CN1265212A - 通过引入其中的信息来对金属物体进行跟踪 - Google Patents

Abstract

本发明的主题为在固体物质制成的物体的表层中加入并检索信息用的方法及装置系统。信息是用射向该表面的聚集射束加入的,聚集射束的功率密度经过选择足以至少在材料的表层引起永久性结构改变。选择的方法为使射束的功率密度大到足以在与射束直径等量级的范围内使材料产生可与通常存在于材料中的结构不均匀可比量的不均匀性,但又不造成明显的变形。本发明适用于其结构或内应力情况可以通过高能量密度的处理进行修改(在处理部位)的材料(特别是可用激光进行局部处理的铁磁性材料)。

Description

通过引入其中的信息来对金属物体进行跟踪

                      发明领域

本发明的主题为一种用于通过变更材料内部结构或者内应力综合制备标记或标记系统，以及用于无损读取这些标记或标记组的方法。本发明还提供一种用于标记并读取该标记的综合系统，因此本发明一方面是一个工艺方法，另一方面又是一个设备系统，依靠高能量密度(HED)的表面处理通过分别变更材料近表层中的组织结构或局部应力来产生标记。在作业过程中，信息是通过一个聚集的射束加到表面上的。该射束的功率密度水平经过调整，能保证至少在表层中材料的结构产生不可逆的改变。这种标记可以通过对其磁学、电学或声学特性的测量来进行无损及无接触的读取，而标记中所含的信息量(编码)或标记的位置(定域)则可用专门的电子仪器或测量系统来测定。

许多领域都使用标记或标记组，这些标记或标记组本身带有信息，或以它们之间的相互关系带有信息。例如汽车的序列号及底盘号、钞票的序列及票号、测量距离的测量工具或标尺上的长度标记。条形码是标记本身带有信息的例子，而在用标记来测量长度的情况下信息便携带在标记之间的距离上。这些标记或是借助于外来物标在基质材料上来形成，例如油漆、销子或圆球的位置，或是通过对载体材料的表面几何形状作目视可察的变更，如冲点、刻线等等。这些标记通常都是适用的，使用者通过使用它们达到自己的目的；但是在有些情况下这些标记是不适用的，因为它们容易被伪造。

                   发明的公开

在许多情况下重要的一点是，信息不能被容易地读取，也就是信息应该是隐藏起来的。在另一些情况下，由于环境条件的原因(例如污染、腐蚀)传统的视觉(光学)读取是不很可靠的。本发明的目标是开发一种跟踪金属物体用的系统，通过向上述金属物体引入或紧固一些符号、标记然后读取它们，并将读取的信息与被记录的数据作比较。该系统包括一个按规定图样向物体上施加信息的标记装置、记录保持装置以及一个从被标记的物体上读取信息用的装置。

本发明更进一步提供关于施加带信息标记的不同方法的资料，公开了读取信息的方法及仪器，如在所附权利要求中限定的那样。

发明简述

通过对材料的近表层进行高能量密度(例如激光)表面处理来制作已知特征的符号、标记或标记组。该标记上带有有助于识别的模拟或数字信息，被进行了编码(例如用条形码表示序列号)或测定其几何位置(例如长度测量中的距离单元)。该标记可以是看不见的(例如被油漆覆盖的，埋入塑料或纸中的，或甚至处于腐蚀表面下的)。该标记可以用静止的或运动的探头在具有空气隙或没有任何空气隙的情况下来读取。该标记的编码信息可以用专门的电子装置进行解码。所规定的间距可用专门的测量仪器来测定。

本申请提出完善地解决这些任务的适用方法，并编制成为系统。

在本申请所述的情况下，信息是由近表层中产生的材料结构的残余变化并通过其可识别的磁学、电学或声学特征的可读性来提供的。使用可按照扫描方式甚至隔着覆盖层(油漆、腐蚀层)以无损、不接触、不破坏或不明显削弱信号的方法测出(读取)的那种结构变化是适合的。此结构变化对于不同的材料可以是不同的(例如对于钢材，组织结构变化、残余应力变化，因而磁学结构的变化都是适用的)。

信号标记和读取的物理学及构造学原理

随着材料近表层中局部发生的结构和/或残余应力状态的改变，其磁学、电学及声学性质也呈现出相应的局部偏离。

随着在局部区域加入(或排出)热能，结果在所有的固体材料中都可以引发出(在应用条件下是残留的)局部的材料蠕动(塑性变形)及局部的残余应力变化。

如果该固体物质可能存在几种不同的结构形态(金相、晶粒、同素异构形式)，那么以所需的能量密度进行处理便可引发出各种局部的结构变化。

众所周知，可磁化材料的磁学、电学性质如导磁率、矫顽力等取决于材料的结构和应力。

因此，可磁化材料的局部应力变化将导致局部的磁学性质变化。

例如，对于低碳钢(含碳量约0.1％)，屈服点附近的应力状态下的Barkhausen噪音(BN)可以达到无应力状态下实测值的一倍。

在可磁化材料中，局部地改变材料结构(或在不可磁化材料中局部地改变磁性材料的结构)将导致局部地改变其磁学性质。

例子：对于含碳量0.2～0.8％的结构钢，用足够高的功率密度的激光器进行表面加热处理，由于材料本身快速向内传热，可以引发出区域性的马氏体转变。同样条件下形成的马氏体转变区域内测得的磁性Barkhausen噪音只有基体材料的几分之一，因此在Barkhausen噪音测量的基础上可以容易地探测到退火区的几何位置及尺寸。

例子：在奥氏体不锈钢中，局部性处理的结果产生了铁磁性变化，结果出现清晰的可测量的磁性Barkhausen噪音值。

由上所述，根据磁学性质的测量便可得出关于应力状态及其变化的推断性结论，在此基础上可以确定所作处理的位置及确凿特征。

对于导电材料，以足够的功率密度进行处理，所得到的局部性材料结构变化将引起局部性的电导率变化，因而可以确定所作处理的位置及确凿特征。

组织结构及机械应力的变化会导致声学特征的变化(音速下降)。

标记的制作(在原料、半成品及成品上)

