CN106257996A - 测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种测量装置(10),用于测量到具有波动反射性的表面(14)的距离，所述测量装置(10)包括：测量光源及传感器单元(16)，所述测量光源及传感器单元(16)定位在垂直于所述表面(16)的角度上，以使光被反射至位于已知位置处的漫反射目标表面；以及处理器单元，所述处理器单元用于收集和分析来自测量光源及传感器单元(16)的数据，并对所述测量光源及传感器单元(16)的读数是直接读数还是反射读数进行分类。

Description

测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量装置及其测量方法。特别地，本发明的所述装置及相关方法用于测量到具有波动反射性的表面的距离。更优选地，本发明的所述装置是为了在连续涂覆工艺中具有特定应用。
背景技术
以下对背景技术的讨论仅仅用于方便本发明的理解。该讨论并不是承认或认可任何涉及的材料为本申请的优先权日时的公知常识的一部分。
激光测距仪的使用在各种行业中是公知的。这些装置采用激光束确定到漫射对象(diffuse object)的距离(也称为“飞行时间”测量)。激光二极管发出约35-45纳秒的光脉冲，其击中目标且少量通过漫散射反射离开该目标。该少量的光在光学上由传感器检测并充分地放大到自动记录在多个电路中，所述电路包括高速精密计时器(chronometer)，所述高速精密计时器测量所述光从所述目标返回所花费的时间。然后被翻译成距离以得到距离测量。飞行时间测量的替代方案涉及使用三角测量计算法。三角激光器发出激光照射在对象上并利用照相机寻找激光点的位置。照相机和激光发射器之间的距离是已知的。激光发射器角落的角度也是已知的。照相机角落(cameracorner)的角度可通过查看照相机视场中的激光点的位置确定。这三个部件的信息完全确定了三角形的形状和尺寸并获得三角形的激光点角落的位置。
然而，当目标为反光的时候，由于检测器无法记录读数，因而会出现困难。这是因为激光会直接被反射离开反射表面，因此当它撞击反射表面时，没有光色散，故，不能检测到测量结果。甚至于，如果对象在反射性和非反射性之间波动时，检测器将在记录读数和没有记录读数之间波动。
例如，在传统的金属涂覆工艺中，一对相对的气刀(air knife)用于从金属条板/金属片上去除通过一对气刀的过量涂层材料。在大多数情况下，当气刀接近该条板(strip)时，可更好地控制该涂覆。然而，当条板通过气刀时，条板的较小弯曲和抖动可使该条板碰撞气刀，阻止它和涂层材料，从而导致涂层的一致性较差(或者甚至损坏该条板)。这导致必须关闭生产线，以清洁气刀。由于要满足行业规范中要求的具有较小的误差幅度，因而不一致的涂层厚度和不期望的停工会对财务产生重大的影响。
为了避免上述问题，之前已经采取许多方案进行了尝试。这些方案通常涉及复杂的使用许多控制因素的算法，如，条板速度和气压，以确定条板距离。由于所述算法受到很多限制，因而这些计算的误差幅度较大且通常导致条板距离计算错误。这主要是由于它们是数字反演计算(numerical back-calculation)。目前，在本行业中，不能进行覆盖全部设备运行的实时物理测量。
其它的控制方法被用于测量气刀和涂层表面之间的距离，以当所述条板太接近气刀时，进行识别和校正。它们通常采用超声波传感器或感应传感器。然而，当超声波传感器用于非常热的表面时，将不能报告距离，而感应传感器的应用范围有限，不能覆盖所有的操作条件。
或者，采用激光器测量距离。然而，激光器必须被设置成要么测量仅到反射表面的距离，要么测量仅到非反射表面的距离。当所述条板移动经过所述气刀，涂层表面经常会被熔化，因而具有反射性，但是有时候涂层会固化，从而变成无光泽的非反射表面。这导致数据不一致且不完整。迄今为止，激光器一直无法可交换地用于反射表面和非反射表面。
本发明的目的是克服或至少改善现有技术中的上述缺点中的一个或多个，或为消费者提供一种有用的或商业上的选择。
