專利名稱：同步光學(xué)測量和探傷方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及探測材料中缺陷的方法和裝置。具體地說，本發(fā)明涉及探測孔、瑕玷、邊沿缺陷和其它相關(guān)缺陷以及測量工業(yè)片材的特征的方法。
更具體地說，本發(fā)明涉及用來在連續(xù)生產(chǎn)如鋼、鋁、紙張、箔和塑料等產(chǎn)品時對產(chǎn)品進(jìn)行探傷和測量的工業(yè)光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
有很多光學(xué)方法來探測工業(yè)片材中的孔或瑕玷等光學(xué)可見缺陷。這些幅面或條帶材料的制造商使用光學(xué)探傷和測量系統(tǒng)在生產(chǎn)線上對材料的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，從而提高產(chǎn)量，這包括改進(jìn)質(zhì)量、降低廢品率和減少機(jī)器的停產(chǎn)時間。
這里所說的光學(xué)測量系統(tǒng)通常在線操作，即與產(chǎn)品的制造過程同步進(jìn)行，并且是非接觸型的。
探測小孔、孔、瑕玷、劃傷、條痕、裂縫、切口、破縫或邊沿缺陷等質(zhì)量缺陷是前述光學(xué)探傷和測量系統(tǒng)的重要應(yīng)用。還可以使用上述的系統(tǒng)測量其它類型的缺陷或材料性質(zhì)。對幅面或條帶片材的寬度、長度或邊沿位置的測量是使用這些系統(tǒng)的其它例子。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一種方法是使用CCD(電荷耦合器件)照相機(jī)。對CCD照相機(jī)光電元件的操作可以分為兩個階段整合階段和讀出階段。從光強(qiáng)測量的角度來講，在整合階段中光電元件工作，而在讀出階段則不然。在典型的CCD照相機(jī)系統(tǒng)中，每個CCD照相機(jī)光電元件記錄在一定整合時間內(nèi)落到其上的整合光強(qiáng)。在對光電元件進(jìn)行讀取之前，所得到的整合電荷存儲在每個CCD光電元件中。通常光子產(chǎn)生的總電荷存儲在每個像素的電容中。當(dāng)光子撞擊像素時，就把少量的電荷加到電容上。這個過程稱為器件的整合過程。
整合過程一直持續(xù)一定的時間，在完成整合過程后，進(jìn)入讀出階段。在讀出階段，觀測到并且記錄下與入射光子數(shù)目成正比的電荷，因此能夠以一定的精度得到入射光子數(shù)。完成讀出過程后，沖掉CCD存儲的電荷并且開始新一輪的整合過程。
例如ABB公司的ULMA產(chǎn)品系列在幅面探傷中使用CCD照相機(jī)，參見ABB的“ULMA Nti tuote data”產(chǎn)品說明。早期的ULMA產(chǎn)品使用光電晶體管產(chǎn)生光電流。


圖1的流程圖解釋了現(xiàn)有技術(shù)。在階段101，片材靜止或經(jīng)過一個或多個光學(xué)光源和光探測器之間和/或之前。在階段111一個或幾個光源發(fā)射光束并且把光束照射到片材上。在階段121，射向材料的光束與要探傷或測量的片材相互作用。
在階段131，在一個或多個光探測器處探測到光。在階段141，該一個或多個光探測器把入射光轉(zhuǎn)換為光電流信號。在階段151，操作和處理光電流信號以確定材料的特征?，F(xiàn)有技術(shù)這種類型的解決方案可以參見GB 2181834和GB 2087544，這里把它們引入作為參考。
在測量連續(xù)生產(chǎn)的材料或?qū)ζ淙毕葸M(jìn)行探傷時也使用光電倍增管(PMT)。PMT最常用于探測材料中的小孔。在材料的一側(cè)使用UV(紫外)光源或掃描激光源而在材料的另一側(cè)使用一個或幾個PMT能夠探測片材中的孔或小孔。當(dāng)材料經(jīng)過測量系統(tǒng)時，使用一個或幾個PMT探測穿過孔的UV或激光。
現(xiàn)有技術(shù)中存在幾個難以克服的缺點(diǎn)。圖1的現(xiàn)有技術(shù)方法易于受到環(huán)境光的影響，并且加在信號強(qiáng)度上的光和電的噪音和水平也是一個常見的問題。
CCD裝置是整合和成像裝置；對于探測速度有嚴(yán)格的限制。如果材料的經(jīng)過速度過大，由于整合和圖像讀出的等待時間的限制，CCD裝置不能拍攝到片材的整個表面區(qū)域。整合方法的CCD照相機(jī)屬于步進(jìn)方式，而不是連續(xù)方式，所以既慢又不可靠。為了進(jìn)行動態(tài)缺陷探測，CCD的整合周期通常很長。
CCD系統(tǒng)通常在可見光波長下運(yùn)行，所以環(huán)境光是一個問題?，F(xiàn)有技術(shù)的一個很大缺陷是或者要遮蔽系統(tǒng)使之免受環(huán)境光的侵?jǐn)_，或者就只能接受環(huán)境光引起的誤差。由于測量在與環(huán)境光相同的波長處進(jìn)行，所以光學(xué)過濾通常不起作用。
CCD照相機(jī)系統(tǒng)是產(chǎn)生被探傷或測量的材料的拍攝類數(shù)字圖像的成像系統(tǒng)。CCD照相機(jī)產(chǎn)生的所以圖像信息通常首先存儲在專門的圖像處理電子設(shè)備或計(jì)算機(jī)的存儲器中，然后傳遞到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中和/或在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行分析，從而把有用的測量信息和不需要的信息中區(qū)分開來。CCD照相機(jī)自身并不能區(qū)別和選擇系統(tǒng)用戶想要的有用探傷或測量數(shù)據(jù)。特別是在大型的工業(yè)探傷和測量系統(tǒng)中，就需要大量的數(shù)據(jù)存儲、傳輸和計(jì)算容量。在很多工廠或工業(yè)設(shè)備中，這種規(guī)模的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)非常昂貴并且布置起來很麻煩。
PMT的機(jī)械強(qiáng)度不好，所以基于PMT的測量系統(tǒng)對沖擊和振動的抵抗性能不好?；赑MT系統(tǒng)的UV光更是出名的不穩(wěn)定，這是由于UV源的壽命通常只有1-2個月。盡管系統(tǒng)光源和環(huán)境光處于不同的波長范圍，但是PMT對環(huán)境光的波長很敏感，所以環(huán)境光還是一個問題。在所探測的材料的邊沿區(qū)域中，為了避免處于材料邊沿處的PMT飽和并且由此不能工作，必須沿著材料的側(cè)面使用單獨(dú)的機(jī)械邊沿隨動遮光裝置。由于這些遮光裝置要在要求很高的工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行機(jī)械移動，從而可能與被探傷或測量的材料出現(xiàn)有害的相互干擾，所以機(jī)械邊沿隨動遮光裝置并不可靠。
從可靠性方面考慮，任何可能與要探傷或測量的材料出現(xiàn)相互機(jī)械干擾的移動部件或部件都是不理想的。例如，當(dāng)邊沿隨動件出現(xiàn)機(jī)械剪切力、應(yīng)變和應(yīng)力時，它們就可能引起測量誤差，并且可能移動最終破壞精密測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)。設(shè)計(jì)基于PMT的UV探傷系統(tǒng)測量較寬的片材很不實(shí)際，這是因?yàn)閷C(jī)械工程有過高的要求和很高的成本。
為了清晰起見定義下面的術(shù)語“光接收器”和“光探測器”在本申請中交換使用。“光探測器”著重指光接收探測器的半導(dǎo)體部分和與之相關(guān)的光學(xué)、機(jī)械和電子部分?！肮饨邮掌鳌敝刂附邮展獾恼麄€光學(xué)、機(jī)械和電子布置，并且包括至少一個光探測器。