标记可以采用有特色的高能量密度(HED)工艺来制作。这包括使用激光、等离子体、离子、电子及聚焦光束(取决于所要求的几何特征及材料)，但是任何其他方法，只要其功率密度能形成强烈的加热或冷却而能造成局部结构变化的，都可以考虑。

                       附图简要说明

结合附图及几个非限制性的实例，将更详细地公开本发明及其进一步的特征、优点、实施例及手段。附图中：

图1所示为用激光束来制作标记，通过一聚焦的激光束在工件的表面上运动使其发生温度变化，此温度变化足以造成局部的结构变化(材料结构、残余应力)。

图2表示一组可能的标记的示意性结构，其中多个椭圆围绕在一组标注极限应力峰(有可能使结构破坏的应力)位置的标记周围形成。

图3表示通过Barkhausen噪音测量对一个运动着的构件涂漆表面上的标记进行读取时，可能采取的测量方案。

图4表示检测通量(例如测量磁性Barkhausen噪音)用的感应探头的可能构造方案。

图5表示一由可作用两个独立的测量通道来读取的调整条及数据条组成的杆条系统，而且图中的信号分布为从整理过的信号产生的。

图6表示铁路轨道钢轨中可能采用的距离测量方案。

图7所示为借助于超声波，对组织结构修改所制成的标记进行识别及测定。

图8表示以按半径方向放置的调整条及数据条制成的一组标记，及适于对该标记进行读取的回转式磁头偶。

图9表示杂散通量测量的方框图。

图10表示一杂散通量测量的特征测量参数简图。

图11表示由标记上形成的通量密度在图9所示测量装置的探头上引起的感应电压简图。

图12表示当探头的气隙宽度与标记宽度为可比量时，三个不同距离的标记在图9所示测量装置的探头上引起的感应电压简图。

               优选实施例详述

在对发明进行描述的过程中给出了几个实例，这些实例的给出是建立在本发明基础上的，并考虑到相关领域的专业人员对这些实例的理解将能把发明付诸实际应用。

高能量密度的热传送系统可以有利地用来实现本发明的各个实施例。这里包括用合适的元件有选择地定向并聚焦而具有严格尺寸的各种射线束，特别是光束，这种光束通常以热处理方式用在冶金作业(切割、冶炼、退火)中。热传送也可以以排出热量、局部冷却的方法来实施，例如通过建起一个热桥或将冷却介质的密集射流射到表面上。高能量密度作业工艺的功率密度(P)及有效直径(d)的特征数据为：

激光：P＝10³～10⁸W/mm²，d＝10^-3～10⁰mm；

电子束：P＝10³～10⁷W/mm²，d＝10^-3～10⁰mm；

等离子电弧：P＝10³～10⁴W/mm²，d＝10⁰～10¹mm.

在高能量密度(例如激光)表面处理的情况下，聚焦了的高能量密度射束到达材料表面的结果，使其获得热量而以约10⁷K/s的速率达到作为材料特征的相变温度(取决于表面处理的类型，有的甚至可以熔化)。由于射束与待处理工件之间存在如图1中箭头303所示的相对运动，故相对于工件上的一个点来说，热量输入在快速升温之后便停止了。由于温升是作用在一个与聚焦射束101的大小等比量的很小的体积内的，所以热量输入终止之后，周围的大体积基体材料立刻从处理部位上取走热量，造成一个与加热速率几乎等同的冷却速率。结晶材料有一个特性，当它从高于其相变温度的温度上冷却时它的组织结构要发生变化，这就引起其晶格结构发生变化，从而产生内应力状态的变化。

在点状加热的情况下，工件的未加热部分可看成为半无限空间，在这个半空间的所有方向上排出的热量相同。因此作为标记102的退火区域，其横截面理论上是半圆形的。按照规定位置置位的多个标记102称之为标记群201(图2)。

由退火区所造成的局部内应力场应该用适当的装置保护起来，以防应力的衰变或削弱，同时结构也须进行保护，以防止退火区所可能造成的应力集中为害。一种解决方法是将标记102或标记群201从应力观点上与外界划清界限，具体做法是将其放在退了火的应力分界封闭曲线202内。图2中围绕在标记群201周围的椭圆是这种解决方法的范例。

用激光束(或其他工具如电子束)标记，所采用的工艺数据与许多参量有关。通常这些数据需根据使用情况通过预先的工艺试验来确定。

激光表面处理的作用大小很大程度上受表面对射束的吸收能力及激光波长的影响。处理所使用的激光波长可从供选购的产品集(available selection)中选择。当波长给定以后，增加吸收作用，则用相同功率的激光可使更大体积的材料转变结构；反之，标记相同深度的标记只需较小功率的激光。

例如激光工艺数据(射束功率、照射光斑尺寸、射束相对运动速度等)受材料性质、质量(成分、表面粗糙度、对射束的吸收能力等)及激光束性质(波长、模式结构等)的影响。根据标记制备的实际情况可判定将会出现的变化类型(例如仅仅是组织结构变化还是熔化，或是否会由于处理而发生残余应力变化)。标记的耐用时间取决于标记的制备方法(例如部分残余应力会随时间而衰减)。

为了提高可靠性，标记垂直于线条方向的横截面应该尽可能地类似于半圆形。

例如标记的形状(深度)

-从抗腐蚀观点来看(对铁路钢轨)，标记应该安置得尽可能地深，标记群的距离必须按已知温度(例如20℃)下给定的距离(例如840mm)来构成。

-当标记是用于给汽车车身簿钢板编号时，标记必须是耐久的，但须用不破坏表面质量的方法来制备，而且应该在加工的预备阶段里制备，这样便可在随后的加工阶段中、生产管理中、材料转运或质量保证中使用这些标记。标记施加位置的确定要看标记是在生产过程的哪一步中标入的：如果在冷冲压之前标入，则要标在后续工序较少施加应力的平板上；如果是在冷冲压之后标入，则要标在构件较少承受载荷的地方(零应力区)。

