专利名称：玻璃管外径与壁厚动态监测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种工业在线检测技术，尤其涉及一种能动态地测量玻璃管外径和壁厚的玻璃管外径与壁厚动态监测仪。
目前在许多玻璃管生产流水线上都装备了激光检测仪，它是通过激光扫描技术以非接触方式来测量玻璃管的外径和壁厚，它通常采用用激光折射法，其原理如
图1所示。一束激光A沿玻管轴线平面方向入射到玻管，则从玻管管壁表面层与底面层分别反射与折射出彼此平行的光束A1与A2，用几何光学可证明该两光束分开的距离B与管壁壁厚δ成正比例。因此，只要测出B值即可获得管壁尺寸。基于这种原理制成的仪器使用中最大的问题是工件定位困难。因为玻管是园弧表面有曲率存在，当入射光束A不在玻璃管母线同一个平面上时，光束A1或A2会偏离接收器件，引起信号畸变，甚至丢失，导致测量失败。为了克服这个缺点，有人设想，在拉制玻管生产线上，安装X-Y方向相互垂直的两付导轮，使玻管定位在激光测量区，但是，这必须装备精确夹持的辊轮，才能确保测量的精度。这样的结构，就大大限制了玻管的拉管速度，也不允许玻管径向跳动太大，这些要求，在生产过程中均很难实现。为此，根据这一原理制造的仪器，虽然测量准确、精度高，但不宜动态测壁，只适静态测量使用。
这种激光检测仪虽然在动态时测量玻璃管的外径效果比较好，但是在动态时测量璧厚还不理想，因此只能在玻璃管生产过程中采取离线方式间断地静态监测璧厚，即其测量数据的准确性是建立在玻璃管停止运动时的相对位置，由此在实际生产过程中存在以下问题1．由于现有技术激光测径仪仅检测外径而不测璧厚，所以影响了玻璃管生产调节效力，从而难以提高产品质量；2．由于现有技术激光检测仪是通过激光在玻管表面折射法测量玻管璧厚，或者是在定位很严格的条件下动态测量，由此限制了玻璃管的拉管速度，影响产品的数量。
本实用新型的目的在于提供一种改进的玻璃管外径与壁厚动态监测仪，它能动态地监测玻管的外径与管壁厚度，从而为需要严格监测玻管外径与管壁的生产企业提供一种在线动态监测装置。
本实用新型的目的是这样实现的一种玻璃管外径与壁厚动态监测仪，由激光扫描传感器和控制电路两部分组成，其特点是所述的激光扫描传感器部分包括一激光器，它射出一激光束；一棱镜扫描器，它接受激光器射出一激光束，并通过与其连接的同步电机的带动而旋转，将一激光束形成激光扫描光束；所述的控制电路部分包括一光电转换电路，它与激光扫描传感器中的棱镜扫描器构成光电连接；一闸门处理电路，它与光电转换电路电连接，其接收并处理光电转换电路来的信号，并将信号进行分离后分别送尺寸计数器、与窗口位置计算电路；一计算机控制电路，它与尺寸计数器与窗口位置计算电路连接，并接收与处理来自尺寸计数器与窗口位置计算电路的信号，并将经处理后的信号送外径显示电路与璧厚显示电路。
在上述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪中，其中，所述的外径显示电路包括一与计算机控制电路的输出端连接的键入及显示电路，与键入及显示电路连接的是功率推动电路，该功率推动电路与内显示外径电路相连接。
在上述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪中，其中，所述的外显璧厚电路是由数个LED数码显示管组合而成。
在上述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪中，其中还包括一晶振电路，它位于计算机控制电路输入端，由一晶振器和两分频器组成，其中，所述的晶振器的输出端与闸门处理电路输入端连接，所述的一分频器的输入端与晶振器的另一输出端连接，而分频器的一输出端与计算机控制电路的输入端连接，所述的另一分频器与分频器的另一输出端连接，而其输出端与闸门处理电路的输入端连接。
