CN1225999A - 圆形截面细长物体直径的测量方法 - Google Patents

Abstract

测量圆截面形的细长物体,如电线的直径的方法包括步骤:用至少一个单色点光源的扇形光束照射该物体,其中主光束的方向垂直于物体的纵轴;在物体对面的单或多行光敏传感器接收光,传感器的轴垂直于主光束;测量物体到传感器或到光源的距离;通过对由物体产生的阴影的和被测直径的边缘上的衍射范围中的强度曲线的估算,来确定对应于物体直径的值;光源到物体或传感器到物体之间的距离被选定成物体相对边缘的衍射效应不被相互叠加在传感器平面。

Description

圆形截面细长物体直径的测量方法

本发明涉及测量细长物体直径，特别是小直径电缆的直径测量方法。

已知，用光学方法确定一被光源光照射的电缆或其它细长物体的直径，其中，主要光束方向基本垂直于该物体的纵轴；在对面上，在利用折射表面(透镜、物镜等)的情况下，光线被投射到一网状光敏传感器上，被测物体在线型传感器上生成一个投影；该阴影边缘是需要的；它们的距离则是直径的测量值。

已知设备在实际应用中受到了存在于光线进口和出口处的杂质的妨碍。因此，如众所周知，则选择一种镜片，以使光线在光路进口和出口处变为散焦；则部分杂质只对测量产生有限影响。

现有的光学仪器的功能基本上是令人满意的，但却相对复杂，而且构造庞大。

因此，本发明的目的是论述一种对于测量截面近似圆形细长物体，特别是小直径干线或电缆的直径的方法；它花费小，但测量结果精确，尽管物体在横向上做了相对于纵向延伸十分有限的位置改变。

根据本发明之方法，物体被一单色点状光源的扇形光束照射；光源和物体以及传感器之间的光学器件的中间联结可被适当免除。还可以免除光束的拢汇、平行或其它影响或变形；物体的阴影被投射在一个结构类形已知的线性光敏传感器上。例如，一种被称为电荷耦合器件条(CCD条)可被采用，它在14微米距离内包含约2048个光敏元件。这样的传感器具有高分辨率。

人们已了解到也可应用一种清晰度适当的多行传感器(表面传感器)。那么，这些行则被分别估算。

由绕射引起的测量信号给出绕射边缘在测量空间中的位置结果；这一点是由本发明中得出的。绕射形态如几何阴影边界，并不由入射到传感器上的光线的强度曲线(course of intensity)直接得出，却必须由插入其中的衍射范围(diffraction margins)获得。这可以通过与从Fresnel绕射理论中得知的衍射范围中的强度曲线f(ξ)进行对比来加以估算。因此，函数f(ξ):ξ=f(x-x_geo)的自变量可被应用。在具有从绕射边缘到接收传感器的预定距离的衍射范围中的选择强度曲线，如具有范围d=1的强度曲线作为标准曲线(基线)。这是因为没有进一步的繁杂工作，则不可能数学描述强度曲线。自由参数d〔基线f(ξ₀)的范围〕和x_geo〔被研究的几何阴影边界=基线f(ξ₀)的位移〕不断变化，直到f(ξ)和被测衍射范围中的强度曲线之间建立起一个最佳的相互关系。

另一方面，样板曲线f(ξ₁),f(ξ₂),...f(ξ_N)也可由对d和x_geo的离散值获得，以便使其与在被测衍射范围中的强度曲线相一致(样板比较)。

基于本发明的进一步的可行性是利用衍射范围中少量的特征点(如转变点/或局部最大最小强度)来决定几何阴影边界。衍射范围中强度曲线上的特征点的位置，是绕射边缘在测量空间中位置，如阴影边界位置的特征。而且，强度曲线的特征点间的梯度，如几何阴影边界范围内，(如上升到最大值)，可决定几何阴影边界的直径或位置。