在材料的制造过程中制备标记

标记不但可在载体材料制成以后制备，也可在载体材料制造过程中制备。这时标记的制备不是通过局部的能量输入，而是用相应的局部能量排出，亦即局部冷却方法(例如用液体射流喷射)。

例如在铸造的时候增加排热量的结果，球状石墨构造便会发展而替代片状石墨构造。局部排热可以通过在与铸造产品适当位置(例如在所谓突出部上)对应的铸模内建立热桥(heat bridges)的方法来达到。

虽然存在一定的局限性，在热轧的时候也有可能应用选择性排热法在辊压产品上标记。

在用快速冷却方法来生产金属—玻璃带材的时候，将冷却筒制成由不同传热性能的几段组成，因而具有可选择的不同的冷却性能。

通过使用引入待标记材料中的标记载体材料来制备标记

工业生产的很多领域中使用复合材料。对于这种材料，其中的所有或大部分组分对本申请的标记和读取系统都将是不可能应用或难于应用的，但是复合材料有可能包含某个可以应用本方法的组分(例如某类型的增强纤维)。标记可以在这种适用组分引入复合材料之前制备，或在某些情况下可在引入之后再制备。这种材料的例子如金属丝增强塑料、金属丝增强纺织品、金属丝纸。如有必要，也可在复合材料中故意加入一种适于标记的组分(例如带有适于标记的金属丝的纸币)。

按照同样原理，此方法也可用于生物材料。

从标记制备标记群

根据使用情况的不同，可以通过不同的途径来将标记102排列成标记群201。

使用所谓调整条503(见图5)来减轻被存储信息读取的困难。该调整条503保证在手工移动探头的情况下，不会由于探头运动速度的不稳定而导致误读，即信号丢失。

图5表示它的一个可能的实施例。

图5所示的杆条系统由调整条与数据条组成，与两个独立的测量通道一起使用。标记102以与数据条504相一致的间隔排列来组成调整条503，并由第一探头501来测量，数据条504由第二探头502来测量。图5中的电压分布505乃是将探头501及502上所感应的电压相加而得到的。在此基础上，原始信息的重建电平在图5中表示为：506-调整条及数据条都不存在，507-探头在两调整条之间，508-探头在调整条上，509-探头在两条数据条及调整条之间，510-探头在数据条及调整条上。

数据条的存在与否(YES/NO，1/0)可在调整条上测得信号的基础上来判定，如果调整条存在而数据条不存在则信息为0，若调整条存在数据条也存在则信息为1。

为了实施一维几何测量(沿一条直线)，可以使用由两条或更多条按与待测距离602垂直的方向伸展的标记102组成的标记群201。

对于传统的条码系统，标记群201的寻找及读取是与方向有关的，如果杆条所伸展的方向与位移方向之间所夹的角度与90度不一致，则标记的易读性由于角度误差而变坏。

如图8所示，如果将标记102如一些径向条围绕一个中心间隔以预定的角度来排列，并以回转探头来读取；那么不管探头从哪个方向接近标记群201，只要感受到它的任何一个要素，便可保证适当的对准。而在感受到所有的标记之后，只要使调整条503之间的间隔都相等，便保证了对准中心的几何测量条件，此时便可读取被编码的信息。

为了实施平面的多维测量，可以使用包含至少两个标记102的标记群201。图8所示为一优选的配置方案。

此时标记的读取不是依靠沿直线运动的探头而是由回转探头进行，而且如图8所示排列的标记群，可用在予定回转半径上运动的探头501及502来读取。根据两个探头所测得的电压之和所进行的信息重建，与上面关于图5的叙述相同。用按较大半径回转并帮助与调整条相交的测量探头501来接近标记群并帮助与标记群对准。对准中心是否准确，可以调整条所产生的信号周期是否均匀来鉴定。探头502用来读取位于调整条里边的数据条上的信息。

标记群201上测得的物理特征在相对位移303的作用下将给出一个电压。可以以该电压存在与否或是该电压的某一个特征值，例如峰值点或拐点的随后位置(sequent position)，存在与否来给标记102赋值；或是对处于半值位置的那些点所对应的值，取其算术平均值作为标记群的测量结果。

标志(标志及标记)的读取原理

所有适于对结构变化的位置及大小进行测定的方法都可考虑用来对标记进行读取。从实践观点来看，则可采用适于进行快速扫描读取的方法。这些方法基本上分别以测量磁学、电学及声学性能的变化为基础进行运作。

最常用的有：Barkhausen噪音、杂散磁通量、涡流电流、超声等测量方法。

这些方法的共同特征为它们适于以不接触的扫描方式来指示局部区域的磁性、导电性或声学性质的变化。

在使用这些方法的之前，已经用前面讲过的标记技术在规定的位置上按规定的几何关系预制了一些结构变化。这些结构变化相应地造成了一些磁、电及声学性能的变化，可以借助于上面列出的方法来测定，从而有可能来确定这些标记的位置、几何关系及它们所含的信息(甚至对于光学上不可见的标记，通过测量也可使其再现)。

用超声方法识别金属材料结构变化的位置及大小的测量方案

图7表示超声波从组织结构变化所形成的标记102的界面上反射的情况，而且基体材料103是适于对标记进行辨识及确定的。

超声波702也适于指示局部结构变化(界面、边界)。组织结构变化所形成的标记102和基体材料103之间存在一个界面，从该界面反射出来的超声波702可以从边界回声或来自任何其他反射表面的回声中分离出来。因此，用超声波发生头及检测头701，根据声程的不同便可测定响应信号703，因而能够识别出标记102并确定其位置。

