专利名称：线径的无接触测量方法和实施该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种线径的无接触测量方法和实施该方法的装置。
在纺织工业中，我们要测量线在行进中的线径，主要是用来反映其缺陷和不纯度。例如，被测线的直径约在0.1mm到几mm之间变化，其行进速度约在0.5m/s到40m/s之间变化。对于精确度来讲，通常允许的分辨力为0.005mm到0.01mm的量级。确切地说，本发明涉及一种无接触式测量方法，该方法在于使用至少一个与待测线相交的光束，该光束最好处在一个与线垂直的平面中，并用于测量线的投影在一个感光接收器上的图像。
第一个方案在于利用一个平行光束，测量投影在一个感光接收器上的图像。这种技术的主要好处在于被测线的截面可以在一个与线行进方向垂直的平面中移动。就像线留在光束内一样，线的截面的测量不受这些移动的干扰，光束是平行的。因为线会移动，所以如果没有对其导向，则在其移动时，就会有波动或振动，因此这种好处是主要的。
但是根据该技术，测量精度与光束的质量特别是与平行度有关。或者说，发射平行光束比较难以实施，这是因为发射光束需要引导光束，所以这种装置的成本相对较高。
另外，如果借助利用衍射的方法进行测量，则使用平行光束就会使投影在接收器上的影子的测量不太可靠。
此外，这种方案只能沿与光束方向垂直的方向测量线径的值，因此这种方案不能测量圆度缺陷，特别是不能对光束方向的缺陷定标记。
为了能够确定这些缺陷，人们使用多个光束，特别是使用沿两个垂直方向的光束。这种结构可以在静止状态下鉴定大多数缺陷。
然而，实施平行光束造成的高昂费用是光束数的倍数，因此这种装置的成本相当高。
第二种方案在于使用至少一个散射光束，最好是使用两个投影在两个垂直接收平面上的基本垂直的光束，这如文献SU1774164中所描述的。在这种情况下，与平行光束相比，光束的实施相对简单，也不会造成高昂费用。作为补偿，测量的精度取决于线的位置。
根据该文献，根据对线的切线与接收平面相切的交点的测量，需要为每一个光束计算线的切线平分线，然后确定对应于线的中心的两个平分线的交点，再确定与通过线的中心的切线垂直的直线，尔后确定所述直线与所述切线之间的交点，最后计算所述交点和线的中心之间的距离。
由于计算链较长，所以根据该技术用的计算时间也比较长。
或者说，该计算时间与为确定高速行进线上的缺陷所需要的测量次数不匹配。
为了根据接收器上的图像测量减少计算时间并得到更直接的直径数值，另一种方案在于将线引向散射光束源和接收器，为的是在根据接收器上投影的图像计算直径时不插入线的位置变化。
但是，该方案并不令人满意，这是因为该方案需要引导线并与线接触，这样就导致另一个与线摩擦的问题。
所以，本发明旨在克服现有技术中的这些缺陷，提出一种新的无接触测量线方法，这样可以根据需要的精度进行可靠测量。
为此，本发明目的在于提供一种在一个与所述线的行进方向基本垂直的平面中测量线的至少一个截面直径的方法，该方法在于从假源A发射至少一个散射光束，以便在至少一个接收器的表面上获得线的至少一个图像，并测量所述至少一个图像，其特征在于该方法用下面的方法设置假源和接收器，当线的截面在一个测量窗中移动时，线的图像的测量值基本不变，或者至少其波动保持在对应于所需测量精度的区间IT内。
这种布局可以根据散射光束测量能沿一个方向移动的线，计算比较简单，同时R＝Kxe1，K是常数，e1是图像测量，R是线径测量。
通过下面结合附图对唯一的实施例进行描述将会更加清楚地理解本发明的其他特征和优点，其中
图1是说明本发明的无接触测量方法的示意图，其中可以允许线沿一个方向倾斜；图2是说明本发明的无接触测量方法的示意图，其中可以允许线在一个窗中倾斜；和图3是说明运行中的无接触测量方法的示意图。
