Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы по оптическим методам измерений применяемым в текстильном материаловедении . 13
1.1. Классификация оптических методов измерений. 13
1.2. Интерференционные и дифракционные методы. 15
1.3. Оптические методы, основанные на измерении рассеянного света. 25
1.4. Другие оптические методы. 31
1.5. Не оптические методы измерения, используемые в текстильном материаловедении . 33
1.6. Выводы и постановка задач. 36
Глава 2. Основные образцы, лабораторные установки, методики проведения измерений, алгоритмы . 39
2.1. Основные характеристики исследуемых материалов 39
2.2. Лабораторная установка и методика проведения дифракционных измерений
2.3. Лабораторные установки и методика применения метода индикатрис к тканям, трикотажным полотнам и светоотражающим материалам 53
2.4.Обработка результатов измерений. 56
2.5. Алгоритмы и программы обработки и моделирования дифракционных изображений. 57
Глава 3. Сравнительный анализ и усовершенствование существующих методов и методик измерения диаметра волокон и нитей . 63
3.1. Сравнительный анализ методов измерения поперечников волокон и нитей. 63
3.2. Методы измерения поперечников крученых нитей и внешних диаметров полых (трубчатых) мононитей . 80
3.3.Выводы и рекомендации. 82
Глава 4. Усовершенствование и исследование дифракционного метода измерения диаметра волокон и нитей 86
4.1 Дифракционная установка для измерения диаметров волокон и нитей, методика измерений, математические модели 79
4.2. Исследование возможности применения дифракционного метода для волокон больших диаметров. Определение верхней границы применимости дифракционного метода 96
4.3. Исследование влияние вытяжки и термообработки волокна на вид дифракционной картины. Разработка интерференционного метода исследования оптических свойств волокна. 107
4.4 Исследование дифракционного метода измерения диаметра для полых (трубчатых) волокон. 121
4.5. Выводы 224
4.6 Приложение. Оптические свойства прозрачных химических волокон и нитей. Анализ интерференционного метода исследования внутренней структуры мононитей. 226
Глава 5. Разработка и исследование дифракционного метода измерения крутки нитей 146
5.1. Оптические методы измерения крутки, лабораторная установка, математические модели 146
5.2 Математическая модель проекции поверхности нити и дифракционной картины от крученой нити
5.3. Сравнительный анализ дифракционного метода определения крутки нити. 177
5.4. Выводы.
5.5. Вывод уравнения ограничивающей проекцию линии
Глава 6. Разработка и исследование дифракционного метода измерения структурных характеристик тканей 193
6.1 Оптические методы измерения параметров строения и структуры ткани. 192
6.2. Ткань как периодическая система дифракционных отверстий. 197
6.3. Влияние коэффициента поверхностного заполнения на вид дифракционной картины для тканей 204
6.4. Дифракционная картина при наличии уточного перекоса. 221
6.5. Выводы. 226
Глава 7. Применение метода индикатрис к тканям, пластиковым светоотражающим материалам и трикотажным полотнам 229
7.1 Рассеяние света на тканях и светоотражающих материалах. 230
7.2. Применение метода индикатрис к трикотажным полотнам 244
7.3. Методика определения экспериментального закона распределения. 253
7.4. Выводы. 258
Глава 8. Обобщения и рекомендации.по применению разработанных и исследованных методов измерений 260
8.1. Методы измерения диаметров (поперечников) волокон и нитей. 260
8.2. Методы измерения распрямленности волокон 268
8.3. Методы измерения крутки 269
8.4. Методы определения пераметров строения и структуры тканей 270
8.5. Визуальные наблюдения 277
8.6. Общие рекомендации по применению оптических методов
Выводы
- Не оптические методы измерения, используемые в текстильном материаловедении
- Лабораторные установки и методика применения метода индикатрис к тканям, трикотажным полотнам и светоотражающим материалам
- Методы измерения поперечников крученых нитей и внешних диаметров полых (трубчатых) мононитей
- Исследование возможности применения дифракционного метода для волокон больших диаметров. Определение верхней границы применимости дифракционного метода
Введение к работе
Введение. Оптические методы измерений свойств текстильных материалов.