“同步信號”是就信號波形、相位和/或頻率而言用來同步發(fā)射器和接收器的信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是減輕和消除前述的一些缺點(diǎn)。本發(fā)明提供的光學(xué)探傷和測量方法及裝置不受強(qiáng)烈環(huán)境光和噪音的影響并且能夠?qū)ζ倪M(jìn)行連續(xù)探傷，而無需使用步進(jìn)整合，并且不會丟失信息。
本發(fā)明的另一個目的是只產(chǎn)生探傷或測量所需的數(shù)據(jù)，并且與現(xiàn)有技術(shù)相比，數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率相對較低。本發(fā)明的另一個目的是用單獨(dú)一個光學(xué)探傷和測量方法及裝置測量片材的很多不同性質(zhì)。
本發(fā)明的各個實(shí)施例由固態(tài)元件組成，因此與現(xiàn)有技術(shù)相比，從機(jī)械強(qiáng)度上講更可靠，對沖擊和振動的抵抗性也越好。本發(fā)明的一個目的是不使用機(jī)械移動系統(tǒng)部件并且以非接觸的方式測量試樣。
本發(fā)明的大部分上述優(yōu)點(diǎn)可以利用下述的探傷和測量方法來實(shí)現(xiàn)，其中基本的測量和探傷信號是在光敏電元件(光電裝置)中產(chǎn)生的光電流。連續(xù)地直接使用這個光電流作為基本的測量和探傷信號。光電流信號出現(xiàn)在為了實(shí)現(xiàn)光發(fā)射和光探測的同步化在測量系統(tǒng)中產(chǎn)生的載波頻率附近。通過與要探傷或測量的材料之間發(fā)生的光相互作用調(diào)制光電流，并且在接收器部分對光電流解調(diào)從而去除環(huán)境干擾、噪音和載波頻率的影響。幾個發(fā)射器向單獨(dú)一個接收器發(fā)射光束，并且發(fā)射器與探測器同步。不同的光束通常具有不同的載波頻率，并且測量片材的不同性質(zhì)。
在本發(fā)明的方法的一個特定的實(shí)施例中，系統(tǒng)包括至少一個基于LED(發(fā)光二極管)的光源，至少一個基于光電二極管的光探測器，至少一個產(chǎn)生交流正弦波或方波控制信號的波形發(fā)生器，載波信號同步至少一個基于LED的光源和至少一個基于光電二極管的光探測器。在這個實(shí)施例中，使用幾個階段、過程和布置來增加本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)-一個要探傷或測量的片材通過至少一個光源和至少一個光探測器之間和/或之前，-至少一個波形發(fā)生器在給定頻率產(chǎn)生具有周期性交流波形的電信號(載波)用來同步對光源和光探測器的控制和操作，-至少一個光源發(fā)射光，其光強(qiáng)跟隨波形發(fā)生器的載波波形，-至少一個光源發(fā)射的光照射到要探傷或測量的片材或片材的一部分上和/或片材邊沿上，-至少一條光束被片材阻斷，從片材上反射，部分通過片材，通過片材中的孔或缺陷，片材使其部分經(jīng)過或者與要探傷或測量的片材相互作用，這些相互作用使得材料對光束強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)幅(AM)，-在與要探傷或測量的片材發(fā)生相互作用后，至少一個光探測器探測和測量經(jīng)過調(diào)幅的光束信號，
-至少一個光探測器把已經(jīng)收到的、經(jīng)過調(diào)幅的光信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)的光電流，-至少一個光探測器或系統(tǒng)隨后的模擬信號處理電子設(shè)備在進(jìn)一步對光電流信號的信號處理過程中至少利用電流-電壓轉(zhuǎn)換和同步探測或解調(diào)以提高系統(tǒng)的探傷或測量信號的質(zhì)量和信噪比，-系統(tǒng)的模擬信號處理部分給每個光探測器產(chǎn)生一個電壓信號(解調(diào)信號)，-光探測器的解調(diào)信號的瞬時絕對值正比于光信號和要探傷或測量的片材之間的相互作用的調(diào)制效果的幅度，-用探傷或測量系統(tǒng)觀測、記錄和分析解調(diào)信號的幅度和/或解調(diào)信號的快速變化以測量諸如片材寬度、片材長度或片材的邊沿位置等片材性質(zhì)，或定位片材中諸如小孔、孔、瑕玷、劃傷、條痕、裂縫、切口、破縫或邊沿缺陷等片材中的缺點(diǎn)或缺陷，-使多于一個發(fā)射器的多于一條光束和一個探測器同步，并且不同的光束測量不同的性質(zhì)，在給出本發(fā)明的最佳模式時也考慮了前述內(nèi)容。本發(fā)明的最佳模式特別適用于使用與同一個探測器同步化的多個光束探測片材中缺陷的三維結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)測量和探傷方法包括至少兩個光發(fā)射器，至少一個光接收器，至少一個與至少一個光發(fā)射器和至少一個光接收器連接的信號發(fā)生器和把接收到的光轉(zhuǎn)換為電流的裝置，其特征在于，-一個片材放置在或經(jīng)過至少兩個光發(fā)射器和至少一個光接收器之間和/或之前，-至少一個信號發(fā)生器通過向至少一個光發(fā)射器和至少一個光接收器發(fā)送同步信號控制它們并且由此同步對光線的發(fā)射和探測，-至少一個信號發(fā)生器用不同的載波頻率、波形和/或相位驅(qū)動至少兩個光發(fā)射器，并且用這些頻率、波形和/或相位驅(qū)動至少一個光接收器，-至少兩個光發(fā)射器發(fā)射至少兩條光線，
-至少兩條光線入射到靜止或經(jīng)過的片材上，-相同一個光接收器探測到來自片材或直接來自光發(fā)射器的至少兩條掠過、透過和/或反射光線，-至少兩條光線轉(zhuǎn)換為光電流，-診斷并且觀測經(jīng)過處理的光電流和/或經(jīng)過處理的光電流中的變化以找出缺陷和/或確定所述片材的特征。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)測量和探傷布置包括至少兩個光發(fā)射器，至少一個光接收器，至少一個與至少一個光發(fā)射器和至少一個光接收器連接的信號發(fā)生器和把接收到的光轉(zhuǎn)換為電流的裝置，其特征在于，-一個片材放置在至少兩個光發(fā)射器和至少一個光接收器之間和/或之前，-布置至少兩個光發(fā)射器發(fā)射至少兩條光線入射到至少一個片材上，-布置至少兩條掠過、透過和/或反射光線使得被相同一個光接收器探測到，-布置至少一條光線使得被至少一個光電裝置把轉(zhuǎn)換為光電流-布置至少一個信號發(fā)生器通過向至少一個光發(fā)射器和至少一個光接收器發(fā)送同步信號控制它們并且由此同步對光線的發(fā)射和探測，-布置至少一個信號發(fā)生器用不同的載波頻率、波形和/或相位驅(qū)動至少兩個光發(fā)射器，并且用這些頻率、波形和/或相位驅(qū)動至少一個光接收器，-布置使得能夠診斷并且觀測光電流和/或光電流中的變化以找出缺陷和/或確定所述片材的特征。
附圖的簡要描述下面參考附圖利用示范性的實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明，在附圖中圖1的流程圖從整體水平上示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法10；圖2的流程圖示出了基于根據(jù)本發(fā)明的同步光學(xué)探測的探傷和測量方法20；