在图1中，用10表示一根线，特别是一根纺线。对于下面的描述中，用线表示一个不论其材料和截面形状如何的细长元件。
线的截面通常为圆形，所以本发明的方法可以在一个基本与行进方向垂直的平面中测量至少一个直径，下面将该平面称作测量平面。
被测线10通常的直径约在0.1mm到几mm之间变化，其行进速度约在0到40m/s之间变化，测量为连续测量或通过取样实现。对于精确度来讲，通常允许的分辨力为0.005mm到0.01mm的量级。在下面的描述中将精度称为IT。
这些数值均不受限制，只是作为说明给出的，目的是规定与测量相关的应力的数量级。
在下面的描述中，在所述测量平面中认为线10的截面中心的平均位置就是由垂直轴X和Y形成的标记的原点O。
在行进中，线10可以波动或振动，其截面可以在一个基本与行进方向垂直的平面中移动，这种移动在后面称作倾斜。
在简化的情况下，线可以在一个平面中波动，这就是沿一个方向倾斜。
因此，如图1所示，线10的截面中心可以沿Y轴移动。
无接触测量方法在于利用测量平面中的至少一个散射光束12照亮该线，并测量该线在接收器14上的投影图像，该图像也称作影子，在图中用一个平面构成该接收器。
测量接收器14上的影子的设备可以是不同特性的设备。因为这些设备是本领域公知设备，所以不对它们进行细述。
同样，因为光束12的制作技术也是本领域公知技术备，所以也不对它进行细述。散射光束12的假源由一个基准点A构成。接收器14和直线AO之间的基准点为B。
光束12的大小合适，以便能够容纳线的截面，并在线的所述截面上产生两个切线16.1和16.2，这两个切线限定接收器14上的投影图像。
对于下面的描述，在测量平面中的线径被表示成R，该线10在接收器14上的投影图像的测量表示成e1。散射光束12的点A与点O分开的距离为a。
点B与点O分开的距离为b。
根据本发明，接收器14有一个与直线AB不垂直的接收平面，直线AB和接收平面之间形成α角度。选择角度α，使其补偿沿倾斜Y轴的移动。这样，当线10朝正纵坐标(图1中朝上)移动时，线的中心远离A点，所以切线16.1和16.2形成的角度减小。但是，这种减小因接收平面的定位而得到补偿，图像在接收器上的投影区域离A点更远，由光束和接收平面形成的倾角更大，这通过更大的图像体现出来。在反方向时，线10朝负纵坐标(图1中朝下)移动时，线的中心靠近A点，所以切线16.1和16.2形成的角度增大。但是，这种增大因接收平面的定位而得到补偿，在这种情况下，在接收器上的投影区域离得更近，倾角更小，这通过更小的图像体现出来。
根据本发明的一个特征，选择a和b值，使a/b的比值约为1到5，使α角度能够在约25-85°之间变化，以便可以沿Y轴倾斜。由X轴和接收平面形成的β角在约5-85°之间变化。
在这种情况下，应注意的是当构成线10的中心的点O在最小值Ymin和最大值Ymax之间移动时，测量e1对于直径值恒定时也是恒定的，或至少它的波动保持在允许的范围IT内，该范围对应于希望的测量精度。分开Ymin和Ymax的距离由机械应力限定，所述机械应力主要与接收平面和光束的尺寸相关。
这种布局可以根据散射光束测量能够沿一个方向移动的线，当R＝Ke1时，计算也比较简单，其中K是不变的几何函数。
a/b的比值最好约为2，α角度最好约为40-60°。
根据一种实施模式，α角度约为55°。
光束12形成的散射光最好约为15°。
根据本发明的另一个特征，该装置包括两个源A1和A2，它们的设置应在线沿X轴移动时使其中一个源获得的测量补偿另一个源获得的测量。