Оптические методы измерений в текстильном материаловедении входят в группу методов неразрушающего контроля, предусмотренных ГОСтом (ГОСТ 18353). В текстильном материаловедении оптическими методами измеряются: величины диаметров (поперечников) волокон и нитей, расположение структурных элементов текстиля (волокон, нитей), крутка, строение тканей и других текстильных материалов, геометрические и структурные параметры ткани, наличие дефектов и так далее.
Оптические методы измерений, как и любые другие, имеют свои достоинства и свои недостатки, накладывающие ограничения на область применимости методов [1, 7-9, 14]. К основным достоинствам, говорящим о существующих широких возможностях и перспективах применения методов на практике, следует отнести
• универсальность,
• высокую степень точности,
• дистанционность, и быстродействие (во всех приборах и устройствах, использующих оптические методы контроля, скорость измерения определяется не оптикой),
• относительную простоту применения, так как в качестве и источников и приемников света могут работать разные устройства от простых до очень сложных (например, простейшим приемником света является глаз, обладающий своими уникальными оптическими характеристиками [15 -18]). легкость автоматизации, позволяющую создать быстродействующие оптические системы контроля, в частности системы автоматической разбраковки, особенно при применении стандартизированных источников света - лазеров и приемников света в виде комплексов цифровая камера -компьютер [12,19-33], • экологическую чистоту.
Но, как уже было сказано, оптические методы не идеальны [14]. К основным недостаткам относятся: существующие ограничения на размеры измеряемых величин (минимальные теоретические предельные размеры различимых объектов есть половина длины волны источника света (правило Релея)), а также то, что в некоторых случаях восприятие света глазом может не совпадать с приборным: чувствительность глаза и прибора по-разному меняются при изменении длины и интенсивности световой волны, что затрудняет, например, инструментальный контроль качества тканей с точки зрения их внешнего вида [17,18].
Но, при применении на практике оптических методов измерений, возникают редко обсуждаемые принципиальные трудности другого характера, ограничивающие сферу применимости методов или порождающие грубые систематические ошибки при измерениях.
Практически при любых оптических измерениях необходимо для интерпретации и обработки результатов эксперимента строить теоретическую модель, описывающую физику процесса взаимодействия света с исследуемым объектом без чего невозможно разработать методику измерений. Но все теоретические построения физики оптических методов, связаны с очень непростым математическим аппаратом, приводящим к существенным трудностям при создании теории метода. Дело в том, что электромагнитное поле описывается уравнениями Максвелла, которые, при некоторых упрощениях, сводятся к волновому уравнению, причем коэффициенты уравнения теряют непрерывность на границе раздела двух сред. Точное решение волнового уравнения получено лишь в некоторых частных случаях и не всегда может быть использовано [13,34-39] (см. приложение 2). Существуют серьезные математические проблемы и при применении стандартных численных методов решения волнового уравнения, особенно вблизи границы раздела двух сред [36-40]. Это приводит к тому, что на практике в текстильном материаловедении часто используют эмпирические корреляционные зависимости, не позволяющие даже качественно использовать результаты, полученные на одном конкретном образце для других аналогичных, и выделить как общие оптические свойства, так и их вариацию у однотипных групп текстильных материалов. Например, применение к тканям с саржевым переплетением разработанного на основе корреляционных зависимостей для тканей полотняного переплетения дифракционного метода измерения структурных характеристик тканей, приводит к систематическим ошибкам.