利用扇形传播光从几何阴影像边界确定物体的直径，必须知道被测物体垂直于线性传感器的距离；在测量中，物体相对于其纵向延伸的横向位置可能改变。例如，电缆在从产地到卷绕设备处的移动中发生的变化。同时，阴影边界距离的变化不仅源于光束，而且也源于在物体的外轮廓上引起绕射变化的边缘的位置。特别的是，这些被置于从光源释放出的两只光束中的边界，在左右两侧正切于外轮廓线。其结果，两个绕射边界处于呈圆形的物体横截面的弦上。该弦可被捕捉作为一替代缝隙。物体距光源越近，该替代缝隙与物体横截面的圆心的距离越远。同样地考虑到这一影响，了解距离是重要的。

该距离也可由移动的曲线来估算。范围d和衍射范围中特征点间的距离反映了这一测量值。

通常，被测物体相对于线性传感器的距离的确定也可用任何付加的测量装置来进行。首选的是使用第二个同样的测量系统，它包含了一个点状单色光源和一个其测量轴垂直于第一测量系统的测量轴的线性传感器。大体上讲可使用两个以上测量系统。因此，粗略地说，三个系统在每个情况中可以120°角彼此定位。

另外，本发明重要的是，扇形光束的几何形状、距光源、物体和传感器的距离以及物体直径范围总是可以选择的，以使来自位置相互对立的物体边界的衍射效应并不在传感器平面上相互干扰。

根据本发明，本方法要求一格外简单的测量系统。总是造成成像误差和模糊等问题的透镜、物镜或类似的光学元件可被适当免除。由于已知数学严紧绕射现象物理不发生成像误差，可高精度地测定直径。并且，事实上更加先进的是，由于免除了折射表面，测量系统可被制造得非常小巧。在光源和物体之间提供一个光学设施，对缩小这些物体间的距离是非常有益的。利用这种方法，测量装置将被制造得更小型化。

测量系统范围内自然存在的杂质导致测量结果的误差。因为与物体纵轴平行的光源的光学活动区有一个确定的范围，这些误差可以被减小，即，当垂直于此活动区时，它保留一个和以前一样的影像点。例如，根据本发明，在光学有效区域中用于测量的二极管激光器，在图平面中有约3微米的高度，则其长度，也就是垂直于平面的范围是0.5毫米。

类似地，平行于物体纵轴的光敏传感器的单独元件的范围可选择得明显大于线性传感器轴线方向上的范围。在光源或传感器上的杂质，并未使其像在相同干扰的条件下，在光源和传感器元件的点状设计形式下所应发生的那样十分的令人注意。利用本发明的评估，其结果，产生一离散效应的类型。

在激光二极管、会聚透镜等光源上或者影像传感器上的部分杂质，同样引起衍射效应，在传感器上呈现为绕射图像。应注意到，由绕射引起的强度波动的频谱越大，它的原点位置离传感器越近。传感器上的杂质引起极高的高频强度波动，而那些发光源上的杂质则具有低频波动的效应。来自被测物体的由绕射引起的强度波动其结果有一个介于这些极限间的频谱。根据本发明，由传感器进行被测强度曲线的滤波，如果可能的话，仅使一个频谱被用于估算，即由于物体绕射所产生的频谱。如果使用实施该方法的装置其尺寸选择成，一方面在发射光源与被测物体之间，另一方面在影像或线性传感器与被测物体之间利用保护玻璃，有区别的频谱得以形成，然后依靠适当的滤波方法即使在测量装置中的小部分杂质，也可实施可靠的测量。

还应进一步注意到，衍射范围的范围因数d，同时也是特征点之间距离的结果，越小，绕射边界与接收传感器之间相距越近。只对此种衍射范围的估算，其范围d与被测物体的有效位置有关，因此，可降低对尘埃的敏感性并获得更可靠的测量。如果只估算特征点，则从连续点间的距离就可推导出，被测的绕射空间是由被测物体产生的还是由测量路径中的杂质产生的。

假如采用紧密装配的或相互之间有较大距离的多个投影仪取代单个点状投影仪，如果它们交替工作，则可扩展测量区范围。同样，通过对各点状投影仪在传感器条上产生的强度曲线的适当的估算，可降低对于尘埃的敏感性。在各个曲线中，特别出现在由有效测量区内的物体生成的和由区域以外(污染)物产生的这些绕射曲线间不同局部位移。

