專利名稱：用于電線和電纜的偏心度計(jì)以及用于測量同心度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量電纜和電線的同心度和直徑的系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明涉及
用于非接觸式測量電纜和電線的同心度和直徑的系統(tǒng)和方法。 在絕緣電纜和電線制造期間，人們希望確保導(dǎo)體(例如，金屬絲)準(zhǔn)確處在覆蓋金屬絲的絕緣材料的中心。為了測量其同心度，最便利的辦法是定位并量化絕緣材料的外周，然后測量其中的導(dǎo)體的位置。 為了這里的討論，導(dǎo)體由導(dǎo)電的內(nèi)部材料制成。外部套管包括絕緣材料。兩者的
組合稱為電纜。導(dǎo)體中心和外部套管中心這兩個(gè)位置之間的差定義為偏心度。 在電纜形成時(shí)使用非接觸式測量設(shè)備測量電纜是有益的，因?yàn)楫?dāng)它離開擠出機(jī)
時(shí)，絕緣材料是溫的、柔軟的且容易損壞的。典型地，光學(xué)或磁性儀器用于該目的。在成形
過程期間，電纜在擠出過程中沿縱向恒速移動(dòng)。由于所述金屬絲中的振動(dòng)，電纜也經(jīng)歷橫向
移動(dòng)。歷史上的做法是，在沿電纜軸線的同一點(diǎn)處測量外部絕緣體的直徑和導(dǎo)體的位置，以
獲得偏心度的最佳讀數(shù)。 當(dāng)前的想法是使用光學(xué)和磁性測量裝置，這些裝置位于垂直于電纜縱向軸線的同一測量平面上。當(dāng)前，人們認(rèn)為，如果測量平面處于沿電纜軸線的不同的位置，區(qū)分電纜的實(shí)際偏心度還是角度偏差就會很困難。測量裝置要在同一時(shí)間測量，否則，電纜可能在時(shí)間間隔中橫向移動(dòng)，從而破壞測量。 Kyriakis的美國專利5528141號中所示的一種之前的設(shè)備公開了一種光學(xué)平面和磁性測量平面，且提到在金屬絲上相同點(diǎn)處測量，但不需要在相同平面中同時(shí)測量。Studer的美國專利7068359號中所示的另一設(shè)備公開了設(shè)置在光學(xué)平面兩側(cè)的兩個(gè)磁性傳感線圈。線圈連接在一起，它們的連接方式使得它們形成與光學(xué)測量平面一致的單個(gè)磁性測量平面，并確定與場強(qiáng)相互關(guān)聯(lián)的光學(xué)測量平面前后的場強(qiáng)，以確定與光學(xué)測量平面一致的主動(dòng)感應(yīng)測量平面。該構(gòu)思是在單個(gè)時(shí)間參考點(diǎn)進(jìn)行測量。 現(xiàn)有技術(shù)仍然需要改進(jìn)。本發(fā)明改善了現(xiàn)有技術(shù)，提供了一種新式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)將測量設(shè)備放置在獨(dú)立的沿軸向間隔開的區(qū)域中，以提供一種可靠的測量系統(tǒng)，且允許增加維護(hù)、修理和清潔部件的空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于改進(jìn)電纜和電線的測量系統(tǒng)。 另一 目的在于改進(jìn)用于測量電纜和電線的偏心度和直徑的非接觸式測量。
又一目的在于提供用于電纜和電線的沿軸向區(qū)隔開的三點(diǎn)測量系統(tǒng)。
另一目的在于提供確定金屬絲在電纜內(nèi)的位置的方法。 在本發(fā)明中，所希望的是將光學(xué)和磁性傳感器放置在不同的測量平面中。這減輕了測量區(qū)域的狹促環(huán)境，并為光束和磁性探測器提供了空間。這也改進(jìn)了在本來就臟的且
背景技術(shù)：
在狹窄區(qū)域中需要防塵裝置和空氣噴嘴的環(huán)境中保持傳感器清潔的能力。 相應(yīng)的，本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種裝置，該裝置用于測量基本沿z軸移動(dòng)的長
型物體的偏心度和直徑。所述裝置包括沿z軸在軸向上間隔開的至少三個(gè)分立測量設(shè)備，
每個(gè)設(shè)備可以獲得用以存儲的在z軸預(yù)定點(diǎn)處的不同測量平面中的物體測量值，其中每個(gè)