Рассеянный свет содержит всю информацию о геометрии и оптических свойствах поверхности [41-44], что приводит к необходимости выделения "полезного сигнала" и определению соответствия между параметрами фиксируемой световой картины и измеряемыми характеристиками исследуемого текстильного материала, что тоже требует сложного математического анализа фиксируемой световой картины. Типичными примерами являются: влияние загрязнения поверхности ткани на характеристики отраженной световой волны или влияние ворсистости нитей основы и утка на вид дифрактограммы при дифракционном рассеянии. Именно поэтому при использовании оптических методов проще всего определять есть ли изменения в наблюдаемой картине или она неизменна, так как постоянство видимой картины есть, прежде всего, постоянство всех измеряемых характеристик. Кроме того, используемые сегодня в текстильном материаловедении методы в основном разрабатывались 30-50 лет назад на базе растительных волокон и шерсти и почти не претерпели изменений, хотя растительные и химические волокна и нити (особенно прозрачные волокна и нити) обладают разными оптическими свойствами и просто так без • исследования применять к ним методы, разработанные для растительных волокон и шерсти (например, метод микроскопии) нельзя.
Во многих случаях, например для дифракционных измерений поперечников волокон и нитей, распрямленности волокон, предлагаются многочисленные приборы и установки, но отсутствуют подробные методики измерений и не исследованы вопросы точности методов. В частности, при дифракционных измерениях на тканях разных видов переплетения не исследована возможность одновременного измерения целого ряда структурных характеристик. В тех случаях, когда применимы разные оптические и не оптические методы измерений, не проводится их сравнительный анализ, часто не обсуждаются точность и границы применимости методов.
Есть еще одна принципиальная, обычно не обсуждающаяся проблема, возникающая при обработке результатов измерений - это проблема границ изображения при больших увеличениях видимых картин. Четкость границы определяет точность измерений в ряде методов, например проекционном или при микроскопии, и особенно важна, если речь идет о контролирующих компьютерных системах и компьютерной обработке изображений.
Все вышесказанное говорит о том, что сама метрология оптических измерений в текстильном материаловедении недостаточно разработана, отсутствует системный анализ методов и методик и, следовательно, возможности оптических методов используются недостаточно. Цели и задачи работы. Настоящая работа посвящена анализу существующих и разработке новых методов и методик оптических измерений свойств различных текстильных материалов, теоретическому и экспериментальному исследованию, усовершенствованию и обобщению существующих методов и методик оптических измерений, сравнительному анализу оптических и неоптических методов измерений одних и тех же свойств текстильных материалов.
Основными целями работы являются:
• разработка новых комплексных дифракционных методов и методик измерений свойств текстильных материалов, особенно для тех случаев, когда не дифракционные измерения недостаточно точны или трудоемки,
• исследование возможности дифракционных измерений при движении крученой нити или ткани,
• усовершенствование существующих оптических и неоптических методов и методик измерения поперечников волокон и нитей, разработка рекомендаций по применению методов, разработка ранее не использовавшихся комбинаций методов измерений, позволяющая применять методы к различным объектам,
• исследование точности и сравнительный анализ разных оптических и не оптических методов и методик измерений одних и тех же характеристик текстильных материалов, определение источников систематических ошибок и возможностей их устранения, определение границ применимости исследуемых методов, в особенности дифракционных методов, методов микроскопии и микрометрии, разработка рекомендаций по оптимальному применению методов,
• сравнительный анализ индикатрис рассеяния от тканей и светоотражающих материалов для определения оптимальных по оптическим свойствам и разработки рекомендаций по использованию на практике тканей и светоотражающих материалов при изготовлении спецодежды,
• разработка основных положений теории ряда оптических методов измерений применительно к текстильным материалам, особенно дифракционных методов и метода индикатрис, построение и исследование созданных математических моделей протекающих физических процессов для создания удобных в работе аналитических зависимостей между характеристиками исследуемого образца и параметрами измеряемого светового сигнала, позволяющих разрабатывать методики измерений,
• разработка алгоритмов обработки и моделирования дифракционных изображений и создание на их основе моделирующих и обрабатывающих изображение программ, определение точности математических моделей.
