его изготовлении максимальна для хлопковой ленты, снятой со второго перехода ленточной машины, меньше для хлопкового прочеса и значительно меньше для принтерной бумаги.
Это означает, что правильно измеренный коэффициент анизотропии η для этих материалов должен соответственно уменьшаться, а коэффициент изотропии χ - возрастать.
Измерения, проведенные аналоговым методом, соответствуют этой тенденции для ленты и бумаги, но не соответствуют в случае прочеса, для которого измеренный коэффициент анизотропии (0,24) получается больше, чем для хлопковой ленты, что не соответствует действительной тенденции.
Это несоответствие мы объясняем зависимостью анизотропии светорассеяния от толщины исследуемого волокнистого материала (измеренные значения оптического коэффициента анизотропии по аналоговому методу уменьшаются с ростом толщины). Бумага и лента имеют толщину, значительно превышающую толщину входящих волокон, а следовательно, это уменьшение должно сказываться на результатах измерений по аналоговому методу для этих объектов значительно сильнее, чем для прочеса, оптическая толщина которого определяется в основном диаметром входящих в прочес волокон.
Измерения коэффициентов анизотропии и изотропии, проведенные по заявляемому методу, как видно из данных таблицы, более правильно описывают реальность. Для последовательности хлопковая лента, хлопковый прочес, принтерная бумага получается возрастающий ряд значений для коэффициента изотропии (0,04; 0,14; 0,62) и нисходящий для коэффициента анизотропии (0,96; 0,86; 0,38).
Представленные результаты свидетельствуют о работоспособности заявляемого метода и его полезности для правильного контроля углового распределения волокон в плоских волокнистых материалах.