圖3的詳細(xì)示出了基于根據(jù)本發(fā)明的同步光學(xué)探測的探傷和測量方法30的示范性實(shí)施例；圖4的前視圖示出了根據(jù)本發(fā)明對片材進(jìn)行測量和/或缺陷探測時的布置40；圖5的前視圖示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行測量和/或缺陷探測時的布置50和該種布置下的光線圖；圖6的側(cè)視圖示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行測量和/或缺陷探測時的布置60和該種布置下的光線圖；圖7的側(cè)視圖詳細(xì)示出了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行測量和或缺陷探測時的布置70和該種布置下的光線圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的探傷電路和方法80的示意性功能結(jié)構(gòu)圖。
在所附權(quán)利要求中描述了本發(fā)明的一些實(shí)施例。
詳細(xì)描述圖2示出了探傷和測量方法，其中使用了根據(jù)本發(fā)明的同步探測。在階段200，要進(jìn)行探傷或測量的片材放置在或經(jīng)過至少一個光源和至少一個光探測器之間或前面。在階段205，為了實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)中光束發(fā)射和探測的同步，在波形發(fā)生裝置中產(chǎn)生起到控制作用的穩(wěn)頻載波信號。載波可以是交流正弦波、方波或具有其它形式的波形。載波信號輸送給至少一個光源和至少一個光探測器以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)這些部分的同步控制。在階段210，在使用載波信號進(jìn)行光源控制之前，可以把直流補(bǔ)償加到載波信號上從而保證在與最低的發(fā)射光強(qiáng)度對應(yīng)的交流控制信號值處也能夠發(fā)射一定的光強(qiáng)度。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，不需要直流補(bǔ)償，因此階段210是可選的。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，為了建立如下的測量或探傷系統(tǒng)，即光探測器能夠同時探測、區(qū)分和分開源于不同光源的光信號，并且這些光源運(yùn)行在不同波形和/或波形頻率下，可以使用幾個波形發(fā)生裝置來產(chǎn)生幾種波形和/或幾種頻率。在考慮到系統(tǒng)之間光信號的相互干擾時，為了把兩個至少部分獨(dú)立但是彼此很靠近的探傷或測量系統(tǒng)相互隔離，也可以使用幾個波形發(fā)生裝置和波形和/或頻率。幾個發(fā)射器和光束可以聚焦在一個與這些發(fā)射器同步的某個探測器上。不同的光束和發(fā)射器可以具有不同的載波頻率并且它們可以測量片材的不同性質(zhì)。例如，一些光束通過測量能夠從中得到三維結(jié)構(gòu)的性質(zhì)從而刻畫出缺陷的三維結(jié)構(gòu)，這些性質(zhì)包括面積、高度、寬度、深度、直徑、周長以及反射率等。
在階段215中用載波信號控制光源發(fā)射出的光束強(qiáng)度，載波信號在可選階段210中已經(jīng)經(jīng)過了直流補(bǔ)償。使用載波信號控制至少一個光源和/或至少一個光探測器。在階段220中經(jīng)載波控制的光束從光源照射到材料上。光束強(qiáng)度遵循載波信號的波形。在階段225中，一條或多條光束入射到要監(jiān)測或測量的片材上，這些光束被片材吸收和阻斷，從片材上反射，部分通過片材，通過片材中的孔或缺陷，片材使其部分通過或者與片材相互作用。通常會同時或依次發(fā)生幾種前述現(xiàn)象或其它的相互作用。因此片材調(diào)制最初處于載波頻率和隨后的載波波形下的光信號幅度。在階段230中，在光探測器處探測經(jīng)過相互作用和調(diào)制的光信號。在階段230中，每個光接收器接收到的那些源于一個或多個光源的光量根據(jù)測量的幾何尺寸、探傷或測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及與片材的相互作用而變化。在階段235中，光接收器把光對準(zhǔn)或聚焦到光電二極管、APD(雪崩光電二極管)或其它基于半導(dǎo)體的光電、光敏元件或任何其它用來探測光信號的光電裝置上?？梢允褂霉夤芎?或透鏡或其它的光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)和/或聚焦。在階段240中，光電裝置把入射光轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娏?。為了從信號中去掉載波頻率并且恢復(fù)所關(guān)心的較低頻率調(diào)制信號，在階段245中處理和解調(diào)、或者說同步探測光電流。這樣所得到的解調(diào)信號正比于初始載波頻率光信號和片材之間的一種或幾種相互作用的調(diào)制效果的幅度。在階段250中，經(jīng)過解調(diào)的信號輸入到分析電子設(shè)備和軟件中以識別所關(guān)心的信號和信號狀況并且分析信號。在階段255中，觀察、記錄并且分析解調(diào)信號的絕對值和/或快速變化。使用分析結(jié)果來測量片材的所選性質(zhì)，和/或探測片材的缺點(diǎn)或缺陷。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，很明顯一個或幾個光源和一個或幾個光探測器和接收器可以相對于被探測的片材位于任意一條瞄準(zhǔn)線的位置上。在所述的測量或探傷系統(tǒng)中可以使用透射和反射光束以及其它機(jī)理引起的相互作用光束。在一些實(shí)施例中，可以根據(jù)本發(fā)明對階段200，205，210，215，220，225，230，235，240，245，250，255和260采用不同的排列順序。
很明顯在不同的方法中幾個光束可以具有不同的載波波形頻率。在接收器端區(qū)分來自各個發(fā)射器的信號時使用不同的頻率是有用的。這樣就能夠把幾個光束發(fā)送到某一個接收器上并且使用同一個接收器分析來自不同光路的測量。這樣就能夠進(jìn)行三維探測系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)計(jì)，使之能夠探測缺陷的三維結(jié)構(gòu)。
圖3更詳細(xì)地示出了本發(fā)明的一個特殊并且典型的實(shí)施例。在階段300，要進(jìn)行探傷或測量的片材經(jīng)過一個或多個光源和光接收器之間和/或前面。在階段305，為了實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)中一個或幾個光源和一個或幾個光接收器的同步，在電子信號發(fā)生器中產(chǎn)生起到控制作用的穩(wěn)頻載波信號，載波信號具有交流正弦波的波形。交流正弦波載波信號輸送給至少一個光源和至少一個光接收器以實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的同步操作。在階段310，把直流補(bǔ)償加到交流正弦波載波信號上從而保證至少一個發(fā)射器的線性。
在階段315用經(jīng)過直流補(bǔ)償?shù)恼也ㄝd波信號控制光源發(fā)射的光束強(qiáng)度。使用經(jīng)過直流補(bǔ)償?shù)妮d波信號控制一個或幾個光源。光源是基于LED的固態(tài)光源。為了利用光強(qiáng)度追隨載波的正弦波波形而發(fā)射的信號，把經(jīng)過直流補(bǔ)償?shù)慕涣髡也ㄝd波直接轉(zhuǎn)換為各個LED的正向電流信號。因此光信號強(qiáng)度由直流分量和交流正弦波分量組成。從交流正弦波載波信號得到的方波信號用來控制一個或幾個光探測器。在階段320中，受交流正弦波載波控制的光束從光源照射到材料上。在階段335中，一條或多條光束入射到要監(jiān)測或測量的片材上，這些光束被片材吸收和阻斷，從片材上反射，部分通過片材，通過片材中的孔或缺陷，片材使其部分通過或者與片材相互作用。因此片材調(diào)制光信號最初處于正弦波載波頻率下、經(jīng)過直流補(bǔ)償?shù)慕涣髡也ǚ?。在階段330中，在基于光電二極管的光探測器處探測經(jīng)過相互作用和調(diào)制的光信號。在階段335中，使用光管和透鏡把光對準(zhǔn)和聚焦在硅光電二極管的工作區(qū)域上。