Не оптические методы измерения, используемые в текстильном материаловедении
Построения индикатрис рассеяния и определение коэффициентов отражения, пропускания и поглощения для световой волны и из зависимости от угла падения, длины волны и т.д., были проведены на неокрашенных тканях из хлопчатобумажных, искусственных, синтетических волокон и натурального шелка [111-113]. Авторами определено в каких случаях надо-измерять прошедший световой поток, а в каких - рассеянный и показано, что максимальное значение коэффициента отражения приходится на сине-фиолетовую часть спектра (длины волн 388-480 нм, см. формулу (1.4)), а для остальной части спектра зависимость от длины волны практически отсутствует. Аналогичные измерения проводились и для инфракрасной области электромагнитных волн, коэффициенты отражения больше в видимой части спектра и уменьшаются при переходе к инфракрасной части [114].
Исследовалось влияние температуры на процессы отражения и поглощения света тканями [115]. Было установлено, что по изменению коэффициента отражения можно определить наличие необратимых температурных изменений структуры.
В свое время наиболее полной и систематизированной работой по исследованию метода измерения индикатрис рассеяния света была докторская диссертация В.В .Яковлева [116]. Автором измерялись полные индикатрисы рассеяния для тканей из сырья разного химического состава [116,117]. Методика измерений была разработана так, что измерялись усредненные индикатрисы рассеяния отдельно от нитей утка и от нитей основы. Было установлено, что законы отражения от блестящих триацетатных нитей и от текстурированных капроновых существенно отличались: в первом случае приближенно выполнялся закон зеркального отражении от поверхности нити, а во втором - закон диффузного рассеянии (закон Ламберта). Было выявлено влияние крутки на индикатрису рассеяния. Увеличение крутки приводило к тому, что характер отражения становиться более диффузным. Автором делается вывод, что по индикатрисам рассеяния можно судить о строении тканей. В работе по существу присутствует не сформулированная точно мысль о том, что можно отделить закон отражения от волокна (нити) от закономерности расположения самих нитей, т.е., что закон отражения от ткани мультипликативен и имеет две различные составляющие.
Изменение закона отражения света от тканей позволяет менять их потребительские свойства. В некоторых случаях нежелательна излишняя гладкость поверхности, приводящая к блеску, или же требуется добиться определенного блеска поверхности [118]. Изменение блеска поверхности ткани означает изменение закона отражения от ткани. Известны два предельных закона отражения света от поверхности:
Зеркальное отражение от гладкой поверхности, когда при смещении вдоль поверхности на расстояние примерно равное длине волны падающего света X, радиус кривизны поверхности R меняется на величину много меньшую X,
Диффузное отражение от шероховатой поверхности, когда размеры неоднородностей порядка длины волны.
Изменяя форму поверхности, нанося на нее специальный периодический рельеф или делая ее шероховатой за счет прессующей поверхности, можно сдвинуть закон отражения в желательную «зеркальную» или «диффузную» сторону. Точное измерение шероховатости поверхности можно проводить только оптическими методами [119,120].
Метод измерения интенсивности отраженного света применялся и для определения гигиенических свойств тканей [107]. В основу был положен тот фактА что при многократных стирках тканей они теряют свои гигиенические и, как следствие, оптические свойства из-за присутствия остаточного загрязнения. Метод применялся к светлым тканям. С нашей точки зрения при модификации метод можно использовать и для темных тканей. Метод построения индикатрис рассеяния использовался для исследования трикотажа, хотя на самом деле нет никаких принципиальных отличий в применении оптических измерений к тканям или к трикотажу -здесь тоже закон отражения света от исследуемого объекта имеет две компоненты - закон отражения от одного волокна и форма петли. Точно также должно существовать оптимальное пятно засветки и т. д.