在上述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪中，其中，在所述的闸门处理电路与计算机控制电路的输入端还设有一频率发生器电路，它包括一频率发生器，该频率发生器的输入端与计算机控制电路的输出端连接，其输出端分成两路，其中，所述的频率发生器的一输出端与裂相及功放电路连接，该裂相及功放电路的输出端与同步电机连接，并控制其旋转，所述的频率发生器的另一输出端与自校窗口信号电路连接，该自校窗口信号电路的输出端与光电转换电路的输出端的测量或自校选择开关相连接。
在上述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪中，其中还包括一光电隔离电路，该光电隔离电路的输入端设置一现场开关，光电隔离电路的输出端与计算机控制电路的输入端连接。
在上述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪中，其中，在所述的计算机控制电路的输出端还设有一数据输出电路，包括一输出和隔离电路，该输出和隔离电路的输入端与计算机控制电路的输出端连接，输出和隔离电路的输出端与电器、音响、D/A打印电路连接。
在上述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪中，其中，在所述的计算机控制电路的输入端还设有一复位和看门狗电路，该复位和看门狗电路的输出端与计算机控制电路的输入端连接。
本实用新型玻璃管外径与壁厚动态监测仪由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果1．连续、不间断、动态。本实用新型由于是在玻璃管生产过程中采取在线的动态监测，因此，既不影响玻璃管的拉管速度，而且监测的是整个玻璃管的数据，提高了产品质量；2．原理正确、结构简单、操作方便，投入少。本实用新型由于采用正确的激光测径仪的原理进行量换算，从而可得到玻管外径值和玻管壁厚值，由此激光束在高速中(平移线速达240米/秒)扫描动态工件，成为玻管外径及壁厚取样载体，从而解决了动态监测这两个尺寸的难题，并且结构简单、操作方便，投入少。
通过以下对本实用新型玻璃管外径与壁厚动态监测仪的一实施例，结合其附图的描述，可以进一步理解本实用新型的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为图1是现有技术采用激光折射法进行非接触方式来测量玻璃管的外径和壁厚的原理图；图2是依据本实用新型提出的玻璃管外径与壁厚动态监测仪中采用激光光点恒速扫描遮光法进行激光测径与壁厚的原理图；图2(a)是激光扫描传感器工作原理图；图2(b)是光电转换电路中测得的光电信号波形图3是本实用新型玻璃管外径与壁厚动态监测仪中整机信息流向及原理框图；图4是本实用新型控制电路中光电转换电路部分的电原理图；图5是本实用新型控制电路中计算机控制电路部分的电原理图；图6是本实用新型控制电路中分离外径电路部分的电原理图；图7是本实用新型控制电路中分离璧厚电路部分的电原理图；图8是本实用新型控制电路中璧厚外显示器电路部分的电原理图；图9是本实用新型玻璃管外径与壁厚动态监测仪中主程序的工作流程图；图10是本实用新型玻璃管外径与壁厚动态监测仪中采样程序的工作流程图；如图2所示，这是本实用新型提出的玻璃管外径与壁厚动态监测仪中采用激光光点恒速扫描遮光法进行激光测径与壁厚的原理图，其动态监测的原理是请参见图2(a)和图2(b)所示，使用高速平行运动的激光束，对拉制中的玻璃管进行恒速扫描(见图2(a))，用光电器件进行检测，得到光强波形(见图2(b))。当激光光束未扫描在玻璃管时，在光强波形上表示为振幅高的信号；当激光光束渐渐地扫描在玻璃管管壁上时，激光光束逐渐被玻璃管管壁所遮挡，在光强波形上表示为振幅逐渐减弱的低信号；当激光光束扫描在玻璃管时，由于玻璃管中部呈空心状，激光光束的遮挡情况减弱，在光强波形上表示为振幅上升的信号。