在階段340中，硅光電二極管吸收入射可見光子并且把光轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娏鳌Ｔ陔A段340可以使用互阻抗放大器把光電二極管產(chǎn)生的信號電流轉(zhuǎn)換為信號電壓并且放大它。
在階段345中使用信號處理電子設(shè)備從波形發(fā)生器處接收到的控制信號(載波)執(zhí)行同步探測的第一步，信號整流。在這個典型的實(shí)施例中，在階段345中對經(jīng)過整流的信號進(jìn)一步進(jìn)行低通濾波以最終實(shí)現(xiàn)同步探測。這個實(shí)施例中通常使用的濾波器是Bessel濾波器，但是也可以使用Gaussian，Chebyshev，Butterworth或RC濾波器。在一些實(shí)施例中階段340和345一起執(zhí)行解調(diào)或同步探測的功能。
經(jīng)過對光電流信號的處理和同步探測，或者說經(jīng)過對光電流信號的解調(diào)，使得出現(xiàn)在光電流信號中波形發(fā)生器的固定頻率(載波頻率)附近的、由載波頻率所承載的低頻信號分量得到有效放大并且被探測到，而其它頻率下，特別是低頻下的信號、噪聲和擾動則得到有效衰減。在本發(fā)明的一個典型實(shí)施例中，波形發(fā)生器產(chǎn)生的固定頻率交流正弦波電壓起到載波的作用，并且在首次去除信號所有直流分量后在階段340、345中使用對稱、占空比為50％的方波信號對經(jīng)過處理的光電流信號進(jìn)行整流，方波信號經(jīng)過處理正弦波信號得到并且就零交點(diǎn)而言與正弦波具有相同的頻率和相位。在這個典型的實(shí)施例中，對經(jīng)過整流的信號進(jìn)行低通濾波從而最終實(shí)現(xiàn)同步探測，并且在階段350中產(chǎn)生解調(diào)電壓信號。
在這個典型的實(shí)施例中，在階段360中使用ADC電子設(shè)備測量和記錄解調(diào)信號的絕對值。
在階段365中把產(chǎn)生的交流電壓進(jìn)一步輸送到信號處理電子設(shè)備中對基本的交流電壓信號進(jìn)行處理。信號處理電子設(shè)備可以是光探測器自身的一部分或者是探傷或測量系統(tǒng)的系統(tǒng)水平的電子設(shè)備的一部分。信號處理的目的是去除和減少仍然出現(xiàn)在信號中的噪聲和干擾，這些噪聲和干擾通常源于環(huán)境光、其它的光源和/或出現(xiàn)在系統(tǒng)的信號電子設(shè)備中的噪聲。同步探測大幅度地抑制了環(huán)境光的干擾。
信號處理的目的還在于從信號中去除載波頻率并且恢復(fù)所關(guān)心的較低頻率調(diào)制信號(階段345，350)。這個步驟通過去除和減少仍然出現(xiàn)在信號中的噪聲和干擾表現(xiàn)出了同步探測的主要優(yōu)點(diǎn)，其中這些噪聲和干擾源于環(huán)境光、其它的光源或系統(tǒng)的電子設(shè)備。這樣所得到的解調(diào)信號正比于初始載波頻率光信號和片材之間的一種或幾種相互作用的調(diào)制效果的幅度。
很清楚可以使用本發(fā)明范圍內(nèi)的波形發(fā)生器和其它裝置來產(chǎn)生不同于前述交流正弦波電壓的其它波形，為了實(shí)現(xiàn)光電流信號的解調(diào)或同步探測，可以使用線性解調(diào)從而應(yīng)用線性信號倍增來代替方波信號整流。很顯然，驅(qū)動發(fā)射器的信號可以和同步發(fā)射器與接收器的信號具有不同的波形。在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，使用正弦波信號驅(qū)動發(fā)射器，而使用從正弦波得到的方波信號同步至少一個發(fā)射器和接收器。
在一些實(shí)施例中，在階段350，360和365中，進(jìn)一步把信號處理(解調(diào)信號)的信號輸出輸送到系統(tǒng)水平的電子設(shè)備中并且在那里進(jìn)行進(jìn)一步的處理，這些系統(tǒng)水平的電子設(shè)備包括專門的電子設(shè)備來追蹤解調(diào)信號中對于要探傷或測量的材料而言那些屬于異常的變化。在一個典型的實(shí)施例中，在一條信號通道中可以用低通濾波器對解調(diào)信號進(jìn)行進(jìn)一步的濾波，而使用比較器電路通過把經(jīng)過低通濾波的解調(diào)信號和原始解調(diào)信號彼此相減來追蹤解調(diào)信號的快速變化。在這個作為示范的實(shí)施例中，在比較器中可以使用一個確定的信號差別閾值，從而當(dāng)系統(tǒng)測量到例如孔或瑕玷時產(chǎn)生數(shù)字缺陷脈沖。
在一些實(shí)施例中，在階段360，365中可以觀察、記錄和分析解調(diào)信號的絕對值從而得到一些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用來定位探傷或測量的材料中的缺點(diǎn)或缺陷，特別是如果要測量材料的一些性質(zhì)時，如片材寬度、片材長度或片材的邊沿位置時，這些數(shù)據(jù)特別有用。
在階段365，在系統(tǒng)水平的數(shù)字信號處理電子設(shè)備和軟件中分析ADC產(chǎn)生的數(shù)字化信號值。在階段370中，分析通常產(chǎn)生刻畫片材性質(zhì)的數(shù)據(jù)。探傷或測量系統(tǒng)的用戶利用計(jì)算機(jī)顯示器能夠看到這些數(shù)據(jù)，但是本發(fā)明的光學(xué)探測系統(tǒng)可以和任何其它的生產(chǎn)系統(tǒng)或工廠自動化系統(tǒng)結(jié)合在一起從而在連續(xù)制造鋼、鋁、紙張、箔和塑料等材料的生產(chǎn)過程中觸發(fā)自動過程。與之類似，在一些實(shí)施例中，生產(chǎn)管理軟件、企業(yè)資源(EPR)管理軟件等也能夠也能夠獲得所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
很明顯在設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的至少一個發(fā)射器和至少一接收器時考慮了任何形式的電或系統(tǒng)延遲。在一些實(shí)施例中，可以根據(jù)本發(fā)明對階段300，305，310，315，320，325，330，335，340，345，350，360和370采用不同的排列順序。
圖4示出了本發(fā)明的示范性實(shí)施例40，其中要進(jìn)行探傷或測量的片材經(jīng)過光源400和幾個光探測器組件430之間。在圖4中，片材在垂直于該圖的投影平面的方向上通過。在這個實(shí)施例中，光源由如LED(發(fā)光二極管)的固態(tài)發(fā)光器件和如光孔徑、反射表面、漫射材料的光學(xué)元件以及其它元件組成，這些元件使得光射向片材并且保證光從光源均勻發(fā)射出來。LED通常在紅色光波長發(fā)光，但是在本發(fā)明的一些實(shí)施例中也可以使用藍(lán)色光、白色光和IR(紅外)LED。LED可以布置成一行或數(shù)行，同時還布置成所需數(shù)目的列，從而覆蓋探傷或測量系統(tǒng)所需的測量寬度。光源400還包括電子設(shè)備以接收波形發(fā)生器的控制同步信號(載波)，并且控制LED或其它發(fā)光元件的光發(fā)射強(qiáng)度使得光強(qiáng)跟隨波形發(fā)生器的波形。在作為示范的實(shí)施例40中，波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形是交流正弦波電壓，在使用它控制光源前還可以在同步信號(載體)上加上直流補(bǔ)償。有時這樣做是必要的，以保證在與最低發(fā)光強(qiáng)度對應(yīng)的交流正弦波信號值處也要發(fā)射出足夠強(qiáng)的光。在需要穩(wěn)定LED的實(shí)施例中優(yōu)選使用直流補(bǔ)償，但是直流補(bǔ)償絕不是本發(fā)明方法一定要有的要求。