用无接触的Barkhausen噪音测量方法辨识磁性材料的结构变化及近表层内应力变化的位置及大小的测量方案

众所周知，当磁性材料的磁极性改变符号时会产生所谓磁性Barkhausen噪音，该噪音的一些性质(例如噪音的均方根值)取决于被检测材料的结构及应力状态(Pashley，R.L.：“Barkhausen effect-anindication of stress”，Materials Evaluation，vol.28，No.7，pp.157～161，1970)。

众所周知，激光退火引发出来的残余应力变化及材料结构变化可以通过Barkhausen噪音测量来检测(Altpeter I.，Meyendorf N.：“Microscopic techniques for non-destructive characterization ofmaterials structures and measurement of local residual stresses withhigh resolution”，Proc.of 6th ECNDT Nice，Tome 1，pp.531～535，1994)。

众所周知，磁性Barkhausen噪音测量可以以静态的及对表面进行扫描两种模式来实施(Titto S.I.：“Barkhausen noise Method forStress and Detecting in hard steel”，美国专利No.4,634,976，1987.1.6)。

众所周知，进行磁性Barkhausen噪音测量时，测头无须与被测材料直接接触，测量结果可以用测头与材料表面之间的距离来进行修正。如果测量是在一个特定的气隙厚度下进行的，则所得结果与气隙的尺寸无关(METALELKTROKft：STRESSTEST 20.04 User Guide，1995)。

因此，本申请中用激光表面处理方法制作的标记可以用磁性Barkhausen噪音测头无接触地读取(图3)。

在进行测量时，Barkhausen噪音测头可以直接加到或通过一个气隙或漆层加到目的物302上，该目的物上的标记304带有信息。测头301可以按箭头303所示的方向作相对于标记304的移动，在条形标记的情况下就是按与杆条正交的方向作相对运动。

磁性Barkhausen噪音测量

市场上有磁性Barkhausen噪音测量仪器出售(例如美国AST公司的  STRESSCAN型或METALELEKTRO匈牙利公司的STRESSTEST型)。

测量的原理为对材料作用一个频率为10～100Hz的磁极性改变的正弦波交变激励磁场，来激发起高频电磁响应信号的发射。响应信号通常用一个测量线圈来检测，信号典型地在几百Hz到几百kHz的频带内交变。

适用于Barkhausen噪音测量的器件的构造可在先前的专利(WO96/35974)中找到。

适于该任务的检测器的构造

导磁铁心402在朝向待检测的基体材料103的一边是开口的。部分磁通量线离开通量导体通过待测材料而封闭起来。待测材料被磁通量线通过的那一部分表面称为检测器的视野。视野的尺寸分别与通量导体的宽度、通量导体中的间隙宽度成正比，并与探头和待测材料间的距离及待测材料和通量导体的磁学性能有关。

图4表示几种探头的构造：探头由铁心402及位于铁心402上的线圈401组成，可能的方案如下：403-使用磁带录音头铁氧体芯子的探头，404-使用开槽圆环铁氧体芯子的探头，405-使用磁带录音头的一半的铁氧体芯子的探头，406-使用U形铁氧体芯子的探头。铁心的材料为高频、低Barkhausen噪音、软磁性铁氧体，例如铁粉芯或毫微—结晶材料。

用检测器来测定单独的一条退火标记上的磁性Barkhausen噪音相对于标记位置及大小的分布，该分布的测量精度与检测器视野的特征尺寸和标记的特征尺寸二者之比有关，亦即与检测器视野的特征尺寸和标记上测到的磁性Barkhausen噪音特征位置分布二者之比有关。检测器视野的特征尺寸不可能无限地减小，这是因为检测器的视距，亦即检测器仍能看到材料时的气隙厚度与视野中的较小尺寸是同一数量级的。

通量导体铁心402中的间隙的典型尺寸为零点几毫米，铁心的宽度为几毫米。

激励方向选择

以专利WO96/35497所述作为基础来选择激励方向；所不同的是以激光退火方法制作的杆条其周围应力状态的特征为，其主应力方向与杆条的两个几何方向一致。因此在实践中，激励方向选为与退火杆条平行。

激励水平的优化

激励水平的优化按专利WO 96/35947进行，所不同的是取材料的几个规定点(包括基体材料及退火杆条)上的测量结果的平均值作为该材料的优化激励水平。

扫描速度

根据极性改变频率来确定已知Barkhausen噪音测头的扫描速度范围[3]

用无接触的杂散通量测量方法识别磁性材料的结构变化及近表层内应力变化的位置及大小的测量方案

众所周知，经激光束处理而成的杆条其相对导磁率及磁化曲线是不同于基体材料的。

进一步还知道，在激光束处理杆条的边缘上，由于磁偏和/或残余磁化而形成的磁通量分布可以用一个磁性探头来检测并定位。这种探头的作用原理可以是磁感应(线圈)、霍尔效应、磁阻变化、磁芯谐振。

用磁感应原理测量杂散磁通量的方法来读取标记

众所周知，线圈所环绕的磁通量随时间的变化可以在线圈上感应产生电压。该电压的大小与通量变化速率及线圈的匝数成正比。

带有铁心的感应线圈更适于检测杂散磁通量。检测表面由铁心的形状及气隙的宽度来确定。

进行感应检测时所需的磁通量随时间的变化可由线圈或被测体积作圆环形运动、连续的直线运动或通过磁场连续地随时间而变化来产生。

图9所示为一可能的测试方案筒图。

用一个带铁心的螺旋线圈902来使试样103磁化，线圈902可以与激励单元901相连而以直流或交流电压来励磁；但也可以用一个磁性物体来替代螺旋线圈。当沿着箭头303作相对运动时便可用一个带开口铁心的探头406来检测信号。

接受到的信号102通过一系列的具有合适选定参数的放大器903、905以及滤波器904后，再通过一个A/D转换装置906而数字化，该数字值随后被所连接的个人计算机采集并测定。