在该光强分布波形中含有玻管外径及壁厚尺寸的信息，请参见图2(b)所示，其中，与玻管外径尺寸相关的信息是C部分，与两侧壁厚尺寸相关的信息是A和B部分，测得C，经当量换算即可得玻管外径值，测得A和B，经当量换算即可得玻管璧厚值，此即为本实用新型的测量原理。当然，信息A和B还与玻管材质(透明度及折射率)以及玻管表面曲率半径有关，为排除这些影响壁厚的因素，仪器使用前先用同一材质的标准样管标定，取得正确的壁厚当量转换系数。由于此激光束是在高速中(平移线速达240米/秒)扫描动态工件，成为玻管外径及壁厚取样载体，从而解决了动态监测这两个尺寸的难题。
如图3所示，这是本实用新型玻璃管外径与壁厚动态监测仪中整机信息流向及原理框图。本实用新型玻璃管外径与壁厚动态监测仪，由激光扫描传感器1和控制电路2两部分组成，激光扫描传感器1发射恒速扫描激光光线，由被测的玻璃管遮挡形成反映玻璃管外径和厚度的光阴影信号，经光电转换进入控制电路2。其中所述的激光扫描传感器1的部分及其工作原理是，一激光器11，该激光器11采用的是HeNe激光器，它通过交流电源220V升压至1200V，再经倍压整流至7000V后激沥HeNe激光器11发射出一激光束至棱镜扫描器12上，通过与棱镜扫描器12连接的同步电机121的带动使棱镜扫描器12旋转形成激光扫描光束，该激光平行光束对被测工件13高速扫描，而恒速扫描线速则由同步电动机121的旋转频率决定，工件13遮挡的光信号通过窗口光栏聚焦后，进入控制电路2。
所述的控制电路2部分包括与激光扫描传感器1构成光电连接的光电转换电路21；与光电转换电路21连接的一闸门处理电路22，包括尺寸计数器221、与窗口位置计算电路222；一计算机控制电路25，它接收与处理来自尺寸计数器221与窗口位置计算电路222的信号，并将经处理后的信号送外径显示电路26与璧厚显示电路27；还包括位于计算机控制电路25输入端的一光电隔离电路23、一晶振电路28、一频率发生器电路29，在计算机控制电路25的输出端还设有一数据输出电路24。
控制电路2各部件的工作原理是光电转换电路21接收通过窗口光栏聚焦的激光扫描光束由被测工件13遮挡的光信号，通过光电转换电路21将该光信号转换成电信号并送入闸门处理电路22；在闸门处理电路22的输入端设置一从选择开关，开关的一侧与频率发生器电路29中的自校窗口信号293连接，用于模拟实际测量信号的校验脉宽信号，频率发生器电路29是制造和调试仪器的辅助电路，其专用于检测仪器工作状态，开关的另一侧与光电转换电路21连接，闸门处理电路22将已经光电转换电路21转换的窗口测量的电信号分解成外径脉宽、壁厚脉宽及窗栏脉宽等三个时域/信号，再分别用尺寸计数器221与窗口位置计算电路222取得测量结果(外径、壁厚、工件在窗口中的位置数值)，送入计算机控制电路25；该计算机控制电路25内含数据、地址和数据总线，RAM,ROM，计数/定时器，并行和串行输入/输出口，自带中断功能，并设计有复位及看门狗电路251等是一个典型的较完整的单片微机小系统，加上扩充的外围芯片，完成以下功能
1)．频率发生器电路29，其中，频率发生器291由晶振分频作振荡源，给可编程时间电路产生同步电机的工作频率，通过裂相及功放电路292组成多相同步电动机驱动器作为棱镜扫描电机的交流电源，此电源幅度与频率不受市电波动的影响。
2)．外径显示电路26，其中，键入与显示电路261中断响应键盘260的操作，并按键值定义的内容处理仪器的功能，如选择仪器工作模式(测量/控制)，输入预值值等，内显示外径电路263由LED数码管组成，用定时更新及自动扫描驱动维持显示。
3)．数据输出电路24，包括包括一输出和隔离电路241和电器、音响、D/A打印电路242，用于仪器回控输出信号经过光电隔离处理与外部设备联系，以便驱动功率输出器件如电磁阀、电磁铁、继电器、接触器、步进电机、还可外接D/A，打印等。
4)．一光电隔离电路23，其输入端设置一现场开关231，用于外部设备中工艺现场的各种开关信号由光电隔离电路23输入，以防引入干扰。