同样，多行传感器上的各单独强度曲线可被用来降低污染的影响。例如，可选择没有污染或检查到最小程度的污染的行来确定几何阴影边界。

另外，降低尘敏的“电子”措施或其它装置方法，也可被用来减少测量系统中的杂质影响。例如，在激光和测量物体间可安置两个相距的狭孔，并在其之间安装一个用于静电吸尘或吸附其它杂质的电极。同样情形下，在测量物体和线性传感器间也可安置一个电极。在这种情况下，狭孔则可接地。另一种可行方式是，在测量空间中不断产生超压以避免整个测量空间产生杂质。第三种可行方式是，在测量空间中或在有杂质污染存在的危险之处加装冲洗处理。例如采用空气冲击。

下面参考附图详细阐释本发明。

图1：概要表示一个用以实施本发明所述的方法的测量装置。

图2：理想表示图1中的光接收器上强度曲线。

图3：表示一个用以实施本发明方法的改进装置。

图4：表示使用本发明方法装置的第三实施例。

图5：表示采用本发明方法的装置的第四实施例。

图6：表示将图5的装置旋转90°。

图7：表示采用本发明方法的装置的第五种实施例。

图8：表示将图7的装置旋转90°。

图9：表示利用静电在测量系统中从观察区内除尘的实施例。

图10：表示图9的俯视图。

图11：表示另一实施例，其中，尘埃被风洗而从测量系统的观察范围内除去。

图12：表示与图9相似，只做了一些改进的实施例。

图13：表示与图10相似，只做了一些改进的实施例。

在图1中，是一细长物体、一根电线或电缆10(以下以电缆作为测量物体加以描述)的横断面。应了解任何沿垂直于图面方向伸展并以如10毫米/秒至30毫米/秒的速度向前移动的线状物体均可被测量。制造电缆和使其行进的装置并未示出。它们通常是已知的。电缆具有直径例如0.5毫米至100毫米或更大。

在电缆10的左侧可以看出一点光源12。它可以由一激光二极管形成，它生成如红外线光。点状在测量平面内产生较好的范围，它以扇形光束14来表征。在其方向上，激光二极管12的有效区是3微米宽；与其垂直，即平行于电缆10纵轴的方向上，可得出一例如0.5毫米的有效区域范围。

在与激光二极管12相对的一侧，是一线型传感器16，它的纵轴置于图平面中，并垂直于激光二极管发光的主要延伸方向。传感器的各元件18，如电荷耦合器件(CCD)条，或者单行电荷耦合器件矩阵的传感器，在图平面上延伸有如12微米的范围，且相互距离约14微米。如果物体的最大直径约为15毫米，则该线条其身可有例如2048单元或元件。

电缆10在线型传感器上产生一个投影，它的范围代表了电缆10直径。由于扇形宽阔光束通路，该阴影的范围并不等于电缆10的直径。电缆10纵轴到线型传感器间的距离因此要考虑到测量中，特别是在测量阴影范围被由基本光束导出的因数(＜1)相乘情况下。由于替代孔隙(replacementaperture)与电缆横断面的中点有关，并随光源12和电缆10间的距离一起改变，其相关性同样也被考虑在内。

在电缆10的外边界上，激光二极管12的单色光产生绕射。由此产生的强度曲线简单表示在图2中。产生的若未带绕射现象的几何阴影曲线为虚线，并用20指示。除了在几何阴影边缘的左侧和右侧几何阴影区域的绕射光不论强度曲线慢慢衰减，连续交替最大和最小强度，被记录下来。这种由于行进时间不同(干扰)而得出的图案被称为衍射范围。作为叠加结果的最大产生表示为24，与消失部分有关的最小值表示为26。这些最大/最小值相继出现的频率取决于绕射边界和传感器条之间的距离。当没有测量物体时，绕射空间中的生产的强度曲线在中等水平28上变化。

所有测量结构中的物体的几何形状都要使在相互干扰的情形下衍射范围并不相互影响。

如在图2中认识的强度曲线以其在接收线上的形状和长度形式反映测量空间中衍射范围的位置特征。在接收线上的几何阴影边界可由与理论确定的样板曲线进行比较来确定，也可由在衍射范围中的各特征点(如强度最大或最小值转变点)来确定。