Существует метод контроля крутки нити по величине оптической изотропии обратного светорассеяния [121,122]. То, что авторы смогли провести измерения на одной нити, связано с использованием мощного источника света и чувствительного приемника. Метод работает если выполнено приближение геометрической оптики для обратного светорассеяния. Подробные исследования точности метода и возможности его применения на практике авторами не проводились.
Спецификой метода индикатрис является то, что практически не проводилось моделирование процесса рассеяния света текстильными материалами, перечисленные работы носят, в основном, экспериментальный характер, что сужает сферу применимости метода. Скажем несколько слов о возможности моделирования в методе индикатрис и связанных с этим новых возможностях его применения.
Исходно механизм диффузного отражения тот же, что и для зеркального - имеет место рэлеевское несмещенное когерентное рассеяние света. Различие заключается в сложении первичной волны и вторичных волн, отраженных от поверхности. Общая теория диффузного рассеяния весьма сложна, но, в первом приближении, отраженное поле рассчитывается как совокупность волн, зеркально отраженных от плоских (или малой кривизны) элементарных площадок, размер форма и ориентация которых задаются некоторым законом распределения [123-130]. Метод такого расчета называется «метод касательной плоскости Кирхгофа». Кроме метода Кирхгофа существует еще метод возмущений, предполагающий наличие достаточно точной информации о поверхности, от которой происходит отражение, что зачастую просто невыполнимо. 1.3.4. Теневой метод.
Лабораторные установки и методика применения метода индикатрис к тканям, трикотажным полотнам и светоотражающим материалам
Зафиксированные на пленке или выведенные на экран монитора дифракционные картины от тканей и крученых нитей могут быть обработаны вручную, но процесс обработки одной дифракционной картины занимает много времени и содержит однотипные процедуры. Для ускорения процесса обработки была разработана и применена на практике «Программа, предназначенная для обработки дифракционных картин полученных от крученых нитей и тканей» [160]. Программа выполняет обработку оцифрованных двумерных дифракционных картин, полученных при освещении тканей и крученых нитей светом лазера.
Дифракционные картины от тканей представляют собой системы расположенных на темном фоне светлых кругов или эллипсов разного диаметра, центры которых находятся на горизонтальных и наклонных (в том числе, вертикальных) прямых. Программа определяет уравнение каждой прямой, среднее расстояние между параллельными прямыми и угол между наклонными и горизонтальными прямыми. По расстоянию между горизонтальными прямыми определяется среднее расстояние между нитями основы, а по расстоянию между вертикальными прямыми -среднее расстояние между нитями утка. По углу между наклонными и горизонтальными прямыми находится уточный перекос.
Дифракционные картины от крученых нитей представляют собой систему горизонтальных полос. Программа определяет среднее расстояние между полосами. Дифракционные картины от одной спирали или от винтообразной фигуры или от одного перекрестия крученой нити представляют собой «х»-образные фигуры, образованные отдельными светлыми горизонтальными полосами или кругами или эллипсами, оси которых расположены горизонтально. Программа определяет угол между составляющими звеньями «х»-образной фигуры и по нему находит угол кручения. Использовался следующий алгоритм обработки изображения: первоначальное изображение пропускалось через фильтр, убиравший помехи, возникшие при оцифровке изображения (случайные черные или светлые точки вне связи с окружением), изображение разбивалось на квадраты, и в каждом квадрате убирались точки с яркостью, меньше пороговой, изображение обрабатывалось так, что все оставшиеся точки имели примерно одинаковую яркость, то есть увеличивалась яркость пограничных точек в изображении и уменьшалась яркость внутренних точек каждого светового пятна, изображение становилось контрастным, границы резкими и четкими, каждое световое пятно вписывалось в покрывающую его полностью окружность, точки, не попавшие в одну из окружностей, из рассмотрения исключались, центр каждого светового пятна находился по методу