平面相對于z軸以預(yù)定角度(例如，垂直)定向。這些測量值可以在給定預(yù)定時(shí)刻和為物
體待測量區(qū)域測量的x-y點(diǎn)處獲取。根據(jù)這三組坐標(biāo)，偏心度可以被確定且用于從預(yù)定點(diǎn)
推導(dǎo)測量值?？梢圆捎没谟?jì)算機(jī)的設(shè)備來接收和存儲測量值且確定偏心度。例如在測量
包括絕緣套管和內(nèi)部金屬絲的電纜時(shí)，至少一個(gè)設(shè)備能夠測量金屬絲的位置且一個(gè)設(shè)備能
夠測量套管的直徑，其余設(shè)備可以用于測量金屬絲或套管的直徑。
所述裝置可以包括例如四種不同配置，且以四種不同配置之一布置 兩個(gè)光學(xué)設(shè)備在形成磁性平面的磁性設(shè)備的兩側(cè)上形成平面； 兩個(gè)光學(xué)設(shè)備在形成磁性平面的磁性設(shè)備的一側(cè)上形成平面； 兩個(gè)磁性設(shè)備在形成光學(xué)平面的光學(xué)設(shè)備的一側(cè)上形成平面；或 兩個(gè)磁性設(shè)備在形成光學(xué)平面的光學(xué)設(shè)備的兩側(cè)上形成平面，其中所述設(shè)備定向
為使得所述平面在電纜移動(dòng)時(shí)相對于電纜保持共同的角度。 本發(fā)明也提供用于測量基本沿z軸移動(dòng)的長型物體的偏心度和直徑的方法。本發(fā)明包括步驟(a)采用沿z軸在軸向上間隔開的至少三個(gè)分立測量裝置，使得每個(gè)裝置可以獲得在z軸預(yù)定點(diǎn)處的不同測量平面中的物體測量值，其中每個(gè)平面相對于z軸以預(yù)定角度(例如，垂直)定向；(b)當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)在給定預(yù)定時(shí)刻用每個(gè)設(shè)備獲取測量值，由此獲得物體待測量區(qū)域的三組x-y-z坐標(biāo)；(c)使用這三組坐標(biāo)來確定物體的偏心度；和(d)根據(jù)所得的偏心度計(jì)算物體的直徑。該方法可以優(yōu)選地用于測量電纜和電線。


圖IA是本發(fā)明實(shí)施例的示意性透視圖。 圖IB是本發(fā)明實(shí)施例的示意性透視圖。 圖IC是本發(fā)明實(shí)施例的示意性透視圖。 圖ID是本發(fā)明實(shí)施例的示意性透視圖。 圖2是示出了三個(gè)不同測量平面的示意性透視圖。 圖3示出了本發(fā)明的光學(xué)測量設(shè)備的俯視圖。 圖4示出了本發(fā)明的磁場感應(yīng)測量設(shè)備的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參見附圖，本發(fā)明的裝置和方法總體上由附圖標(biāo)記100、100'、100"和100"'
表示，且尤其適于測量例如電纜4的偏心度和直徑。類似的附圖標(biāo)記表示類似的部件。在擠出(extrusion)過程期間，電纜4處于張力下，因而基本上是直線。從數(shù)學(xué)上來說，空間中兩點(diǎn)限定一條直線，因此，如果一個(gè)人同時(shí)測量兩點(diǎn)，比如外部套管9或內(nèi)部導(dǎo)體3上的兩點(diǎn)，他將會知道電纜4的軸線(如圖1和2所示的z軸)的位置。 本發(fā)明可以采用電線和電纜工業(yè)領(lǐng)域已知的雙軸光學(xué)測微器7、8，以便通過精確地測量由光束投射的陰影而測量直徑。典型的但不是必須的，光束15x和15y設(shè)置成彼此成直角，且電纜4與兩個(gè)光束正交并穿過該交叉部分。相交的光束建立了 x-y測量平面，其 中一個(gè)光束15x測量x坐標(biāo)，且另一光束15y測量y坐標(biāo)。典型的但不是必須的，電纜4正 交地穿過測量平面13。 在一種情況下，本發(fā)明可以采用間隔開一定距離的一對雙軸光學(xué)測微器7、8，可以 確定外部套管9在沿電纜4的z軸的兩個(gè)測量平面中的位置。這些點(diǎn)限定了作為空間直線 的絕緣圓柱體的軸線。通過測量第三平面(該第三平面與兩個(gè)所述光學(xué)平面不重合)中內(nèi) 部導(dǎo)體3的位置，可以確定導(dǎo)體3離先前建立的空間直線有多遠(yuǎn)。導(dǎo)體3從先前限定的直 線偏離的距離決定了偏心度。 在實(shí)踐中，測量的空間順序并不重要，只要沿z軸有至少三個(gè)測量點(diǎn)pl、p2和p3， 有光學(xué)和磁性測量方式的混合，并且它們是為此目的同時(shí)采用的即可。這樣，磁性測量平面 11和12可以位于光學(xué)測量平面13的兩側(cè)或一側(cè)，或在使用兩個(gè)光學(xué)測量平面的情況下，這 些光學(xué)測量平面可以位于磁性測量平面的兩側(cè)或一側(cè)。在兩個(gè)平面中測量內(nèi)部導(dǎo)體3并在 單個(gè)第三平面中測量外部套管9的情況下，測量平面的順序可以有多種。