光探測器陣列420包括幾個光探測器組件430，每個光探測器組件430由一個或幾個單獨(dú)的光探測器組成。在這個實(shí)施例40中，一共使用18個光探測器組件進(jìn)行探傷或測量系統(tǒng)的光探測。在這個作為示范的例子中，每個光探測器組件430包括4個光探測器，因此在該系統(tǒng)中一共使用了18×4＝64個光探測器。
要進(jìn)行探傷或測量的片材410經(jīng)過光源400和光探測器陣列420之間。在一些實(shí)施例中，在測量過程中片材可以是靜止的。在這個實(shí)施例中，所關(guān)心的光相互作用是指光通過片材，片材吸收光，光透射過片材，光通過片材中的孔或缺陷，或者光與片材其它形式的相互作用，這些相互作用使得發(fā)生相互作用后至少一些光探測器能夠接收到一定強(qiáng)度的光。典型的材料是紙張、金屬、金屬箔、鍍覆的金屬片材、塑料、橡膠、薄膜或其它任何能夠在連續(xù)的生產(chǎn)線上輸送的片材狀材料。在這些材料中，要探測的缺點(diǎn)或缺陷通常是小孔、孔、瑕玷、劃傷、條痕、裂縫、切口、破縫或邊沿缺陷等。示范性的實(shí)施例40可以用來在線測量輸送片材的寬度和/或位置和/或方向。如果所生產(chǎn)的材料是具有一定不連續(xù)長度的片材，那么可以用這個實(shí)施例的探傷或測量系統(tǒng)探測那些片材的寬度。把測量系統(tǒng)放置在垂直方向能夠用類似的布置方式測量材料的高度。
圖5詳細(xì)地示出了本發(fā)明示范性實(shí)施例50中四個非?？拷墓馓綔y器520。圖5中的視角與圖4類似。在這個實(shí)施例中，光探測器布置在探測器組件560中，每個探測器組件560包括四個光探測器。圖5示出了測量狀態(tài)一個示例，其中的光學(xué)布置使得每個光探測器都具有一定的有限視野(FOV)。在這個實(shí)施例中，光敏光學(xué)器件是硅光電二極管530。通過使用光管540和透鏡550等其它的光學(xué)元件，布置光電二極管使之具有有限的FOV，從而光電二極管只能夠觀察片材的某個有限區(qū)域或位于材料后面的光源的某個有限表面區(qū)域。可視區(qū)域投影到片材表面上的形狀可以是圓形、橢圓形、長方形或者其它形狀，這由光電二極管和其它光學(xué)元件的幾何形狀和尺寸特性決定。當(dāng)投影到片材的表面上時，相鄰光探測器的可視區(qū)域通常重疊。其它的光學(xué)元件540，550限定了從片材表面到光電二極管元件的工作區(qū)域之間光路的聚焦性質(zhì)。在一些實(shí)施例中，光探測器的光學(xué)元件可以包括其它的光學(xué)元件和任意數(shù)目的透鏡?？梢允褂脼V光片把系統(tǒng)的運(yùn)行范圍限制在明確的波長范圍內(nèi)。幾個光探測光電二極管可以使用一個或多個公共透鏡從而組成幾個光探測器。
在探測或測量片材中的孔的示范性應(yīng)用中，其FOV被片材遮蔽的光探測器570通常觀察到片材的一定有限表面區(qū)域。如果材料對于系統(tǒng)中所用光的波長來講是不透明的話，光電二極管通常不能收到任何源于光源的有效光強(qiáng)度。如果材料相對于所用光在一定程度上是透明的話，那么一定量源于光源的光就會穿透材料到達(dá)光探測器，但是此時的光量是均勻的。光信號的均勻性依賴于光穿透正常、無缺陷片材的均勻性。出現(xiàn)在材料中的孔不可避免地要通過探傷或測量系統(tǒng)中一個光探測器的FOV。這由光學(xué)測量系統(tǒng)比片材寬和相鄰光探測器的FOV在一定程度上重疊所保證。當(dāng)孔在光探測器的FOV中時，一些源于光源的光會通過孔并且聚焦在光電二極管上。依賴于孔的尺寸、FOV的尺寸、片材的經(jīng)過速度、測量的幾何形狀、光探測器的光學(xué)元件以及其它的因素，這會導(dǎo)致光電二極管接收到的總光強(qiáng)的變化幅度和時間長度有一個快速、瞬時的變化。這就造成光電二極管的光電流輸出有脈沖型的快速變化。如果與任何源于材料透光性質(zhì)的正常變化的脈沖相比這個脈沖都足夠大時，就能夠從光電二極管的光電流輸出得到可靠的孔探測信號。
可以用類似的方式探測任何其它的缺點(diǎn)或缺陷，只要這些缺點(diǎn)或缺陷使得材料的透光性質(zhì)明顯偏離正常的片材就可以。對于如黑點(diǎn)等那些與正常材料相比穿透更少光的缺點(diǎn)或缺陷來講，可以在半透明材料中用與探測孔類似的方式來探測它們，其間的區(qū)別是信號的極性不同。也就是說，在瑕玷位置光電二極管所接收到的總光強(qiáng)會是快速的脈沖型下降。
在測量行進(jìn)中片材寬度的另一個示范性應(yīng)用中，其FOV位于片材的邊沿區(qū)域的光探測器520部分地觀察到片材的一定有限表面區(qū)域，并且部分地觀察到位于片材后面的光源500。如果對于系統(tǒng)使用的光波長來講材料是不透明的話，那么通常光電二極管530只能接收到源于光源500并且經(jīng)過材料的光。如果材料對于使用的光來講在一定程度上是透明的，那么光電二極管530通常會接收到一定量源于光源500并且穿透材料的光和一定量源于光源500并且經(jīng)過片材的光。透射光分量的均勻性依賴于光穿透正常、無缺陷片材的均勻性。對探傷或測量系統(tǒng)動態(tài)范圍的布置使得當(dāng)沒有材料時光電二極管530以及其它的電子器件也不會飽和。因此這個光探測器總是能夠測量解調(diào)信號的絕對值。解調(diào)信號的絕對值反比于片材遮蔽的這個光探測器的FOV的百分比。片材遮蔽的FOV越大，解調(diào)信號的絕對值越小，反之亦然。片材遮蔽的FOV越小，光源500遮蔽的FOV就越大，這就會導(dǎo)致光電二極管中的光強(qiáng)更高以及更強(qiáng)的解調(diào)信號。通過利用解調(diào)信號值與片材在光探測器的FOV中位置之間的關(guān)系能夠測量、歸一化、校準(zhǔn)光探測器的響應(yīng)，在實(shí)際的工業(yè)測量環(huán)境中能夠得到片材的寬度。
能夠以類似的方式測量片材的任何其它尺寸或片材邊沿的位置。
很清楚使用本發(fā)明這個示范性實(shí)施例中位于片材邊沿處的光探測器520能夠同時測量片材尺寸和/或邊沿位置和片材邊沿區(qū)域中的缺點(diǎn)和缺陷?？梢圆贾霉鈱W(xué)探傷或測量系統(tǒng)來同時記錄解調(diào)信號的絕對值和追蹤解調(diào)信號中的快速瞬時變化。在光探測器520中對解調(diào)信號中的快速瞬時變化的探傷和測量的執(zhí)行方式與在片材完全遮蔽FOV時運(yùn)行光探測器570的方式類似。
很明顯在不同的布置中幾個光束可以具有不同的載波波形頻率。在接收器端區(qū)別來自不同發(fā)射器的信號時使用不同的頻率是有用的。因此能夠把幾個光束發(fā)射到某一個接收器上并且在分析來自不同光路的測量時可以使用同一個接收器。這樣就能夠進(jìn)行三維探測系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)計(jì)。