在本发明的说明书和权利要求书中，除非另有说明，“包括”一词或者其变形将被理解为包含一个或一组所述的个体，但并不排除还包括其它一个或一组个体。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种测量到具有波动反射性的表面的距离的测量装置，所述测量装置包括：
测量光源及传感器单元，定位在垂直于所述表面的角度上，以使光被反射至位于已知位置处的漫反射目标表面；以及
处理器单元；
其中，所述处理器单元用于收集和分析来自测量光源的数据，并对所述测量光源及传感器单元的读数是直接读数还是反射读数进行分类。
优选地，所述测量装置还包括：参考光源及传感器单元，所述参考光源及传感器单元位于离开所述表面的位置且指向位于已知位置处的参考目标，其中，所述处理器单元还用于收集和分析来自所述参考光源及传感器单元的数据，从而对所述测量光源及传感器单元的读数为直接读数还是反射读数进行分类。
优选地，每个所述光源及传感器单元采用激光、红外线或LED光源。更优选地，每个所述光源及传感器单元采用激光光源。
在本发明的一种形式中，所述装置采用两个或多个所述测量光源及传感器单元，它们在平面方位(planar orientation)沿所述表面的宽度方向间隔排列。
优选地，所述装置采用两个参考光源及传感器单元，它们位于所述表面的每一侧。
优选地，所述处理器单元为任何能计算的处理器单元，如，可编程逻辑控制器或可编程控制器。
在本发明的一种形式中，每个所述光源和传感器单元设置在单个保护壳体中。
在本发明的一个优选形式中，每个所述光源和传感器单元设置在防护罩的后面。优选地，所述防护罩由漫反射材料构成，以提供漫反射目标表面。更优选地，所述防护罩具有凹形轮廓(concave profile)。
本发明的另一方面在于提供一种在气擦过程中测量气刀和涂覆条板表面之间距离的测量装置，在所述气擦过程中，涂覆的金属条板通过两个相对且平行的气刀之间，所述装置包括：
测量光源及传感器单元，安装在气刀上且定位在垂直于所述涂覆条板表面的角度上，以使光被反射至位于已知位置处的漫反射目标表面；以及
处理器单元；
其中，所述处理器单元用于收集和分析来自测量光源的数据，并对所述测量光源及传感器单元的读数是直接读数还是反射读数进行分类。
优选地，所述测量装置还包括：参考光源及传感器单元，所述参考光源及传感器单元位于离开所述表面的位置且指向位于已知位置处的参考目标，其中，所述处理器单元还用于收集和分析来自所述参考光源及传感器单元的数据，从而对所述测量光源及传感器单元的读数为直接读数还是反射读数进行分类。
优选地，每个所述光源和传感器单元采用激光、红外线或LED光源。更优选地，每个所述光源和传感器单元采用激光光源。
在本发明的一种形式中，所述装置采用两个或多个所述测量光源及传感器单元，所述测量光源及传感器单元在平面方位沿所述表面的宽度方向间隔排列。
优选地，所述装置采用两个参考光源及传感器单元，它们位于所述表面的每一侧。
优选地，所述处理器单元为任何能计算的处理器单元，如，可编程逻辑控制器或可编程控制器。
在本发明的一种形式中，每个所述光源和传感器单元设置在单个保护壳体中。
在本发明的一个优选形式中，每个所述光源及传感器单元设置在防护罩的后面。优选地，所述防护罩由漫反射材料构成，以提供漫反射目标表面。更优选地，所述防护罩具有凹形轮廓。
在本发明的一种形式中，相对的气刀能在非平行的条件下操作，第二测量光源及传感器单元设置在另一个气刀上。
本发明的再一方面是提供一种测量到具有波动反射性的表面的距离的方法，所述方法包括步骤：
从测量光源及传感器单元获取读数，所述测量光源及传感器单元定位在垂直于所述表面的角度上，以使光被反射至位于已知位置处的漫反射目标表面；和
采用处理器单元收集和分析来自测量光源的数据，并对所述测量光源及传感器单元的读数是直接读数还是反射读数进行分类。