5)．外显璧厚电路27，外径由并行口在仪器箱内部的显示器显示，而壁厚由串口联系的箱外显示器显示。
请结合图3参见图4所示，图4是本实用新型控制电路2中光电转换电路21部分的电原理图。光电转换电路21与图3中激光扫描传感器1构成光电连接，它的作用是将激光扫描光束扫射在被测工件13上的光电信息转换成电信号。在光电转换电路21中，U1为前置放大器，它采用型号为LF356高阻输入运放集成电路芯片组成电流/电压转换器，当窗口激光信号聚焦在PIN管靶面上转成光电流，入前置放大器U1，在B点取窗口信号作为U21和U31的一个输入源，由U2A和U2B组成半峰保持电路，该半峰保持电路U2A和U2B由集成电路LF353组成，半峰值用电位器R42调整，其输出D点作为U31的第二个输入源，U31为比较器，它由型号为LM311的集成电路芯片组成，用以完成外径脉宽检波作用，比较器U31的输出E点含外径脉宽的方波O/E1。R35和D31构成电平作为比较器U21的第二个输入源，比较器U21采用型号为LM311的集成电路芯片，用以完成壁厚脉宽检波作用，其输出G点含壁厚脉宽的方波O/E2。光电转换电路21板安装在工件13现场，上述的外径脉宽的方波O/E1与壁厚脉宽的方波O/E2经电缆长线转入仪器箱内。
请结合图3参见图5所示，图5是本实用新型控制电路2中计算机控制电路25部分的电原理图。计算机控制电路25，它与尺寸计数器221与窗口位置计算电路222连接，并接收与处理来自尺寸计数器221与窗口位置计算电路222的信号，并将经处理后的信号送外径显示电路26与璧厚显示电路27。在计算机控制电路25中，其中核心芯片为U22-8031，含晶振电路，控制器、运算器、内存贮器、定时/计数器、并/串口及总线等。核心芯片为U22-8031与外围芯片合成，完成以下功能1．由U13A,U13B,U13C,U13D组成24MHZ晶振电路，作为外径和壁厚脉宽的计数脉源。
2．U11和U31A组成分频器，取得1MHZ(B8端)方波供外围芯片使用；4．U22型号为74393，是外径脉宽计数电路，所得外径测量值由U32-8031并口P1(脚1-8)读入计算机，它的进位高八位则由内部计数电路计数。3．输入端B5的/tD，输入外径脉宽至U12B，倒相后送入U12C计数闸门10脚，准备计数。
5．输入端B4的w，输入光栏窗宽脉宽至U23，倒相后送入U32-8031的12脚，作为每次扫描完成时的触发采样脉冲，引起计数机中断处理读入一系列测量结果。
6．U31B型号为7474芯片，把光栏窗宽脉w与外径脉宽/tD两个信号结合，形成二个工件在窗口中位置的闸门信号(U31B 9脚与8脚)，送至U41-8253计数电路(14,15脚)，把工件偏离光栏左或右的位置量化，进入计算机处理，即可显示出工件的位置，便于使用户把工件放在居中的最佳位置。
7．U33-75154和U42-74373是地址译码器，提供对外围芯片操作的地址。
8．U43-2732(1)和U44-2732(2)是程序和常数唯读寄存器。
9．U45-2816是电可擦除存储器ROM，用以存放予置设定值实现断电保护。
10．U14-706P、U24A、U23A组成微机的复位电路及看门狗电路，避免出现程序死循环。
请结合图3参见图6所示，图6是本实用新型控制电路2中分离外径电路部分的电原理图。所述的分离外径电路的各部分及其工作原理是从传感器1光电转换电路21的电路板来的含外径脉宽信号O/E1由A3点进入接口电路U52F，该接口电路由型号为4049的集成电路芯片组成，接口电路U52F输出CL即为测量信号，送至选择开关一端。开关另一端ZJ即自校信号，是模拟现场传感器的自校验测试信号，此ZJ信号由可编程时间电路芯片U13-8253的10脚及其后续的一组门电路构成，设计此信号使调试仪器工作变得简单。