探头中感应信号的生成

在测量过程中引起磁化的励磁线圈902与探头406之间的距离恒定。因此在均匀而相对静止的磁场中，探头产生一个常值的感应电压。从磁学方面看，试样相对于探头所作的运动303使基体材料103上所有的点都同样的磁化及去磁，因此磁场是相对地均匀而且各向同性的，并且这种均匀性在所存在的磁通分布1101中没有发生变化，所以在探头406上所感应的电压是恒定的。

由于试样中的退火杆条的磁学(或电学)性质与基体材料不同，因此试样具有不均匀的磁学(或电学)性质，这种不均匀的磁(或电)性质会改变磁场(磁通量1101)。如此产生的磁场变化在探头406内将产生感应电压。

在具有不同磁性的材料组成的物体中，探头406所感应的信号也包括由两种不同性质材料的边界处产生的磁通量变化1101引起的作用。

对检测信号有影响的参数可通过一系列与所给定任务相应的测试来优化。图10示范了这一测试，图中标号所指的是：103-基体材料，102-标记，1004-标记的宽度，1006-探头406的气隙宽度，1005-探头到基体材料103表面的距离，1002-励磁线圈902到基体材料103表面的距离，1007-激励电流强度，1003-励磁线圈902到探头406的距离，303-相对位移速度。

探头所感应的电压取决于基体材料及激光退火杆条、激光退火杆条宽度(1004)、探头的气隙宽度(1006)、探头到试样表面的距离(1005)、励磁线圈到试样表面的距离(1002)、激励电流强度(1007)、励磁线圈到探头的距离(1003)、相对速度的大小(303)。这些参数设定好后，信噪比可以达到7。

在上述参数情况下，如果具有不同性质的杆条的宽度比检测器视野大一个数量级，则可测到如图11所示的曲线；如果检测器的视野与杆条宽度是同比量的，则在一或二条杆条上生成的信号形状如图12所示。

本发明的几个具有特征的应用

1.用于汽车序号的不可见标记及快速无损地读取标记

直到现在，汽车的序号(发动机号、底盘号等)通常都是由制造者用机械方法施加的，例如采用盖章、铆上一块号码牌，有时用涂漆方法。近来，有用激光加上可读的数字，或是在隐蔽而难以接近的地方用激光打上一系列的孔作为标记。这些标记的基本特征是可以用视觉来读取。有些制造者还引入了电子编码。

搜集到的偷窃行为的经验表明，以上这些标志、标记都能以最小的代价轻易地加以改写，而改写的标记可能与原标记视觉混淆(虽然存在核实原标记的方法)。

其它可以使用的方法还有，例如：较易被置换的条形码粘贴物，在强磁场中会被破坏、丢失或在某些情况下可被改写的磁性标记。

本发明的方法较其它已知方法更可靠。标记系统通过适当地更改材料的结构或内应力来产生并储存信息，因而没有用视觉来读取标记的必要性。但是有些材料由于会局部地改变颜色因而标记是可视的。由于读取探头可以通过空气隙甚至通过漆层来感受标记所包含的信息，故标记可以以无损的方式读取。然而在这种情况下标记的位置还应该是已知的，以将测试时间控制在合理的水平上。

在产品制造过程中，在产品上任意选定的习惯部位上(或甚至在底盘的所有部件上)用激光束施加由条形码标记(标记群)组成的顺序标记，该条形码不必是肉眼可见的。以激光束工艺制成的标记(杆条)的深度根据具体目的选定，一般约为零点几毫米。这种标记的施加不比传统方法(如盖数字印章)更昂贵，而且由于激光标记工艺可以容易地插入到生产线中，还能给质量控制带来好处，所以不会给已经成熟运行的生产环境带来问题。标记还可携带临时的生产信息，底盘及部件的数字标记被计算机捕捉后，便对计算机集成制造(CIM)系统提供邦助，因而同时可以提高生产管理效果。

根据用冷标方法制得的底盘零件的编号，可以编纂出每辆汽车的零件清单并加以保存，而且随后的零件更换便可在买卖双方的监督下进行。这套系统也可作为装配管理的基础。

对于含碳量0.1％的轧制不锈钢深冲簿钢板，标记的制作推荐采用类似于TEM₀₀模式结构的二氧化碳激光器，散焦2～3毫米亦即亮点的直径选择为2～3毫米(焦点落入材料内部)，激光功率P＝300～400W，扫描速度约33～50毫米/秒。扫描速度的减少、激光功率的增加、材料吸收能力的增加，相应地都使结构更改的深度增加，同时也出现材料表层熔化的危险性。虽然聚焦直径的减少会使处理的概率深度减小，但减小聚焦光斑直径而同时维持功率水平不变，则将对结构变化产生同样的效果。

所用的器件可以是半导体激光器或其它辐射出密集光线的器件。

使用可以简单地进行调控的激光束对材料进行局部“退火”，造成一条宽度约1毫米深度零点几毫米(0.4～0.5mm)的局部的结构变化或残余内应力变化，从而制成标记。这样制成的标记易于用无损方法读取。读取器件适于用扫描方式通过一个很小的气隙来读取漆层或腐蚀表面下标记所携带的信息。

标记的读取可以使用比较简单的器件来实施，例如：采用具有小气隙的Barkhausen噪音读出器，或回转式杂散通量检测器以扫描模式进行测量。可以将磁性Barkhausen噪音或杂散通量读取探头装在轻巧的可移动的支架上或甚至手动的进行扫描。因为所使用的器件很简单，这就使其可在公路上、或越境点进行快速而可靠的检测。读取器件操作简单，且可以相对较低的花费制成流动的式样。