圖6示出了本發(fā)明的示范性實(shí)施例60，其中要進(jìn)行探傷或測量的片材經(jīng)過光源600和光探測器陣列620前面。在圖6中，片材610從左向右或從右向左經(jīng)過。在這個實(shí)施例中，光源由幾個如LED(發(fā)光二極管)的固態(tài)發(fā)光元件和如光孔徑、反射表面、漫射材料的光學(xué)元件以及其它元件組成，這些元件使得光射向片材并且保證光從光源均勻發(fā)射出來。根據(jù)本發(fā)明可以使用其它的發(fā)光裝置。LED通常在紅色光波長發(fā)光，但是在本發(fā)明的一些實(shí)施例中也可以使用藍(lán)色光、白色光和IR(紅外)LED。LED可以布置成一行或數(shù)行，同時還布置成所需數(shù)目的列，從而覆蓋探傷或測量系統(tǒng)所需的測量寬度。光源還包括電子設(shè)備以接收波形發(fā)生器的控制同步信號(載波)，并且控制LED或其它發(fā)光元件的光發(fā)射強(qiáng)度使得光強(qiáng)跟隨波形發(fā)生器的波形。在作為示范的實(shí)施例60中，波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形是交流正弦波電壓，在使用它控制光源前還可以在同步信號上加上直流補(bǔ)償。有時這樣做是必要的，以保證在與最低發(fā)光強(qiáng)度對應(yīng)的交流正弦波信號值處也要保證光發(fā)射器的線性。
光探測器陣列620包括幾個光探測器組件630，每個光探測器組件630由一個或幾個單獨(dú)的光探測器組成。在這個實(shí)施例40中，一共使用18個光探測器組件進(jìn)行探傷或測量系統(tǒng)的光探測。在這個作為示范的例子中，每個光探測器組件由4個光探測器組成，因此在該系統(tǒng)中一共使用了18×4＝64個光探測器。
圖7詳細(xì)地示出了根據(jù)本發(fā)明的光探測器720，它的布置形式與布置60類似。圖7中的視角與圖6類似。在這個實(shí)施例中，光探測器720布置在探測器組件中，每個探測器組件包括四個光探測器720。圖7示出了測量狀態(tài)的一個示例，其中的光學(xué)布置使得每個光探測器都具有一定的有限FOV。在這個實(shí)施例中，光敏光學(xué)元件是硅光電二極管730，但是在一些實(shí)施例中也可以使用APD或任何其它的光電二極管。通過使用光管740和透鏡750等其它的光學(xué)元件，布置光電二極管使之具有有限的FOV760，從而光電二極管只能夠觀察片材的某個有限區(qū)域。在這個實(shí)施例中布置光源700使之發(fā)射出扇形光束770，它所覆蓋的片材區(qū)域大于光探測器的總FOV區(qū)域。光電二極管可視區(qū)域投影到片材表面上的形狀可以是圓形、橢圓形、長方形或者其它形狀，這由光電二極管和其它光學(xué)元件的幾何形狀和尺寸特性決定。當(dāng)投影到片材的表面上時，相鄰光探測器的可視區(qū)域通常重疊。其它的光學(xué)元件限定了從片材表面到光電二極管元件的工作區(qū)域之間光路的聚焦性質(zhì)。在一些實(shí)施例中，光探測器的光學(xué)元件中可以包括其它的光學(xué)元件和任意數(shù)目的透鏡?？梢允褂脼V光片把系統(tǒng)的運(yùn)行范圍限制在明確的波長范圍內(nèi)。幾個光探測光電二極管可以使用一個公共透鏡從而組成幾個光探測器或一個組合在一起的探測器。
在探測或測量片材中的瑕玷的示范性應(yīng)用中，其FOV被片材遮蔽的光探測器720通常以與片材90度的角度觀察到片材的一定有限表面區(qū)域。依賴于材料的反射特征，一定量源于光源的光就會從材料反射到光探測器，此時的光量是均勻的。該光信號的均勻性依賴于光從正常、無缺陷片材反射的均勻性。出現(xiàn)在材料中的瑕玷不可避免地要通過探傷或測量系統(tǒng)中一個光探測器的FOV。這由光學(xué)測量系統(tǒng)比片材寬和相鄰光探測器的FOV在一定程度上重疊所保證。當(dāng)瑕玷在一個光探測器720的FOV中時，一些源于光源700的光會從瑕玷區(qū)域反射回來，并且其反射效果與從正常材料上反射回來時不同。從片材反射到光探測器720的FOV中的光會聚焦在光電二極管730上。依賴于瑕玷的尺寸、FOV的尺寸、片材的經(jīng)過速度、測量的幾何形狀、光探測器720的光學(xué)元件以及其它的因素，瑕玷出現(xiàn)在FOV中會導(dǎo)致光電二極管730接收到的總光強(qiáng)的變化幅度和時間長度有一個快速、瞬時的變化。這就造成光電二極管的光電流輸出有脈沖型的快速變化。如果與任何源于材料光反射性質(zhì)的正常變化的脈沖相比這個光脈沖都非常大時，就能夠從光電二極管的光電流輸出得到可靠的瑕玷探測信號。
可以用類似的方式探測任何其它的缺點(diǎn)或缺陷，只要這些缺點(diǎn)或缺陷使得材料的反射光性質(zhì)明顯偏離正常的片材就可以。對于如孔等那些與正常材料相比反射更少光的缺點(diǎn)或缺陷來講，可以用與探測黑點(diǎn)類似的方式來探測它們?？梢杂妙愃频姆绞教綔y比正常材料反射更多光的缺點(diǎn)或缺陷，其間的區(qū)別是信號的極性不同。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中可以使用相對于片材的表面運(yùn)行在不同視角的光探測器探測片材中的三維缺點(diǎn)或缺陷?？梢愿鶕?jù)源于片材相同表面位置并且由光探測器接收到的反射信號變化探測這樣的缺點(diǎn)或缺陷。在一個示范性的實(shí)施例中，兩組光探測器在一個平面中分別相對于正在經(jīng)過的材料的速度矢量45度和135度的角度觀察片材的表面，這個平面由速度矢量和垂直于片材的矢量限定。在一些示范性的實(shí)施例中，光束測量缺陷的高度、寬度和深度，在另外的一些實(shí)施例中，光束測量缺陷的面積、周長或其它幾何特征。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，使具有不同頻率的幾個發(fā)射器和相同一個接收器和探測器同步。發(fā)射器和探測器聚焦在相同的區(qū)域上。在這個實(shí)施例中，凸起和凹陷等三維缺陷與污點(diǎn)等二維缺陷明顯不同。污點(diǎn)等二維缺陷使得從左邊和從右邊發(fā)射的光具有均勻的信號變化。但是，對于凸起等三維缺陷，當(dāng)從右邊照射它時，缺陷會造成左邊的陰影，反之亦然，從左邊照射凸起的光會在右邊造成陰影。根據(jù)本發(fā)明當(dāng)信號降低時就意味著探測到這種陰影。
很明顯圖4，5，6和7中的實(shí)施例可以和一個實(shí)際的光學(xué)探測系統(tǒng)組合在一起。所以給出的實(shí)施例都可以以下述形式組合，即示范性實(shí)施例40中的光透射測量可以和示范性實(shí)施例60中的反射測量使用同一個光探測器，可以使用進(jìn)行透射和/或反射測量以及探測片材中缺點(diǎn)或缺陷的光探測器測量材料寬度。在這樣的實(shí)施例中，兩個光源可以從片材的相反兩側(cè)向材料發(fā)射光并且在與片材發(fā)生相互作用后同一組光接收器和光探測器可以接收源于兩個光源的光。很明顯根據(jù)本發(fā)明，可以把光發(fā)射器陣列組合在一起產(chǎn)生信號并且使用光探測器陣列產(chǎn)生要進(jìn)行分析的信號。