本發(fā)明建立的構(gòu)思是使用電纜4的z軸線的三維定義作為由兩個(gè)測量點(diǎn)限定的 空間直線，并檢測第三測量點(diǎn)到該直線的距離，確定它離該直線的距離作為偏心度。此外， 本發(fā)明確定的構(gòu)思是，將導(dǎo)體中心軸線z從數(shù)學(xué)角度描述成一條空間直線，該直線由兩個(gè) 磁性測量點(diǎn)Pi和p2 (例如是導(dǎo)體3與兩個(gè)平行測量平面11和12的交叉點(diǎn))的位置限定。 將該直線從數(shù)學(xué)上外推，以預(yù)測它穿過平行的第三光學(xué)測量平面13的點(diǎn)p 3，其中，在光學(xué) 測量平面13上有四個(gè)處于絕緣護(hù)套或套管9的外周上的點(diǎn)10將被測量。外推的點(diǎn)和四個(gè) 光學(xué)測量點(diǎn)的幾何中心之間的距離決定了偏心度。 為了簡單起見，僅描述第三優(yōu)選布置；即兩個(gè)磁性測量設(shè)備位于光學(xué)平面的一側(cè) 上。這在圖1A中示出。其它三種布置的描述類似。 根據(jù)該布置，為了測量偏心度，設(shè)備首先必須建立由導(dǎo)體3的中心所限定的空間 直線z，然后測量外部套管9的外圍的中心離所建立的直線有多遠(yuǎn)。 為了建立第一空間點(diǎn)，該裝置100可以采用布置在與電纜3的z軸基本垂直的平 面11中的一組四個(gè)磁場傳感器5和6。在導(dǎo)體4中感應(yīng)交流電以建立諧振磁場。
這樣的磁場隨著與導(dǎo)體的軸線z的距離增大而減小，從而允許傳感器5和6測量 導(dǎo)體3的位置。優(yōu)選地，將傳感器5和6成對地設(shè)置在平面11中電纜4的相對兩側(cè)上，從而 通過將一個(gè)信號減去另一信號，確定導(dǎo)體在特定平面ll內(nèi)的位置的名義直線指示。這樣， 這兩對傳感器5和6在平面11中設(shè)置成使得能夠建立x和y位置，z軸則為電纜4的軸線。 電纜4大致位于平面11的中心且離四個(gè)傳感器5和6大致等距。傳感器5和6可以是場 傳感線圈(有時(shí)稱為探測線圈)，或可以是稱為磁致電阻的(magenetorestrictive)、磁致 伸縮的(magnetostrictive)或霍爾器件的任何類型的芯片上傳感器(sensor on chip)。 為了形成供這些傳感器來測量的磁場，借助于某種外部電流源(未示出，優(yōu)選是離本發(fā)明 一定距離處的感應(yīng)設(shè)備)用交流電激發(fā)電纜4。 通過測量兩個(gè)x傳感器5的強(qiáng)度并從一個(gè)幅值中減去另一幅值，導(dǎo)體在x軸維度 的位置測量值可以歸結(jié)為一個(gè)數(shù)值。類似地，使用兩個(gè)y傳感器6確定y位置。這樣就在 磁性測量平面11上建立了 x和y坐標(biāo)。 為了建立第二點(diǎn)，相同布置的磁性傳感器5和6位于沿z軸遠(yuǎn)離第一組傳感器5
6和6—較短距離處，且位于基本平行于第一平面11的平面12中。與前面的測量方式相同， x和y分量確定了導(dǎo)體3穿過該第二平面12時(shí)其中心的位置。沿電纜軸線z間隔開一定距 離的這兩組x-y分量唯一地限定了在該裝置內(nèi)的導(dǎo)體3的中心。 這樣，在兩個(gè)平行平面11和12中確定了兩個(gè)唯一點(diǎn)PI和P2，這就確立起一條唯 一的空間直線L，該空間直線L將在唯一的、但未測量的點(diǎn)P 3處穿過基本平行于前兩個(gè)平 面11和12的第三測量平面13，如圖2所示。通過外推，可以預(yù)測該點(diǎn)P3在第三平面13中 的位置。第三測量平面13配備有圖3所示的光學(xué)測量設(shè)備7和8。例如，平面13中的光 學(xué)測量設(shè)備可以為兩種類型中的一種。這些設(shè)備在工業(yè)中為人所熟知，被稱作"照相計(jì)量器 (camera gauge)"和"掃描器"。它們通常用于測量電纜和電線的直徑，但也可以設(shè)置為測 量位置。這兩種類型均有投影光束投射向待測物體，且以典型亞微米級精度測量陰影的尺 寸。當(dāng)這樣的設(shè)備配備有兩個(gè)交叉光束時(shí)，它們能夠測量物體的x和y位置。