实例：基于磁性Barkhausen噪音原理进行测量，所选参数如下：

基体材料：含碳量0.1％的钢材

退火条组织：马氏体的体积比率20％

退火条宽度：图10中的1004＝0.8mm

励磁：1kHz正弦波

磁场强度：0.4kA/m

探头匝数：300匝

信号滤波：32kHz～250kHz

信号放大：10⁴

A/D转换：12bit

测量探头速度：0.005m/s

信噪比6.5

实例：基于杂散通量测量原理，所选参数按图10符号为：

基体材料：含碳量0.1％的钢材

退火条组织：马氏体的体积比率20％

探头气隙宽度：1006＝0.4mm

探头到试样表面的距离：1005＝0.8mm

励磁线圈到试样表面的距离：1002＝8.0mm

激励电流强度：1007＝0.35A(0.2kA/m)

励磁线圈到探头的距离：1003＝7mm

相对速度：303＝20m/s

信噪比5.0

在生产线中，所有可以(应该)作标记的部件如底盘、乘客舱、箱包舱、发动机罩、车门等，可以分别地施加标记。此方法不但可以用来施加标记，而且因为汽车的各种部件能够互相配成一套，所以还能实施质量证明。若想要将标记消除(删除或涂改)就必须将构件的温度提高到相变温度以上，这对于常用的车身及底盘材料来说就意味着要升至几百摄氏度，这样做除非损坏漆层或装潢否则实际上是不可能的。因此，即使在传统材料的情况下也不可能用简单的方法来对标记所含的信息事后进行置换。

用精良的激光技术来对已装配好并最终修饰好的汽车进行信息修改，这是昂贵而难办的事，而且事后可能暴露(如对犯罪行为来说)。其部分原因在于这样做会改变终饰状态，部分在于标记的特征与所使用的激光的类型及时间有关，因而标记的深部形状有所变化。所以虽然施加标记并没有给生产线增加多少花费，但事后修改的费用却很大，因此修改几乎是没有意义的。

标记是耐久的，因为要改变标记就必须将构件升温到标记引入时的温度—也就是高于相变温度。

系统的要点

-用来施加标记的激光标记器件(插入所有待标记部件的生产线中)，

-选择标记标入的约定位置，

-选择各部件施加标记的工艺数据，

-与标记内容对应的编码系统，

-用于标记解码的磁性Barkhausen噪音或杂散通量读取探头(放在生产管理或标记验证的每一个解码点上)，

-探头须布置在标记约定位置上，

-进行扫描运动并对编码信号进行译码。

该方法所带来的利益

制造商会对一个更可靠的反偷窃的标记感兴趣，这可能代表着一种销售利益，因为一种更可靠的标记允许你在竞争中提高价格。

保险公司将因为标记不能轻易地修改因而汽车保险的风险降低。

如果制造商愿意采用所述的标记系统，这表示有了新的辨认二手车零件的可能性。

2.使用本发明方法测量钢结构(桥梁、铁路钢轨、建筑物构件等)的变形，或在限定变形的情况下测量其残余应力

用本发明方法来控制构件由于机械应力和/或温度变化造成的尺寸变化是特别有利的，因为标记是标入材料中的。在已知温度下，在无应力状态下以已知的间距所作的标记，它们之间的实际距离在任何时候都因机械应力和/或温度的变化而变化。如果这两种原因的变化同时发生，则机械应力可作为所测得的实际距离的函数而计算出，这里温度的影响通过热膨胀系数及弹性系数考虑进去。

铁路钢轨的中性温度测量

对于焊接轨道，枕木通过轨道紧固件阻止钢轨发生位移。钢轨被夹紧以后，温度的任何变化都将因其膨胀受到约束而在钢轨中造成应力。这种应力称为热应力。在钢轨的测试截面上，其热应力为零时所对应的温度称为中性温度。如果在已知温度下，在已知其热应力状态的钢轨上标入一对标记，而且立即以足够高的精度测出两个标记之间的距离，那么以后便可在任何时候确定当时的热应力状态，也就确定了这段钢轨的中性温度。

焊接铁道中的钢轨由于热膨胀受到限制而造成的热应力可以通过测量标记间的距离、测量时的温度、标记的原始距离及对应的温度四者来确定。而中性温度可由热应力计算得出。

测量程序包括：

-在无应力或应力状态已知的钢轨上，在已知温度下，在已知距离上制作标记，

-钢轨处于运行状态时，在已知温度下测量标记间的距离。

眼下流行的做法，标记是粘贴、钻孔或冲压在钢轨上的一些点，这些点之间的距离通过手工来机械地测量。

新的测量方法的基础是，在钢轨的适当部位用结构变化的方法来制作耐久性的标记，并通过不直接接触的较现有方法更精确的方法来测量这些标记的位置及标记之间的距离。

可以用激光表面处理方法在现有知识的基础上来制作标记。

实际上，制作的不是一个标记，而是一群标记。标记群的位置应该与钢轨的生产标志相接，以便目视寻找。

标记由几条用激光束制成的长度为几毫米的平行杆条组成。

例子：在含碳量0.45～0.6％的钢中以激光退火方法制作标记，推荐使用TEM₀₀模式结构的二氧化碳激光器，设定散焦3～6mm(焦点在材料表面外)，功率P＝300～400W，最小扫描速度200～300mm/min。

降低扫描速度，增加激光功率及材料的吸收能力，都会使结构修改的深度增加，同时也出现表层熔化的危险性。虽然聚焦直径的减小会使处理的概率深度减小，但减小聚焦点直径而同时保持功率水平不变，则将对结构变化起同样的作用。

激光束处理对处理位置上的材料的组织结构进行修改，这种修改可以通过例如基于Barkhausen噪音测量原理的方法，根据噪音值的变化来定位。该噪音值是与位置相关的。标记之间的距离是预定的，并根据读取探头及其它方面的要求而经过优化。标记(杆条)的数量应该多于两个，以增加位置读取的测定精度。最简单的是等距离的标记。标记群在轨道上指明了一个可测定的几何位置。例如一个由三条标记组成的标记群，其对称轴线可以用作测定长度的基准线。根据具体目的不同，该几何位置可以是标记群的起始点、终了点或中间点。