优选地，所述方法还包括：从参考光源及传感器单元获取读数，所述参考光源及传感器单元位于离开所述表面的位置且指向位于已知位置处的参考目标，其中，所述处理器单元还用于收集和分析来自所述参考光源及传感器单元的数据，从而对所述测量光源及传感器单元的读数为直接读数还是反射读数进行分类。
优选地，每个所述光源和传感器单元采用激光、红外线或LED光源。更优选地，每个所述光源和传感器单元采用激光光源。
优选地，所述处理器单元为任何能计算的处理器单元，如，可编程逻辑控制器或可编程控制器。
在本发明的一种形式中，所述方法利用两个或多个所述测量光源及传感器单元的读数，所述测量光源和所述传感器单元在平面方位沿所述表面的宽度方向间隔排列。
优选地，所述方法利用来自两个参考光源及传感器单元的读数，两个所述参考光源及传感器单元位于所述表面的每一侧。
在本发明的一种形式中，比较所述测量光源及传感器单元的读数和所述参考光源及传感器单元的读数。
在本发明的一种形式中，每个所述光源和传感器单元设置在单个保护壳体中。
在本发明的一个优选形式中，每个所述光源和传感器单元设置在防护罩的后面。优选地，所述防护罩由漫反射材料构成，以提供漫反射目标表面。更优选地，所述防护罩具有凹形轮廓。
本发明的另一方面在于提供一种在气擦过程中测量气刀和涂覆条板表面之间距离的测量方法，在所述气擦过程中，涂覆金属条板通过两个相对且平行的气刀之间，所述方法包括：
从测量光源及传感器单元获取读数，所述测量光源及传感器单元定位在垂直于所述表面的角度上，以使光被反射至位于已知位置处的漫反射目标表面；以及
处理器单元收集和分析来自测量光源的数据，并对所述测量光源及传感器单元的读数是直接读数还是反射读数进行分类。
优选地，所述方法还包括：从参考光源及传感器单元获取读数，所述参考光源及传感器单元位于离开所述表面的位置且指向位于已知位置处的参考目标，其中，所述处理器单元还用于收集和分析来自所述参考光源及传感器单元的数据，从而对所述测量光源及传感器单元的读数为直接读数还是反射读数进行分类。
优选地，每个所述光源和传感器单元采用激光、红外线或LED光源。更优选地，每个所述光源和传感器单元采用激光光源。
优选地，所述处理器单元为任何能计算的处理器单元，如，可编程逻辑控制器(PLC)或可编程控制器(PC)。
在本发明的一种形式中，所述方法利用两个或多个所述测量光源及传感器单元的读数，所述测量光源和所述传感器单元在平面方位沿所述表面的宽度方向间隔排列。
优选地，所述方法利用来自两个参考光源及传感器单元的读数，两个所述参考光源及传感器单元位于所述表面的每一侧。
在本发明的一种形式中，比较所述测量光源及传感器单元的读数和所述参考光源及传感器单元的读数。
在本发明的一种形式中，每个所述光源和传感器单元设置在单个保护壳体中。
在本发明的一个优选形式中，每个所述光源和传感器单元设置在防护罩的后面。优选地，所述防护罩由漫反射材料构成，以提供漫反射目标表面。更优选地，所述防护罩具有凹形轮廓。
附图说明
本发明的进一步特征在以下几个非限制性实施例中更充分地描述。该描述仅仅用于例示本发明的目的。它不应该被理解为限制上述本发明的广泛的概括或上述本发明的公开内容或描述。参考附图进行描述，其中：
图1是本发明的测量装置的俯视图；
图2a和2b是图1所示的测量装置的侧视图，其图示了在非反射表面和反射表面上的操作；
图3是图1所示的测量装置的俯视图，其图示了使用了凹形防护罩；
图4是用于连续的涂覆装置中时图1所示的测量装置的正视图；
图5是图4所示测量装置的侧视图；
图6是在试验期间记录的距离传感器测量结果的曲线图。
图7是对图6中的结果进行校正后的距离测量结果的示意图。
具体实施方式
图1和图2图示了测量到表面14的距离12的装置10，所述表面4具有波动的反射性。所述装置10包括测量光源及传感器单元16和参考光源及传感器单元18。所述测量光源及传感器单元16和所述参考光源及传感器单元18采用激光束17以已知方式确定到所述表面的距离，例如脉冲或三角测量法(triangulation method)。所述测量光源及传感器单元16和所述参考光源及传感器单元18设置在单个保护壳体19中。所述测量光源及传感器单元16的光源20设置为垂直所述表面14，以使光反射到漫反射目标表面(diffuse target surface)，例如防护罩22。所述参考光源及传感器单元18指向参考目标24。