激光二极管12和/或传感器线16的部分杂质导致进一步的衍射效应，它叠加在图2曲线上。用确定的(certain)范围因数或确定的特征点间的距离来估算只是这样的衍射范围，这种干扰影响在估算中方可消除。考虑到在有效测量区内由电缆10上绕射引起的频谱，进而用带通滤波，测量可以减小对尘埃的脆弱性。可采用所有方法一方面在光源12与电缆10之间，另一方面在电缆10与线型传感器16之间使用保护玻璃。

在图3的实施例，表示了与图1中的光源相同的光源12a，同样应用传感器条16a。然而在图3中有一个透镜30，用它将成束光投射在电缆10a上。用这种方法，装置降低了其尺寸，另一方面，保留了比图1中装置的还大的测量区域的优点。

通常所知，为提高直径测量精度和确定物体的椭圆度，沿两个相互正交的坐标轴进行测量。这可用到图4中所示的并被旋转约90°的另一步的测量装置来加以进行。在此情形下，根据本发明，不仅直径可在两个位置上被测量，而且电缆10和线型传感器16或16b间的距离也可被测量，该距离因电缆向前移动而自然波动。反映在接收条上的电缆阴影两侧的衍射范围中的强度曲线大致为圆柱型。因此，如从相互对立的左右两个衍射范围中的镜像特征点位置出发，投射阴影的中间点可被确定。在此点和激光二极管12之间的联结线上，放置着电缆10；由于旋转90°的测量设置对应的联结线可被解析。两条线的交叉点表示电缆10在测量空间中的中间位置。因此，对于各的线型传感器16或16a的距离是可知的。进行直径确定的估算装置，因而不断被输入这些距离值，进行必要校正。

在图5和图6中的实施例中表示了电缆10c、线型传感器16c和光源12。图示中还进一步提供了柱状透镜32、34，其中，透镜32聚焦成一线状形式，光源光大致在一平面上电缆10的中间。在相对于电缆轴的横向上产生一个扇形光的线条形区域，产生的阴影在图6中以阴影形式表示。

此外，通过“电子”方式来降低尘敏性，首先可采用装置来避免或消除在测量系统中观察区域的污染。这可由例如图9和图10所示实施例进行，其中，在激光二极管12e与电缆10e之间的区域，和电缆10e与电荷耦合器件线型传感器16e之间的区域内分别设置了狭孔50、52、54、56和电极36和38。后者为高压。测量装置中包含激光二极管12e和狭孔50、52的部分，或者包含狭孔54、56和传感器条16e的部分可接地。在电极36和38的作用下，对尘埃实施有效的吸附。

结果尘土被吸出实际测量区域外。

另一种降低污染的可行方式，是借助狭孔58、60并将其置于一定的超压下，来保持图11中测量空间51和53的清洁。依靠这种方法避免尘埃渗入进测量区内。

还可使用适当喷嘴以脉冲方式将空气吹入由箭头40和42表示的测量空间，该管口依靠脉冲式压力冲击，杂质被冲出测量空间。也可用连续气流代替压力冲击，将杂质带出测量空间。

应当知道所述的措施当然在相同情形下用于图1至图5所示的装置。并同样适用于图7和图8所示的装置。

与图5、图6的实施方式的不同之处是，在于在柱状透镜33之前安置了透镜44。它产生柱光束路径，并与图5和图6所示的实施例中的扇形光束路径形成对比。柱光光束的优越性已结合图3实施例进行了描述。

该测量系统的精确性可随对激光二极管光线的准确瞬间波长的了解而得到进一步提高。光的波长可由衍射范围算出，此时，绕射边界到光源或到传感器的距离必须是已知的。衍射边缘可以是被测物体的绕射边缘或者一个相关于光源或传感器，其位置确定的参考边缘。

图12表示与图9类似，相同标号表示相同的部分。不同的只是传感器16’e的设置，它未被垂直(装置)放置而呈一特定倾斜。直径的计算可采用上述形式或方式实施，其中，传感器16’e的倾斜定位必须相应补偿纠正。在某些环境下，倾斜位置具有的易于避免杂质的优越性。