在本發(fā)明的典型實(shí)施例中波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形(載波)通常是固定頻率下的交流正弦波電壓信號。但是很顯然波形信號(載波)也可以是矩形波、鋸齒形波和任意其它具有周期性的波。使用控制信號同步對一個或多個光源和一個或多個光探測器的操作。在圖4，5，6和7中的示范性實(shí)施例中，把光電二極管產(chǎn)生的光電流輸送到信號處理電子設(shè)備中對基本的光電流信號進(jìn)行操作和處理。在對信號進(jìn)行操作后，使用信號處理電子設(shè)備從波形發(fā)生器接收到的控制信號(載波)對從光電二極管接收到的信號執(zhí)行同步探測。在本發(fā)明示出的一些實(shí)施例中，首先使用互阻抗放大器把光電二極管產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)換為光電壓。在交流耦合放大器中把光電壓信號的直流分量去掉。波形發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率交流正弦波電壓，并且對稱、占空比為50％的方波信號用來在去掉直流分量后對光電壓信號整流，方波信號經(jīng)過處理這個正弦波信號得到并且就零交點(diǎn)而言與正弦波具有相同的頻率和相位。對經(jīng)過整流的信號進(jìn)行低通濾波從而最終實(shí)現(xiàn)同步探測或解調(diào)。通常使用的濾波器是Bessel濾波器，但是也可以使用Gaussian，Chebyshev，Butterworth或RC濾波器。把經(jīng)過信號處理(解調(diào)信號)的信號輸出進(jìn)一步輸送到系統(tǒng)水平的電子設(shè)備中并且在那里進(jìn)行進(jìn)一步的處理，在這些實(shí)施例中，這些系統(tǒng)水平的電子設(shè)備包括專門的電子設(shè)備來追蹤解調(diào)信號中對于要探傷或測量的材料而言那些屬于異常的快速、瞬時變化。在這些實(shí)施例中，在一條信號通道中用低通濾波器對解調(diào)信號進(jìn)行進(jìn)一步的濾波，而使用比較器電路通過把經(jīng)過低通濾波的解調(diào)信號和原始解調(diào)信號彼此相減來追蹤解調(diào)信號的快速變化。在這些作為示范的實(shí)施例中，在比較器中可以使用一個確定的信號差別閾值，從而當(dāng)系統(tǒng)測量到與所要求的信號閾值對應(yīng)的孔、瑕玷或其它缺陷時產(chǎn)生數(shù)字缺陷脈沖。在一些實(shí)施例中可以使用幾個具有變化閾值水平的比較器。
在這些實(shí)施例中，當(dāng)測量片材的尺寸或片材邊沿的位置時，也觀察和記錄解調(diào)信號的絕對值。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測量和記錄解調(diào)信號的絕對值。
在系統(tǒng)水平的數(shù)字信號處理電子設(shè)備和軟件中分析專用信號分析電子設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)字脈沖和/或ADC產(chǎn)生的數(shù)字化信號值。探傷或測量系統(tǒng)的用戶利用計(jì)算機(jī)顯示器通常能夠看到分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，但是本發(fā)明的光學(xué)探測系統(tǒng)可以和任何其它的生產(chǎn)系統(tǒng)或工廠自動化系統(tǒng)結(jié)合在一起從而在連續(xù)制造材料的生產(chǎn)過程中觸發(fā)自動過程。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的探傷電路和方法80的示范性功能結(jié)構(gòu)圖。
在810接收經(jīng)過解調(diào)濾波的解調(diào)電壓信號。隨后這個信號分到三條不同的信號通道中一條通往放大器820，在那里加上或減去選擇的孔探測閾值電壓，一條通往另一個放大器823，在那里類似地加上或減去選擇的瑕玷探測閾值電壓，還有一條通往低通濾波放大器825。在比較器830，833中比較820、823的輸出和825的輸出，當(dāng)超過所設(shè)定閾值的模擬信號進(jìn)入探傷電路時通過比較器能夠得到數(shù)字化的孔或瑕玷的信號脈沖840，843。
在很多優(yōu)選的實(shí)施例中，為了避免在產(chǎn)生缺陷脈沖后出現(xiàn)靜寂時間，需要快速復(fù)位低通濾波放大器825的輸出，例如在動態(tài)探傷環(huán)境中幾乎同時探測出很多瑕玷和/孔時。在一些實(shí)施例中，這通過把數(shù)字缺陷信號脈沖輸入到電路850中來實(shí)現(xiàn)，電路850在接收到數(shù)字缺陷信號840或843后立刻給低通濾波放大器825產(chǎn)生復(fù)位信號。這樣在探測到缺陷后能夠立刻有效地復(fù)位探傷電路，因此實(shí)際上能夠立刻進(jìn)行進(jìn)一步的探傷操作。
在所有的實(shí)施例中都可以使用幾個光束來同時測量片材的幾個性質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)使幾個發(fā)生器和一個探測器同步并且各個發(fā)射器發(fā)射出具有不同載波頻率的光束來探測片材的不同性質(zhì)時能夠有效地實(shí)現(xiàn)這個目的。在探測缺陷的三維結(jié)構(gòu)時也能夠有效地使用不同的光束。
上面已經(jīng)參考前述的實(shí)施例解釋了本發(fā)明，并且示出了本發(fā)明的幾個優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供了更動態(tài)、可靠的方法來探測片材中的孔和瑕玷等光學(xué)可視缺陷。同時本發(fā)明還可以用來測量連續(xù)制造的產(chǎn)品的其它特征，如幅面或條帶的寬度、長度或邊沿位置。本發(fā)明能夠同時測量片材的幾個性質(zhì)和/或缺陷。另外本發(fā)明還能夠探測缺陷的三維結(jié)構(gòu)。
很明顯本發(fā)明不限于給出的實(shí)施例，而是包括本發(fā)明思想的精神和范圍以及下面的權(quán)利要求中的所有可能實(shí)施例。
參考文獻(xiàn)GB2181834GB208754權(quán)利要求
1.一種光學(xué)測量和探傷方法，包括至少兩個光發(fā)射器，至少一個光接收器，至少一個與至少一個光發(fā)射器和至少一個光接收器連接的信號發(fā)生器和把接收到的光轉(zhuǎn)換為電流的裝置，其特征在于，-一個片材放置在或經(jīng)過至少兩個光發(fā)射器和至少一個光接收器之間和/或之前(200)，-至少一個信號發(fā)生器通過向至少一個光發(fā)射器和至少一個光接收器發(fā)送同步信號控制它們并且由此同步對光線的發(fā)射和探測(205，215，245)，-至少一個信號發(fā)生器用不同的載波頻率、波形和/或相位驅(qū)動至少兩個光發(fā)射器，并且用這些頻率、波形和/或相位驅(qū)動至少一個光接收器，-至少兩個光發(fā)射器發(fā)射至少兩條光線(220)，-至少兩條光線入射到靜止或經(jīng)過的片材上(225)，-相同一個光接收器探測到來自片材或直接來自光發(fā)射器的至少兩條掠過、透過和/或反射的光線(230)，-至少兩條光線轉(zhuǎn)換為光電流(240)，-診斷并且觀測經(jīng)過處理的光電流和/或經(jīng)過處理的光電流中的變化以找出缺陷和/或確定所述片材的特征(250)。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于從不同發(fā)射器射向相同一個接收器的不同光束測量片材的不同性質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于用多于一條光束測量缺陷的三維結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于至少一條所述發(fā)射光線的強(qiáng)度跟隨載波信號波形并且使用該載波波形信號或該載波所產(chǎn)生的另一個信號解調(diào)接收到的光線。