光學(xué)設(shè)備7和8確定絕緣材料或套管9的基本上圓形周邊上的四個(gè)點(diǎn)10的位置。 四個(gè)點(diǎn)10的幾何平均值是第三測量平面13中的唯一點(diǎn)14。在圖3中，第三測量平面13中 的光學(xué)確定點(diǎn)14和外推點(diǎn)P3之間的距離就是偏心度。這基本上就是與絕緣體中心相關(guān)的 該導(dǎo)體的中心。 三個(gè)測量平面的位置可以彼此相關(guān)，以幫助前兩個(gè)測量平面11和12中的每對點(diǎn) 來預(yù)測在第三平面13中的點(diǎn)的坐標(biāo)值。裸線或未絕緣金屬絲是近乎完美的同心電纜，因?yàn)?它的絕緣層名義上為零。如果金屬絲可以達(dá)到制成直的程度，這三個(gè)平面就可以借助于測 量裸線在三個(gè)平面的每一個(gè)中的x-y位置而被關(guān)聯(lián)。為了校正測量設(shè)備的非線性，收集電 纜4的多個(gè)位置和角度的數(shù)據(jù)就足夠了。所收集的數(shù)據(jù)包含裸線在三個(gè)平面11、12和13 中的x-y位置。據(jù)此可以進(jìn)行最小二乘法擬合形成方程式，該方程式能夠從開始的兩個(gè)平 面的每對點(diǎn)映射到第三個(gè)平面中的點(diǎn)。基于計(jì)算機(jī)的設(shè)備50可操作地連接到傳感器5、6、 7和8，且配備有用于執(zhí)行在此所述的計(jì)算操作的軟件。在此使用的傳感器可以探測絕對幅 值或角度，以確定位置。 通過提供這些產(chǎn)品，本發(fā)明提供用于確定電纜和電線的偏心度和直徑的更動(dòng)態(tài)的 方法和測量裝置。此外，在測量電纜和電線時(shí)，本發(fā)明提供了更容易工作、維護(hù)和修理的環(huán)境。
權(quán)利要求
一種用于測量基本沿z軸移動(dòng)的長型物體的偏心度和直徑的裝置，所述裝置包括至少三個(gè)分立測量設(shè)備，所述至少三個(gè)分立測量設(shè)備沿所述z軸在軸向上間隔開，使得每個(gè)設(shè)備可以獲得用以存儲的在z軸預(yù)定點(diǎn)處的不同測量平面中的物體測量值，其中，每個(gè)平面相對于z軸以預(yù)定角度定向，并且每個(gè)所述設(shè)備配備為獲得用以存儲的在給定預(yù)定時(shí)刻和實(shí)際x-y坐標(biāo)處的物體測量值；和基于計(jì)算機(jī)的設(shè)備，所述基于計(jì)算機(jī)的設(shè)備可操作地連接到所述測量設(shè)備，所述基于計(jì)算機(jī)的設(shè)備具有軟件裝置以接收并存儲所述三組實(shí)際測量坐標(biāo)值，采用兩組所述實(shí)際坐標(biāo)值以推導(dǎo)第三組預(yù)計(jì)坐標(biāo)值，并借助于計(jì)算第三組預(yù)計(jì)坐標(biāo)值和實(shí)際第三組坐標(biāo)值之間的差來計(jì)算偏心度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量基本沿z軸移動(dòng)的長型物體的偏心度和直徑的裝 置，其特征在于，所述物體是包括絕緣套管和內(nèi)部金屬絲的電纜，第一所述設(shè)備能夠測量金 屬絲的直徑，第二所述設(shè)備能夠測量套管的直徑，第三個(gè)所述設(shè)備能夠測量金屬絲直徑和 套管直徑之一。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量基本沿z軸移動(dòng)的長型物體的偏心度和直徑的裝 置，其特征在于，至少一個(gè)所述設(shè)備包括光學(xué)測量設(shè)備，且所述設(shè)備之一包括磁性測量設(shè) 備。