基于磁性Barkhausen噪音原理来读取标记，用以下参数对于信号的制作与读取是有利的：

基体材料：含碳量0.5％的钢材

退火条组织：马氏体的体积比率50％

退火条宽度：图10中的1004＝1.0mm

读取时的励磁：1kHz正弦波

磁场强度：1.0kA/m

探头匝数：300匝

信号滤波：32kHz～250kHz

信号增益：10⁵

A/D转换：12bit

测量探头速度：0.005m/s

信噪比：7.5

如果标记的读取是基于杂散通量测量原理，则用以下参数对标记的制作与读取是有利的(参数符号按图10)：

基体材料：含碳量0.5％的钢材

退火条组织：马氏体的体积比率50％

退火条宽度：1004＝1.0mm

探头气隙宽度：1006＝0.4mm

探头到试样表面的距离：1005＝0.8mm

励磁线圈到试样表面的距离：1002＝10.0mm

激励电流强度：1007＝1.0A(0.6kA/m)

励磁线圈到探头的距离：1003＝10.0mm

相对速度：303＝15m/s

信噪比7.0

标记组必须位于与被标物体的温度相对应的标准距离上，对于钢轨已经焊接在轨道里，标记组要位于与两个标记间的那段钢轨的中性温度(已知的或计算得出的)相对应的标准位置上。

钢轨的规定温度是这样的一个温度(例如20℃)，在该温度下，无应力状态钢轨上的标记群的距离是一个定值(例如，870mm)。此距离称为规定距离。

修正距离是标记组之间的这样的一个距离，同属于它的二组标记必须按照标记所处的钢轨段的温度来形成它；或当钢轨已经焊入轨道中时，按照不同于规定温度的中性温度来形成这个距离。当钢轨处于自由状态时，修正距离可由标记所在处的钢轨温度计算得出；当钢轨已焊入轨道时则可由其中性温度及轨材的热膨胀系数算出。

激光所引起的局部材料结构变化部分，其在与杆条垂直方向的截面形状应是一个半圆(图1)，由于腐蚀的存在，结构变化部分应该尽可能地深(例如0.5mm)，以保证长期可读取。

标记群在钢轨上的位置应该选择在受钢轨弯曲影响最小，以及手动测量设备及车载测量设备都可以读取的地方。为此，作为例子，标记群适宜的位置是在钢轨的头部两侧，低于车轮接触点的地方。图6所示为铁路钢轨601距离测量的可能布局。图中标记群201位于钢轨两侧沿头部下缘的地方。标记群602的距离是同属一个标记群的两个特征点(例如中点)之间的距离。

由钢轨弯曲导致长度变化的效应可以通过测量标在钢轨两边的标记群来进行修正。

标记的位置可用无接触的方法来测定。包括手工及车载在内的许多技术解决方案可以用来实施标记距离的测量。

手工读取

手工读取器件包括两个沿着一条直线运动的探头，两个探头之间的距离是已知的。按照制作标记时所用的工艺规程(指标记群与生产标志间的相对位置)将手工测量器件装到与之对应的位置上。测量探头沿一条直线运动以测量磁性性质的分布，根据此分布便可确定分布中几个特征点之间的距离。知道了该距离以及轨材的热膨胀系数、杨氏模量及温度之后便可确定中性温度。

流动的或扫描的读取

装在一个支架上沿着铁路轨道运动的流动读取器件包括两个测量探头。这两个测量探头位于一条直线上，并与钢轨的标记所在表面接近。探头间的距离是已知的。

在支架沿着一条直线运动的过程中，测量探头读取磁学特征的分布。根据此分布便可确定分布中几个特征点之间的距离。知道了该距离以及轨材的热膨胀系数、杨氏模量及温度之后便可确定中性温度。

测量方法的精度评估

根据我们的现有认识，考虑了所有列举的因素，手工测量方法的中性温度测定的精度为1～2℃；而流动测量方法，当运动速度不超过15m/s时的精度估计为2～3℃。

标记可以在一根新的钢轨即所谓长轨上，或是一段切割好的将要嵌入的钢轨上，用固定设备来制作；或在已经嵌入轨道中的钢轨上以流动设备来制作。

3.钞票和文件上的不可见标记，以及该标记的快速、无损读取

众所周知，在钞票、证券等的制造中使用一种所谓金属丝纸。这是很有意义的，因为金属丝纸的生产及分配是受到限制的，因此很难伪造。纸张中的金属丝携带有一些与印在纸张上的内容有关的信息(例如发行银行的名称)。

使用本专利申请的方法有可能在金属丝上制作一系列与印在纸上的内容有关的标记，例如对于货币来说，币值、系列及序列号。

标记可以在金属丝加入纸张之前加到金属丝上，但也可以结合印在各张纸上的内容单张地加到金属丝上。

用激光退火方法可以对均质的金属丝进行组织结构修改。例如，用TEM₀₀模式结构的二氧化碳激光器，设置为3～6mm散焦(聚焦点在材料表面之上)，以P＝100W的功率，最小扫描速度200～300mm/min对铁-硼-硅玻璃金属进行组织结构修改。

在玻璃金属制造过程中用改变冷却筒排热速度的方法来标入标记。这种情况下，冷却筒带有系统的几何图形(0.5mm宽的结晶粘合剂适于用来形成标记)，因而玻璃金属条包含有相同的标记。这种标记在随后将金属条加到纸张中去的工艺过程中不会发生变化。纸张不会由于向金属输入能量或金属中发生的结构变化而破坏。

对已经制成的纸张中的金属丝标入标记应当采用不会损坏纸张的方法。为此要采用这样的材料，该材料可以通过阻止金属丝吸收所输入能量的途径而能在较低温度下使其相变而不会损坏纸张。例如，一种所谓无定形金属(金属玻璃)或非结晶金属可以在低于纸张闪点的较低温度下发生结构变化(结构松弛及结晶化)，而且这种变化是不可逆的。其所需的能量可用例如电子束来输入。所输入的能量完全被金属丝所吸收(例如对Fe80B20玻璃金属，电子束的能量密度为1200～1700W/cm²，辐照时间为10⁰～10²秒)，因此允许标入独自的符号。