所述测量光源及传感器单元16的所述光源20可设置在垂直于所述表面14的角度上，以使所述光反射离开所述表面14并离开所述光源20。
最佳地，参考图2，所述表面14可在非反射性(图2a)和反射性(图2b)之间波动。如果为非反射性表面14，所述测量光源及传感器16的读数表示所述测量光源及传感器单元16和目标14之间的距离。如果为反射性表面14，所述测量光源及传感器单元16的读数测量的距离表示所述单元与所述目标之间的距离和返回到所述防护罩22的距离，或者，大约为正确距离的两倍。
所述测量光源及传感器单元16和所述参考光源及传感器单元18设置在同一平面上，所述参考光源及传感器单元18在所述表面14之外。所述表面14位于所述参考光源及传感器单元18和所述参考目标24之间的近似中心处。这样，所述测量光源及传感器单元16的读数可与所述参考光源及传感器单元18的读数进行比较，以确定到所述表面的距离是否正确或者是由反射性表面14产生的双倍值(double value)。
如图3所示，所述防护罩22的外表面25具有凹面。因而，可以测量具有移动对准(shifting alignment)的表面，所述移动对准关于所述测量光源及传感器单元16。
由所述测量光源及传感器单元16和所述参考光源及传感器单元18收集的数据被传送到处理器单元(未图示)。所述处理器单元用于收集和分析来自所述测量光源及传感器单元和所述参考光源及传感器单元的数据，以对所述测量光源及传感器单元的读数是直接读数或反射读数(reflected reading)进行分类，然后所述处理器单元根据反射测量(reflected measurement)实时计算到所述条板的实际距离。
所述处理器单元为可编程逻辑控制器(PLC)或可编程控制器(PC)，其可计算由所述测量光源及传感器单元16和所述参考光源及传感器单元18提供的数据。
在上述方式中，由本发明的装置所生成的数据可通过软件实时地解释，以提供一整套连续数据。
如在图4和图5所示，本发明的装置10尤其在涂覆装置100中有用，所述涂覆装置100用于连续的涂覆工艺中。在该工艺中，通过熔融金属浴池(molten metal bath)(未图示)连续地供应片材(sheet)102。该工艺主要用于金属的镀锌。在熔融金属浴池中，在该工艺中，气擦(air wiping)工艺用于在浸渍之后立即去除钢基材表面的过量金属。在该方式中，所述涂覆片材102通过两个相对的气刀104之间。所述气刀104安装在位于安装部105上的所述涂覆装置上。所述气刀104将空气引导到所述涂覆片材102上，以使涂层变平且将过量的涂覆材料引导回所述浴池。
所述装置100包括测量光源及传感器单元106和参考光源及传感器单元108。所述测量光源及传感器单元106和所述参考光源及传感器单元108以已知方式采用激光束17确定到片材102的距离，如脉冲或三角测量法。所述测量光源及传感器单元106的光源110设置在垂直于所述金属片材102的角度上，以使光反射到漫反射目标表面，例如位于已知位置上的防护罩112。
所述参考光源及传感器单元108安装在最宽的可获得的片材102的宽度的外侧，且指向相对的气刀104。在该方式中，可测量气刀104到气刀104。
熔融金属以熔化或固化的形式呈现给所述测量光源及传感器单元106。这表示被测量的两个非常不同的表面。所述测量光源及传感器单元106的读数报告两个距离中的一个。固化的表面将报告到金属片材102的距离，熔化金属表面距离读数将报告反射测量距离。通过利用位于最宽的可获得的片材102的宽度的外侧的所述参考光源及传感器单元108，可测量从气刀到气刀。所述测量光源及传感器单元106的测量可与所述参考光源及传感器单元108的测量进行比较，且被分类成直接测量或反射测量。然后，所述处理器单元实时地将反射测量转换为到所述条板的实际距离。