наименьших квадратов, также находился центр пятна засветки, по методу наименьших квадратов определялись уравнения прямых, на которых лежали центры световых пятен, определялись средние расстояния между прямыми, углы наклона прямых и углы между ними. Теоретическое описание дифракции света на крученых нитях и тканях можно проводить только в том случае, если сделаны достаточно сильные упрощения в описании рассеяния света образцом (см. приложение 3). Но даже в этом случае, при использовании интегралов Френеля -Кирхгофа или Фраунгофера необходимо проводить численные расчеты распределения интенсивности света на экране наблюдения и по ним проверять адекватность модели. Конечно, можно было не делать упрощений, а проводить просто расчеты интенсивности электромагнитной волны в каждой точке экрана наблюдения для конкретного объекта используя теоретический аппарат электродинамики сплошных сред, а не теоретической оптики и потом сравнивать результат с реальным видимым распределением интенсивности на экране наблюдения. Как показано в приложении 3, аналитических решений подобных задач не существует, при проведении расчетов требуется разработка специальных программ, причем зачастую новых для каждого конкретного случая. Кроме того, при этом методе трудно интерпретировать полученные результаты и сравнение реальной картины и расчетной требует много времени. Небольшое изменение параметров, например, увеличение точности расчетов, означает, что надо заново проводить все вычисления. Недостатком является и то, что трудно без длинных вычислений отбрасывать явно не подходящие варианты. Использование методов теоретической оптики позволяет обойтись более простым математическим аппаратом - интегралами Френеля или Фраунгофера. При этом возникают следующие трудности, не позволяющие пользоваться аналитическими методами или стандартными программами: Видимая на плоскости (экране) наблюдения в точке Р с координатами х,у картина распределения интенсивности световой волны определяется функцией I ( Р ) = I (х,у) (см. приложение 2). Функция конкретно вычисляется для каждого объекта исследования или по интегралу Фраунгофера или по интегралу Френеля - Кирхгофа.
Методы измерения поперечников крученых нитей и внешних диаметров полых (трубчатых) мононитей
Для измерения поперечников крученых нитей в [3] предлагается использовать микрометр. Действительно, наши исследования показывают, что для измерения диаметров плотных крученых нитей с поперечником более 0.5 мм можно использовать микрометр имеющий прижимное усилие 4 н и диаметр площадки 8 мм, если нить предварительно закреплена горизонтально.
Для тонких или менее плотных нитей там же предлагается для уменьшения давления одновременно располагать на измерительной площадке несколько нитей, причем их число берется таким, чтобы результаты измерения микрометром и микроскопом совпадают. Наши измерения показывают, что величины диаметров, измеренные микрометром, всегда меньше измеренных методом микроскопии. Кроме того, дополнительные нити располагаются по краям измерительной площадки, и, если они не закреплены заранее горизонтально, то перегибаются, что приводит тоже к систематической ошибке завышающей значения диаметра. Этот эффект наблюдался для микрометра с диаметром площадки 6 мм (см. таблицу 9). Для уменьшения удельного давления на волокно можно рекомендовать микрометр с максимальным диаметром площадки 10 мм и предварительно закреплять волокна горизонтально, возможно с небольшим натяжением.
Не исследованными остаются методики измерения суммарного поперечника у комплексных нитей, хотя ряд проблем, характерных для моноволокон, у комплексных нитей отсутствуют. В частности, нет проблемы изогнутости жесткой нити, затрудняющей микрометрические, микроскопические и дифракционные измерения. Перед измерениями комплексную нить необходимо зажать в специальном устройстве, предварительно натянув с определенным, заранее оговоренным усилием, причем, с нашей точки зрения величина натяжения при разных типах нитей требует отдельного изучения и должна быть стандартизирована.
Измерение внешних диаметров полых волокон можно проводить методам микроскопии, теневым и дифракционным методами. Исследование применимости дифракционного метода для измерения диаметров трубчатых волокон проведено в главе 4.