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于測量基本沿z軸移動(dòng)的長型物體的偏心度和直徑的裝 置，其特征在于，進(jìn)一步地包括兩個(gè)光學(xué)設(shè)備，所述兩個(gè)光學(xué)設(shè)備在形成磁性平面的所述磁 性設(shè)備的兩側(cè)上形成平面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于測量基本沿z軸移動(dòng)的長型物體的偏心度和直徑的裝 置，其特征在于，進(jìn)一步地包括兩個(gè)光學(xué)設(shè)備，所述兩個(gè)光學(xué)設(shè)備在形成磁性平面的所述磁 性設(shè)備的一側(cè)上形成平面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于測量基本沿z軸移動(dòng)的長型物體的偏心度和直徑的裝 置，其特征在于，進(jìn)一步地包括兩個(gè)磁性設(shè)備，所述兩個(gè)磁性設(shè)備在形成光學(xué)平面的所述光 學(xué)設(shè)備的一側(cè)上形成平面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于測量基本沿z軸移動(dòng)的長型物體的偏心度和直徑的裝 置，其特征在于，進(jìn)一步地包括兩個(gè)磁性設(shè)備，所述兩個(gè)磁性設(shè)備在形成光學(xué)平面的所述光 學(xué)設(shè)備的兩側(cè)上形成平面。
8. —種用于測量基本沿z軸移動(dòng)的長型物體的偏心度和直徑的方法，所述方法包括步驟(a) 采用沿z軸在軸向上間隔開的至少三個(gè)分立測量設(shè)備，使得每個(gè)設(shè)備可以獲得在z 軸預(yù)定點(diǎn)處的不同測量平面中的物體測量值，其中每個(gè)平面相對于z軸以預(yù)定角度定向；(b) 當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)在給定預(yù)定時(shí)刻用每個(gè)設(shè)備獲取測量值，由此獲得物體待測量區(qū)域 的三組x-y坐標(biāo)值；禾口(c) 使用所述三組坐標(biāo)值來確定物體的偏心度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述物體為電纜。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括采用基于計(jì)算機(jī)的設(shè)備執(zhí)行步驟(c)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中步驟(a)特征在于使得所述分立測量設(shè)備配備為獲得用以存儲的所述測量值，且特征還在于步驟(c)包括采用在其上具有軟件的基于計(jì)算 機(jī)的設(shè)備來處理所述坐標(biāo)值以確定偏心度。
12. —種用于計(jì)算導(dǎo)體在絕緣護(hù)套內(nèi)的位置的方法，所述方法包括步驟(a) 采用至少三個(gè)測量平面，其中至少一個(gè)平面能夠測量內(nèi)部導(dǎo)體的位置以推導(dǎo)第一 平面的第一組坐標(biāo)值，至少一個(gè)平面能夠測量外部護(hù)套的位置以推導(dǎo)第二平面的第二組坐 標(biāo)值，其余平面能夠測量外部護(hù)套的位置和內(nèi)部導(dǎo)體的位置之一以推導(dǎo)第三平面中的第三 組坐標(biāo)值；禾口(b) 使用所述第一組坐標(biāo)值和所述第二組坐標(biāo)值推導(dǎo)所述平面中的所述第三平面中的 預(yù)計(jì)坐標(biāo)組，且將所述預(yù)計(jì)坐標(biāo)組與所述第三組坐標(biāo)值比較以確定所述導(dǎo)體在所述護(hù)套內(nèi) 的偏心度和位置。
全文摘要
一種用于電線和電纜的偏心度計(jì)以及用于測量同心度的方法，其使用三個(gè)測量平面測量導(dǎo)體在絕緣護(hù)套內(nèi)的位置，其中至少一個(gè)測量平面能夠確定導(dǎo)體位置，至少一個(gè)能夠確定外部護(hù)套的圍邊的位置。
文檔編號G01B11/27GK101713634SQ20081016196
公開日2010年5月26日 申請日期2008年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月6日
發(fā)明者R·利文斯頓 申請人:貝塔·萊塞邁克