从选择开关选通的测量信号进入U51D 9脚，此后的一组门电路完成以下功能1．从U51A 2脚分离出工件外径遮光脉宽/Td(B5)；2．从U41B 8脚分离光栏窗口光照脉宽/W(B4)；3上述的这组门电路中包含了自动填补玻璃管断面中央透光引起的测量误差数值。
此外，另一个功能是执行键查询及扫描显示U23-8279可编程键盘/显示器接口芯片，及其外汇驱动芯片合成，由它读入15个键(0-9数字，P键入确认M测量，C控制↑↓顺序号和逆序号选择)，输出LED的八段段码(a、b、c、d、e、f、g、h)，扫描点亮8组(个)共阴极的LED或晶体二极管(L1-L5五个数值LED,L6一个数值类序号LED,L7一组仪器状态灯，L8一组显示工件在测量区位置灯)；U23-8279的9脚输入开机复位信号。
请结合图3参见图7所示，图7是本实用新型控制电路中分离璧厚电路部分的电原理图。所述的分离璧厚电路的工作要求是完成分离壁厚信号，取出壁厚脉宽并对其计数。该分离璧厚电路的各部分组成和工作原理是输入信号二个，其一是B3的O/E2信号，它来自传感器的“光电转换”电路，其二是B5的/td信号，它来自“外径分离”电路板。利用上述二个信号的复合即从全测量信号中自动分离出反映玻管两侧壁厚脉宽信号/tr(U21的12脚)和/t1(U21的6脚)，并将两信号分别送到U32、U33、U34(74393)计数电路，续后由U22-8255并口芯片读入计算机数据总线。
请结合图3参见图8所示，图8是本实用新型控制电路中璧厚外显示器电路部分的电原理图。所述的壁厚外显示器为使壁厚与外径分成两个显示单元，故设计此电路，并制成一个独立的小显示盒，与主机分开。该壁厚外显示器各部分的组成和工作原理是电路使用串行显示驱动器U12和U11,U12和U11采用的是MC14489集成电路芯片，可直接驱动6个LED，以显示玻管断面的两侧壁厚。U12前是差分总线接收器U21，它采用型号为75175的集成电路芯片，用以接收来自主机的总线发送器，以提高专线通讯接收能力。
请参见图9所示，这是本实用新型玻璃管外径与壁厚动态监测仪中主程序的工作流程图。计算机控制电路25中设有控制软件，其中，软件主程序的任务是扫描键盘输入数据，并处理各种显示内容，其工作流程及其概要见图9所示。
请参见图10所示，这是本实用新型玻璃管外径与壁厚动态监测仪中采样程序的工作流程图。玻璃管外径与壁厚动态监测仪中采样程序是计算机控制电路25中设置的控制软件之一，采样程序的任务是将仪器采样结果由中断程序处理，同时完成回控输出任务，其工作流程及其概要见图10所示。
综上所述，本实用新型玻璃管外径与壁厚动态监测仪由激光器、同步转镜构成恒速激光扫描传感器，通过被测工件所遮挡的测量窗口中之光信号经过光电转换电路进入控制系统，从而把外径及壁厚信号从窗口光电信号中分离出来，再经分别计算、处理，同时获得外径及壁厚尺寸，被后续的LED显示出来，它用单片微机操作运行，并可与反馈装置连接，组成流水线上的在线监控系统；其原理正确、结构简单、操作方便，投入经费少，可适用于需要监测玻管外径与壁厚的玻璃管拉制生产，提供了一种在线动态监测装置，因此，极为实用。
权利要求1．一种玻璃管外径与壁厚动态监测仪，由激光扫描传感器(1)和控制电路(2)两部分组成，其特征在于所述的激光扫描传感器(1)部分包括一激光器(11)，它射出一激光束；一棱镜扫描器(12)，它接受激光器(11)射出一激光束，并通过与其连接的同步电机(121)的带动而旋转，将一激光束形成激光扫描光束；所述的控制电路(2)部分包括一光电转换电路(21)，它与激光扫描传感器(1)中的棱镜扫描器(12)构成光电连接；一闸门处理电路(22)，它与光电转换电路(21)电连接，其接收并处理光电转换电路(21)来的信号，并将信号进行分离后分别送尺寸计数器(221)、与窗口位置计算电路(222)；一计算机控制电路(25)，它与尺寸计数器(221)与窗口位置计算电路(222)连接，并接收与处理来自尺寸计数器(221)与窗口位置计算电路(222)的信号，并将经处理后的信号送外径显示电路(26)与璧厚显示电路(27)。