Проблема измерения внутренних диаметров трубчатых волокон и поперечников сердцевин у слоистых волокон не вполне относится к области текстильного материаловедения, но так как эта проблема решается именно оптическими методами, то перечислим возможные варианты ее решения [69]. Измерения проводятся по анализу диаграмм рассеяния света, причем изучается и рассеяние вперед и рассеяние назад; по степени фокусировке световой волны; по анализу интерференционных или дифракционных картин.
Если известен внешний диаметр, то расчетный метод для неокрашенных волокон дает оценку среднего внутреннего диаметра. Сводные таблицы значений диаметров волокон и нитей измеренные перечисленными выше методами, кроме метода плотной намотки, приведены в таблицах 1113. 13. В таблице ІЗа.обобщеньї все сведения по точности и границам применимости методов измерения диаметров, исследованных в этой главе [171,172]. Кроме того, ряд рекомендаций будет дан в главе 8. Цилиндрические неокрашенные мононити. Данные, приведенные в таблицах, говорят о том, что для мононитей до величин диаметра 0.7 мм исследованные методы дают значения диаметра, увеличивающиеся в последовательности: микрометрический, микроскопический, дифракционный, расчетный, плотной намотки. При величинах диаметров более 0.7 мм наименьшие значения дает дифракционный метод. Расхождения в значениях диаметров, измеренных разными методами, в некоторых случаях превосходит 3 средних квадратических отклонения, отличие в значениях больше 5%. Типичные примеры: строки 2, 3, 4, 13, 14 таблицы Следовательно, при измерениях диаметров необходимо указывать метод измерений, а для метода микрометрии еще и характеристики микрометра. Для всех мононитей (кроме образца 17, подвергшегося термообработке) расчетный и дифракционный метод дают близкие значения диаметра, что говорит о высокой точности методов. Микрометрический метод при правильном подборе микрометра может быть использован при диаметрах более 0.10 мм, его можно рекомендовать для широкого практического применения. Метод микроскопии, являющийся основным для волокон и мононитей с диаметрами менее 0,1 мм не обладает особой точностью, выделяющей его среди других методов, более того для прозрачных ПКА волокон, обладающих особыми оптическими свойствами, различия в значениях диаметров, полученные при разных увеличениях доходят до 20% (см. таблицу 6). Поэтому, если необходима высокая точность измерений, для контроля реального значения диаметра необходимо проводить сравнения с результатами, полученными расчетным или дифракционном методом. В интервале значений диаметров 0.2-0.6 мм все исследованные методы дают близкие значения диаметров. Эллиптические мононити. Для эллиптических мононитей наилучшей является комбинация методов: микрометрическими измерениями лучше всего определять наименьший диаметр, а наибольший диаметр находить оптическими методами - микроскопии или расчетным (таблица 12). Как говорилось выше, для окрашенных мононитей расчетный метод не применим.
Исследование возможности применения дифракционного метода для волокон больших диаметров. Определение верхней границы применимости дифракционного метода
Дифракционный метод измерения поперечников волокон и мононитей не может рассматриваться, как полностью изученный. Встречающиеся в литературе сведения противоречивы, например точность метода при применении корреляционных зависимостей оценивается как 8% [65], а при применении формулы (2.10) как 1% [69]. Не ясно, как определяется точность метода: как точность отдельного измерения или как точность совпадения с диаметром, измеренным другими методами.
Верхняя граница применимости формулы (2.10), а, следовательно, и основанной на ней методики измерений, оцененная в монографии [69] как 100А,, явно занижена. Например, это не так для непрозрачных волокон. Не исследована подробно возможность использования метода для диаметров более 0.1 мм, хотя метод в некоторых случаях применялся для определения диаметров волокон в диапазоне до 1мм [71]. В литературе есть упоминание о фокусирующих свойствах прозрачных волокон и о влиянии эффекта фокусировки света на форму дифрактограммы, но не известно, все ли волокна обладают фокусирующей способностью в равной степени, хотя на анализе фокусирующих свойств основан ряд методов измерений [11,69]. Все сказанное говорит о необходимости подробного исследования дифракционного метода.