该比较和分类使该技术覆盖所有的操作条件。如果所述气刀104经过线的操作(operation of line)保持平行，采用一个气刀104到气刀104的测量就足够了。如果所述气刀104能在非平行的条件下操作，那么可使用两个所述参考光源及传感器单元108。
最佳地，如图4所示，三个所述测量光源及传感器单元106设置在平面阵列中。这可测量位于所述片材102中心的所述气刀104和位于外周缘上的所述气刀104之间的距离。可对这些距离进行比较，以测量沿着所述片材产生的大致弯曲。通常，这导致所述金属片材102上的涂层不均匀。从所述测量系统中获得的附加信息可改进工艺策略，例如，改变张力和辊感应条(roll induced strip)的缺陷。
另外，条板稳定系统已被添加到许多涂覆工艺中。本发明的装置可测量它们的有效性和创建稳定设备优化策略。
应当理解的是，鉴于所述激光束17相对于所述条板的角度位置，当所述条板为反射性时，可获得读数。因此，在没有参考测量结果的情况下仍然可获得测量值。然而，参考测量结果可实时地确定从前气刀到所述条板的实际距离以及从后气刀到所述条板的实际距离，而不需要将探测装置安装在所述涂覆装置的两侧。
所述气刀的近距离允许现有的机械装置适用于现代涂料组分。这些现代涂料组分所需的所述气刀到所述条板的距离更短，且更容易损坏/堵塞所述气刀。根据从所述气刀到所述条板的距离的了解可安装保护策略，以防止所述条板和所述气刀碰撞。
分析所述气刀到所述条板的距离数据可早期检测轴承的相关问题。该测量结果可用于分析滚动轴承相关谐波。
本发明的其它优点包括能克服现有控制技术的弱点，以处理低速/重涂层(heavycoat)的应用。
实施例
现在参考以下与本发明相关的某些实施例进一步详细地描述本发明。应当理解，本发明不限于通过举例的方式提供的实施例。
两个距离测量单元设置在所述配置中。第一个测量单元模拟测量从前气刀到后气刀的距离(传感器1距离)，第二个测量单元模拟测量从第一气刀到目标表面的距离(传感器2距离)。初始目标表面具有暗淡的不透明表面，以模拟固体表面。在测试中，采用高反射性镜子模拟液态金属表面的效果。为了测试，设置传感器单元，因而测量范围为最小输出为50mm，最大输出为600mm。为了试验，模拟150mm的间隔距离(standoff distance)，实际上是从所述测量范围的起点到所述气刀的前端的距离。如果所述气刀到所述目标的距离等于0，那么测量传感器报告150mm的距离。在试验的过程中，所述测量结果为150mm的间隔距离加上24mm的机器到目标的距离，该距离给出了到所述目标的约174mm的传感器测量距离。
如在图6所示，当引入反射性目标(镜子)时，从第二激光器反馈回来的测量距离需要一个较长的路径，从而报告一个较大的距离。比较来自传感器1和传感器2的两个测量结果，计算校正后的测量距离。图7图示了校正后的结果。如图7所示，在从非反射性表面切换到反射性表面的过程中，结果与期望的直接读数的距离或反射读数的距离匹配。这些被显示为无效或零值。
图6中的距离测量与图7中的最终计算差不同。所述激光测距(laser range)的起点和所述气刀的前端之间有差别。这里存在一个固定差，该固定差从来自所述测量光源及传感器单元的原始数据中减去。
当了解了所述目标的厚度时，可类似地计算从所述后气刀到所述目标的背面之间的距离。
对本领域技术人员而言是显而易见的修改和变化都被认为属于本发明的范围之内。

Claims (19)

1.一种测量装置，用于测量到具有波动反射性的表面的距离，所述测量装置包括：
测量光源及传感器单元，定位在垂直于所述表面的角度上，以使光被反射至位于已知位置处的漫反射目标表面；以及
处理器单元；