2．如权利要求1所述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪，其特征在于所述的外径显示电路(26)包括一与计算机控制电路(25)的输出端连接的键入及显示电路(261)，与键入及显示电路(261)连接的是功率推动电路(262)，该功率推动电路(262)与内显示外径电路(263)相连接。
3．如权利要求1所述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪，其特征在于所述的外显璧厚电路(27)是由数个LED数码显示管组合而成。
4．如权利要求1所述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪，其特征在于还包括一晶振电路(28)，它位于计算机控制电路(25)输入端，由一晶振器(281)和两分频器(282、283)组成，其中，所述的晶振器(281)的输出端与闸门处理电路(22)输入端连接，所述的一分频器(282)的输入端与晶振器(281)的另一输出端连接，而分频器(282)的一输出端与计算机控制电路(25)的输入端连接，所述的另一分频器(283)与分频器(282)的另一输出端连接，而其输出端与闸门处理电路(22)的输入端连接。
5．如权利要求1所述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪，其特征在于在所述的闸门处理电路(22)与计算机控制电路(25)的输入端还设有一频率发生器电路(29)，它包括一频率发生器(291)，该频率发生器(291)的输入端与计算机控制电路(25)的输出端连接，其输出端分成两路，其中，所述的频率发生器(291)的一输出端与裂相及功放电路(292)连接，该裂相及功放电路(292)的输出端与同步电机(121)连接，并控制其旋转，所述的频率发生器(291)的另一输出端与自校窗口信号电路293连接，该自校窗口信号电路(293)的输出端与光电转换电路(21)的输出端的测量或自校选择开关(221)相连接。
6．如权利要求1所述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪，其特征在于还包括一光电隔离电路(23)，该光电隔离电路(23)的输入端设置一现场开关(231)，光电隔离电路(23)的输出端与计算机控制电路(25)的输入端连接。
7．如权利要求1所述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪，其特征在于在所述的计算机控制电路(25)的输出端还设有一数据输出电路(24)，包括一输出和隔离电路(241)，该输出和隔离电路(241)的输入端与计算机控制电路(250的输出端连接，输出和隔离电路(241)的输出端与电器、音响、D/A打印电路(242)连接。
8．如权利要求1所述的玻璃管外径与壁厚动态监测仪，其特征在于在所述的计算机控制电路(25)的输入端还设有一复位和看门狗电路(251)，该复位和看门狗电路(251)的输出端与计算机控制电路(25)的输入端连接。
专利摘要本实用新型涉及一种玻璃管外径与壁厚动态监测仪，由激光扫描传感器和控制电路两部分组成，其特点是激光扫描传感器部分包括激光器，棱镜扫描器；控制电路部分包括光电转换电路；与其连接的闸门处理电路，它将信号进行分离后分别送尺寸计数器、与窗口位置计算电路；一计算机控制电路，它与尺寸计数器与窗口位置计算电路连接，接收与处理来自尺寸计数器与窗口位置计算电路的信号，并处理后的信号送外径显示电路与壁厚显示电路。
文档编号G01N21/88GK2447781SQ00249870
公开日2001年9月12日 申请日期2000年10月31日 优先权日2000年10月31日
发明者王建军, 连家德 申请人:上海理日科技发展有限公司, 上海理日光电科技有限公司