При дифракционных измерениях мононити закреплялись на рамке вертикально и освещались светом He-Ne лазера, пятно засветки на волокне имело размер порядка трех - пяти миллиметров в зависимости от фокусировки оптической системы, т.е. значение диаметра D усреднялось по размеру пятна засветки. Важно, что бы освещаемая часть волокна не имела изгибов, так как в этом случае дифракционные измерения невозможны. Как говорилось выше, для расстояния R от образца до экрана наблюдения должны выполнятся условия малоугловой дифракции (2.1): d2 X R. Много больше означает минимум пятикратное превышение [173]. Фиксация изображения проводилась на цифровую камеру, фотопленку, допускалось и непосредственное измерение на экране наблюдения.
Центральное пятно засветки на экране наблюдения мешает измерениям, создавая помехи: блики на аппаратуре, переотражения от других поверхностей, поэтому его убирали, особенно при фиксации дифрактограмм цифровой камерой, сделав отверстие в экране, после чего прошедший в отверстие свет гасился. При фотографировании дифрактограмм на фотографии четко виден центр пятна, но при этом вокруг пятна имеется радужный ореол, вызванный наличием пыли в воздухе, на которой частично рассеивается свет лазера. Появление ореола связано с очень большими выдержками, ореол не наблюдается при фиксации картин цифровой камерой или при прямых измерениях на экране наблюдения.
Методика определения координат дифракционных минимумов описана в главе 2. Нумерация минимумов велась от центрального пятна по возрастающей, причем вправо со знаком «+», влево со знаком «-».
Качественная проверка применимости метода при величинах диаметров более 0.1 мм проводилась на трех непрозрачных и одном прозрачном цилиндрических волокнах. В качестве непрозрачных волокон были выбраны: медная калиброванная проволока, стальная проволока, волокно шерсти, а в качестве прозрачного - поликапроамидная (ПКА) мононить. Медь имеет наибольшую проводимость и по своим свойствам медная проволока больше всего похожа на дифракционный экран, проводимость стальная проволоки меньше, а шерстяное и ПКА волокна являются диэлектриками (см. приложение 3),.
На рис. 8-11 приведены дифрактограммы соответственно для медной и стальной проволок и шерстяного и ПКА волокон, полученные при расстоянии до экрана 2.67+-0.02 м. Изображения фиксировались на комплексе цифровая камера-компьютер и имеют видимый дискретный характер (единицей дискрета является точка изображения на экране).
Все дифрактограммы представляют собой одномерные линейчатые структуры, расположенные на экране наблюдения по прямой перпендикулярной направлению оси волокна. Вдоль прямой расположены минимумы и максимумы освещенности - дифракционные минимумы и максимумы. Центральное пятно засветки убрано.
Условие (2.1) при расстоянии до экрана 2.67 м выполнено для всех образцов: наибольший диаметр, измеренный методом микроскопии, имеет
Из сравнения рисунков следует, что дифрактограммы для проволок и шерстяного волокна по внешнему виду подобны картине для металлической полоски (см рис.2), интенсивности дифракционных максимумов быстро убывают с увеличением номера (выполнено отношение 2.8), а вот картина для ПКА мононити явно не равномерна, содержит несколько налагающихся структур, сильно вытянута вдоль оси, условие 2.8 не выполнено.
В дифрактограмме для ПКА мононити, существенно отличающейся от остальных, явно видно наложение как минимум двух структур - первой подобной дифракционным картинам для проволок, находящейся в центре и второй - растянутой, имеющий видимо другой период. Тем самым, можно сказать, что прозрачное ПКА волокно дает сложную многоструктурную дифракционную картину [167].