除电缆10’e或干线不沿与主光束垂直方向而呈一角度方向延伸之外，图13的实施形式与图10是相同的。

上述图12和图13的实施例首要说明的是，并不是必须要求干线轴一定沿与主光束垂直方向延伸。这也同样适用于传感器16’e。

Claims (24)

1．一种测量横截面近似圆形的细长物体，特别是电线或电缆的直径的方法，包括下列方法步骤：

-用在测量平面上呈近似点状的至少一个单色光源的扇形光束照射该物体，其中主光束的方向尽量垂直于物体的纵轴；

-在置于物体对面的单行或多行光敏传感器上接收光线，其中传感器的轴尽量垂直于主光束方向；

-测量物体到传感器或到光源的距离；

-通过对由物体产生的阴影的边缘和被测直径的边缘上的衍射范围中的强度曲线的估算，来确定对应于物体直径的值；

-光源到物体或传感器到物体之间的距离被选定成物体相对边缘的衍射效应不被相互叠加或只是不明显地相互叠加在传感器平面上。

2．一种测量细长物体，特别是小直径电线或电缆的直径的方法，包括下列方法步骤：

-用在测量平面上或点状的至少一单色光源光照射该物体，其中主光束方向尽量垂直于物体纵轴；

-在置于物体对面的单行或多行光敏传感器上接收光线，其中传感器的轴尽量垂直于主光束方向；

-通过对由物体产生的阴影边缘上的衍射范围中的强度曲线的估算，来确定与物体直径相对应的值，其中，可能由于尘埃在衍射范围中强度曲线上产生的干扰，可通过电子方法进行识别、纠正或抑制。

3．根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于从被测衍射范围的强度曲线，确定几何阴影边界位置。

4．根据权利要求1、2和3所述的方法，其特征在于将衍射范围中被测强度曲线和其位置与一组储存的样板曲线进行比较。

5．根据权利要求4所述的方法，其特征在于样板模式被压缩或延展。

6．根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于在被测衍射范围中被估算特征点位置。

7．根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于提供一光学装置以缩小光源和物体的距离。

8．根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于不在光源和被测物体和/或传感器之间提供使扇形光束变形或折射的光学元件。

9．根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于从使对比的样板曲线与被测衍射范围中强度曲线一致时的压缩/延展度得出物体到传感器间的距离。

10．根据权利要求1至8所述的方法，其特征在于从被测衍射范围中强度曲线上的特征点确定物体到传感器间的距离。

11．根据权利要求1至8所述的方法，其特征在于用第二或其后的包含点光源和线型传感器的测量装置测量距离。

12．根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其特征在于平行于物体纵轴的光源的有效区是线形的。

13．根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，其特征在于平行于物体纵轴的线型传感器的光敏件的范围明显大于在传感器轴向上的范围。

14．根据权利要求1至13中的任一项所述的方法，其特征在于采用几个点光源。

15．根据权利要求1至13中的任一项所述的方法，其特征在于通过将被测衍射范围与样板曲线进行对比来认识、纠正或抑制由于杂质引起的干扰。

16．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过在被测衍射范围中呈现的压缩/拉伸度来认识、纠正或抑制由于杂质引起的干扰。

17．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过在被测衍射范围中特征点间的距离来识别、纠正或抑制由于杂质污染引起的干扰。

18．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过被测强度曲线被滤波，使得只有有效测量区内产生的绕射模式进入估算。

19．根据权利要求1至18中的任一项所述的方法，其特征在于利用在测量空间的高压场消除杂质。

20．根据权利要求1至18中的任一项所述的方法，其特征在于将测量空间置于过压下。

21．根据权利要求1至18中的任一项所述的方法，其特征在于在测量空间中以间歇方式进行压力冲击以除去杂质。

22．根据权利要求1至21中的任一项所述的方法，其特征在于通过从被测物体绕射边界的衍射范围，或从参考绕射边界来确定光源波长，和绕射边界到光源或接收传感器之间的距离的方法。

23．根据权利要求1至22中的任一项所述的方法，其特征在于线型传感器(16’e)对于光源(12e)的主要光束方向倾斜。

24．根据权利要求23所述的方法，其特征在于在物体圆周围距离上设置两组光源和传感器装置的安置，其方式使两个线型传感器均与水平线垂直或倾斜。

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