其中，所述处理器单元用于收集和分析来自测量光源的数据，并对所述测量光源及传感器单元的读数是直接读数还是反射读数进行分类。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：参考光源及传感器单元，所述参考光源及传感器单元位于离开所述表面的位置且指向位于已知位置处的参考目标，其中，所述处理器单元还用于收集和分析来自所述参考光源及传感器单元的数据，从而对所述测量光源及传感器单元的读数为直接读数还是反射读数进行分类。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，每个光源及传感器单元采用激光、红外线或LED光源。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，每个所述光源及传感器单元采用激光光源。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，所述装置采用两个或多个所述测量光源及传感器单元，它们在平面方位沿所述表面的宽度方向间隔排列。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，所述装置采用两个参考光源及传感器单元，它们位于所述表面的每一侧。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，所所述处理器单元为任何能计算的处理器单元。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，所述处理器单元是可编程逻辑控制器或可编程控制器。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，每个所述光源和传感器单元设置在单个保护壳体中。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，每个所述光源和传感器单元设置在防护罩的后面。
11.根据权利要求10所述的测量装置，其特征在于，所述防护罩由漫反射材料构成，以提供漫反射目标表面。
12.根据权利要求10或11所述的测量装置，其特征在于，所述防护罩具有凹形轮廓。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的测量装置，其特征在于，所述装置在气擦过程中测量气刀和涂覆条板表面之间的距离，在所述气擦过程中，涂覆材料的条板通过两个相对且平行的气刀之间。
14.一种测量到具有波动反射性的表面的距离的方法，所述方法包括步骤：
从测量光源及传感器单元获取读数，所述测量光源及传感器单元定位在垂直于所述表面的角度上，以使光被反射至位于已知位置处的漫反射目标表面；和
采用处理器单元收集和分析来自测量光源的数据，并对所述测量光源及传感器单元的读数是直接读数还是反射读数进行分类。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：从参考光源及传感器单元获取读数，所述参考光源及传感器单元位于离开所述表面的位置且指向位于已知位置处的参考目标，其中，所述处理器单元还用于收集和分析来自所述参考光源及传感器单元的数据，从而对所述测量光源及传感器单元的读数为直接读数还是反射读数进行分类。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述方法利用两个或多个所述测量光源及传感器单元的读数，所述测量光源和所述传感器单元在平面方位沿所述表面的宽度方向间隔排列。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括利用来自两个参考光源及传感器单元的读数，两个所述参考光源及传感器单元位于所述表面的每一侧。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括比较所述测量光源及传感器单元的读数和所述参考光源及传感器单元的读数。
19.一种在气擦过程中测量气刀和涂覆条板表面之间距离的测量方法，在所述气擦过程中，涂覆材料的条板通过两个相对且平行的气刀之间，其特征在于，所述方法包括权利要求14-18中任一项所述的方法步骤。
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