写入金属丝中的信息可用前面叙述过的磁学性质测量方法中的一种来读取。

如果使用基于磁性Barkhausen噪音测量原理的方法来读取标记，用以下参数对于标记的制作与检测是有利的：

基体材料：Fe80B20玻璃金属(无定形)

退火条组织：结构松弛温度约220℃

励磁：1kHz正弦波

磁场强度：0.05kA/m

探头匝数：300匝

信号滤波：32kHz～250kHz

信号增益：105

A/D转换：12bit

测量探头速度：0.005m/s

信噪比：5.5

如果标记的读取是基于杂散通量测量原理，用以下参数对标记的制作与读取是有利的(参数符号按图10)：

基体材料：Fe80B20玻璃金属(无定形)

退火条：结构松弛温度约220℃

退火条宽度：1004＝0.4mm

探头气隙宽度：1006＝0.4mm

探头到试样表面的距离：1005＝0.5mm

励磁线圈到试样表面的距离：1002＝5.0mm

激励电流强度：1007＝0.05A(0.06kA/m)

励磁线圈到探头的距离：1003＝10.0mm

相对速度：303＝10m/s

信噪比6.5

                         总结

^*本发明提供一种在固体材料制成的物体的表面层中写入及检索信息的方法及设备系统。根据本发明，信息是用一股密集的射束射向表面而写入的，该射束具有经过选择的功率密度，至少能使材料的表层结构发生永久性变化，射束的功率密度选为：小于能产生明显变形的射束功率密度；但是大到足以在与射束直径等量级的范围内使材料产生可以与通常存在于材料中的固有的结构不均匀相比拟的不均匀性。

^*本发明可用于其结构和内应力可以通过高能量密度的处理进行更改(在处理部位)的所有材料(优选的是可用激光进行局部处理的铁磁性材料)(图1)。

^*根据本发明，用高能射束处理过的表面上的标记或标记群包括一系列的小斑点、杆条或它们的复合，被安排来携带所要求的信息，特别是用于标入单件号或系列号的条码系统；或按照给定的尺寸标在给定的地点以指明几何位置或地点，特别是供长度测量用的标志或标记群(图2)。

^*标记或标记要素的深度(从表面向材料内部)尺寸或其它尺寸取决于表面处理的特性，这些尺寸应根据被标标记的结构及所含信息的特征来选择，以保证所要求的耐久性及可靠性，即使标记是处于附加的包覆层、漆层以及轻度的表面腐蚀层之下。

^*标记及标记系统可以用所有适于检测材料结构变化的大小及位置的方法来读取，特别是通过磁学及电学性质的测量原理，以无接触、无损坏的方式(以静止或扫描模式)来读取(图3)。

^*只能通过能够引起材料特征结构转变或应力松弛的处理，才能对标记及标记要素进行事后的删除或涂改。

Claims (13)

1.一种通过施加信息到一金属物体中，并且随后读取引入其中的信息及将其与被存储的数据进行比较的跟踪金属物体用的系统，该系统包括一按照规定图样将信息施加到该物体上用的装置；存储装置，以及一从被标记物体中读取信息用的装置，其中施加信息的装置包括一些适于按规定的图样实施局部热能传送的元件，以便通过将待标记物体的表面层永久改变到规定的深度而产生标记；读取信息的装置包括一适于激励被标记物体的表面层至少达到该标记的深度的激励装置，一用于检测通过上述激励在被标记物体中产生的响应信号的检测单元，以及一从上述响应信号的局部不均匀性引起的偏差重建信息用的单元。

2.如权利要求1的系统，其特征在于所述标记装置包括一个能量束发生装置，其中所述能量束的能量密度及射束尺寸足以在被标记物体表层中至少造成一永久性的变化，在上述激励产生的响应信号中引起可检测到的不均匀性，通过比较所述响应信号中存在的不均匀性与未经处理状态下的响应信号，并从被检测的不均匀性重建信息。

3.如权利要求1的系统，其特征在于所述标记装置包括一些适于按照标记的图样从待标记物体的表面局部排出热量的元件。

4.如权利要求3的系统，其特征在于所述排热元件被包括在对该物体进行加工并与待标记物体的表面相接触的设备部分中。

5.如权利要求1至4中任一权利要求的系统，其特征在于所述读取装置包括一个磁激励单元，一个感受被标记物体因响应激励而发出的响应信号的检测单元，以及一个从所检测到的响应信号的变化来重建该标记所携带的信息的单元。

6.如权利要求5的系统，其特征在于所述检测单元包括一个用来检测来自被标记物体表面的磁通量的传感器单元。

7.如权利要求6的系统，其特征在于所述激励单元产生一交变的通量，以及所述的检测单元连有一个Barkhausen噪音检测单元。

8.如权利要求1至4中任一权利要求的系统，其特征在于所述读取装置包括一个适于与被标记物体声学耦合的超声波发生器，一个用来检测被标记物体的响应信号的单元，以及一个用来根据响应信号的不均匀性重建所述标记携带的信息的单元。

9.如权利要求1至8中任一权利要求的系统，其特征在于在所述的标记装置上连有一个距离调整器，用来按照预定的相互间距施加多于一个的标记，并且上述读取装置被固定在测量标记间距的装置上。

10.如权利要求9的系统，其特征在于所述读取装置包括至少两个检测单元，其间的距离符合所述的预定间距。

11.如权利要求1至10的任意系统，其特征在于金属物体附加在非金属物体上。

12.如权利要求11的系统，其特征在于金属物体被合并到所述非金属物体中以标入信息。

13.如权利要求11的系统，其特征在于所述金属物体在标入信息以后提供一个涂层。

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