5.如權(quán)利要求1和4所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于至少一個載波波形信號是正弦波、余弦波或方波信號。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于光電流轉(zhuǎn)換為電壓。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于放大得到的光電流或電壓。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于得到的光電流或電壓輸送到探傷電路(80)中，探傷電路包括，-把一個正的或負(fù)的電壓閾值加到進(jìn)入探傷電路的電壓信號上的相加裝置(820，823)，一條低通濾波信號通道(825)，復(fù)位電路的裝置(850)，-當(dāng)探傷或測量系統(tǒng)的解調(diào)或同步探測電路產(chǎn)生超過預(yù)設(shè)定閾值的模擬信號時產(chǎn)生數(shù)字缺陷信號脈沖的裝置(840，843)。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于片材(410，510，610，710)是紙張、鋼、塑料、金屬、橡膠、鋁箔、銅箔、薄膜或鍍覆的金屬片材。
10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于通過所述的光學(xué)測量，得到至少一個缺陷的位置和/或尺寸和/或至少一個缺陷的其它性質(zhì)和/或片材的寬度、厚度、長度、密度、反射率、純度或片材的其它物理性質(zhì)。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于一個或多個缺陷是下述缺陷孔、小孔、劃傷、瑕玷、污點(diǎn)、裂縫、邊沿缺陷、條痕、表面缺陷。
12.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于至少一個光探測器(520，570，720)和/或探測器組件(430，560，630)和/或探測器陣列(420，620)包括至少一個光電裝置(530，730)，透鏡(550，750)和波導(dǎo)(540，740)。
13.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)測量和探傷方法，其特征在于信號發(fā)生器用不同的載波頻率、波形和/或相位驅(qū)動至少兩個光接收器。
14.一種光學(xué)測量和探傷裝置，包括至少兩個光發(fā)射器，至少一個光接收器，至少一個與至少一個光發(fā)射器和至少一個光接收器連接的信號發(fā)生器和把接收到的光轉(zhuǎn)換為電流的裝置，其特征在于，-一個片材(410，510，610，710)布置在至少兩個光發(fā)射器(400，500，600，700)和至少一個光接收器(420，520，620，720)之間和/或之前，-布置至少兩個光發(fā)射器(400，500，600，700)發(fā)射至少兩條光線入射到至少一個片材上，-布置所述的至少兩條掠過、透過和/或反射光線使得被相同一個光接收器(420，520，620，720)探測到，-布置至少一條光線使得被至少一個光電裝置(530，630，730)轉(zhuǎn)換為光電流，-布置至少一個信號發(fā)生器通過向至少一個光發(fā)射器(400，500，600，700)和至少一個光接收器(420，520，620，720)發(fā)送同步信號控制它們并且由此同步對光線的發(fā)射和探測，-布置至少一個信號發(fā)生器用不同的載波頻率、波形和/或相位驅(qū)動至少兩個光發(fā)射器，并且用這些頻率、波形和/或相位驅(qū)動至少一個光接收器，-布置使得能夠診斷并且觀測光電流和/或光電流中的變化以找出缺陷和/或確定所述片材的特征(310)。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)測量和探傷裝置，其特征在于布置成從不同發(fā)射器射向相同一個接收器的不同光束測量片材的不同性質(zhì)。
16.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)測量和探傷裝置，其特征在于用多于一條光束檢測缺陷的三維結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)測量和探傷裝置，其特征在于至少一條所述發(fā)射光線的強(qiáng)度跟隨載波信號波形并且/或者使用該載波波形信號解調(diào)接收到的光線。
18.如權(quán)利要求14和17所述的光學(xué)測量和探傷裝置，其特征在于至少一個波形信號是正弦波、余弦波或方波信號。
19.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)測量和探傷裝置，其特征在于把得到光電流或電壓輸送到探傷電路(80)中，探傷電路包括，-把一個正的或負(fù)的電壓閾值加到進(jìn)入探傷電路的電壓信號上的相加裝置(820，823)，-一條低通濾波信號通道(825)，-復(fù)位電路的裝置(850)，-當(dāng)探傷或測量系統(tǒng)的解調(diào)或同步探測電路產(chǎn)生超過預(yù)設(shè)定閾值的模擬缺陷信號時產(chǎn)生數(shù)字缺陷信號脈沖的裝置(840，843)。
20.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)測量和探傷裝置，其特征在于片材(310，410，510，610)是紙張、鋼、塑料、金屬、橡膠、鋁箔、銅箔、薄膜或鍍覆的金屬片材等。
21.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)測量和探傷裝置，其特征在于通過所述的光學(xué)測量，得到至少一個缺陷的位置和/或尺寸和/或至少一個缺陷的其它性質(zhì)和/或片材的寬度、厚度、長度、密度、反射率、純度或片材的其它物理性質(zhì)。
22.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)測量和探傷裝置，其特征在于一個或多個缺陷是下述缺陷孔、小孔、劃傷、瑕玷、污點(diǎn)、裂縫、邊沿缺陷、條痕、表面缺陷。
23.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)測量和探傷裝置，其特征在于至少一個光接收器和/或探測器(420，520，560，570，620，630，720)包括至少一個光探測器(530，730)，透鏡(550，750)和/或波導(dǎo)(540，740)。
24.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)測量和探傷裝置，其特征在于布置信號發(fā)生器使之用不同的載波頻率、波形和/或相位驅(qū)動至少兩個光接收器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種探測工業(yè)片材中孔和其它相關(guān)缺陷以及測量其特征的方法。光學(xué)探測系統(tǒng)一直受到強(qiáng)烈的環(huán)境光的困擾并且其精度一直很難提高。本發(fā)明提供一種缺陷探測方法和裝置，它能夠免受強(qiáng)烈環(huán)境光的困擾并且能夠?qū)ζ?410，510，610，710)進(jìn)行連續(xù)探傷，而不需要很長的整合時間。在本發(fā)明中，使用了光發(fā)射器和接收器之間的同步探測。本發(fā)明可以用于探傷和測量運(yùn)行在生產(chǎn)線上的紙張、金屬、塑料、橡膠、鋁箔、銅箔、薄膜或鍍覆的金屬片材以及其它的片材狀材料。本發(fā)明還能夠用于探測一些特殊缺陷，這包括孔、小孔、劃傷、瑕玷、裂縫、邊沿缺陷、條痕、表面缺陷以及其它能夠想到的缺陷。
文檔編號G01N21/89GK1711458SQ200380102905
公開日2005年12月21日 申請日期2003年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月5日
發(fā)明者伊羅·希耶塔寧, 海莫·凱雷寧, 塞波·派奧雷特 申請人:Sr儀器公司