如图2和3所示，该装置最好沿Y轴对称。这样，这种布局有两个产生两个散射光束12.1，12.2的源A1、A2以及两个接收器14.1，14.2。在这种情况下，线10分别在接收器14.1和14.2上的图像测量分别为e1和e2。
这种布局可以允许线的中心O沿X轴移动，但不会扰乱测量。也可以改变线截面的圆度。
根据这些情况，可以交替测量e1和e2，以便增加测量次数。
因此根据本发明，线10可以在一个边长为5mm的大体正方形的窗口中移动，但不会扰乱测量。对于恒定的线径值来讲线径的测量值也基本是恒定的，或至少它的波动保持在允许的范围IT内，该范围对应于希望的测量精度。
根据本发明的一个特征，选择数值L，1(L和1正比于a和b)和α，以便使数值(e1×e2)/(e1+e2)基本为恒定，最好R＝(e1×e2)/(e1+e2)。
作为例子，现参考图3，对于直径等于1mm的线来讲，根据线的中心O的位置沿X，Y轴得到下面的e1值
对于e2来讲，根据线的中心O的位置沿X，Y轴得到下面的值
通过使用公式(e1×e2)/(e1+e2)，得到线的测量直径的下面一些数值
根据本发明的一个特征，接收器14.1和/或14.2包括一组感光探测器，特别是一组后面称作矩阵的光电二极管，接收器例如是CCD型，这在文献CH-643.060中作过描述，也可以是CMOS。
因为已经知道矩阵的大小以及光源和接收器之间的线的平均位置，所以通过确定线的影子盖住的矩阵数就可计算线的直径数值。
根据本发明的第一实施方案，对于与影子的各边相齐的有一部分被线的影子盖住的边缘矩阵来讲，利用比例性计算，由部分被盖住的矩阵的影子盖住的那一部分的尺寸正比于所述矩阵接收到的光强度。
考虑到接收器相对于光束的倾斜，所以需要考虑光源和每个矩阵之间的距离差，以便根据所述矩阵接收到的光强计算由边缘矩阵影子盖住的那部分的尺寸。因此，将计算的数值乘以光源和部分被盖住的矩阵之间的距离的函数系数。
当将比例性计算用于根据部分被盖住的矩阵接收到的强度确定线的尺寸时，经计算的线径数值应将接收器的污染考虑在内。为此，一种方案在于确定一个系数，该系数等于测量期间未受污染的矩阵接收到的强度和受污染的矩阵接收到的强度之间的比值，并将为边缘每个矩阵计算出的数值乘以所述比值。根据一种变型，该系数可以等于测量期间未受污染的矩阵的充电时间和受污染的矩阵的充电时间之间的比值。
根据一种优选变型，为了简化计算，不再考虑污染，因而增加测量的次数，一种方案在于采用一个具有一些小尺寸矩阵的接收器，以便不考虑部分被盖住的矩阵，由边缘矩阵影子盖住的那部分的尺寸产生的测量误差小于测量所希望的许可范围，所以并不需要考虑污染。
在这种情况下，矩阵或光电二极管的尺寸应当小于K×IT，IT是允许的范围，K等于(a+b)/α。
例如，对于线径允许范围IT约在正负0.5％和比值K为3/2的情况下，线径为0，2mm时选择小于3μm的矩阵。
当然，本发明显然不限于上述实施模式，反之可以覆盖所有变型，特别是接收器、光束的特性和形状，以及线投影到接收器上的图像的测量技术。
最后，可以考虑用本发明装置测量其他不同线状元件。
权利要求
1.一种在一个平面中测量线(10)的至少一个截面直径的方法，所述截面与所述线(10)的行进方向基本垂直的，该方法在于从假源A发射至少一个散射光束(12)，以便在至少一个接收器(14)的表面上获得线的至少一个图像，并测量所述至少一个图像，其特征在于该方法用下面的方法设置至少一个假源和所述相关的接收器当线的截面在一个测量窗中移动时，使线的图像的测量值基本不变，或者至少其波动保持在对应于所需测量的精度范围IT内。
2.一种在一个平面中测量线(10)的至少一个截面直径的装置，所述截面与所述线(10)的行进方向基本垂直的，所述装置包括至少一个能将所述线的图像投影在至少一个接收器(14)上的假圆A的散射光源(12)，以及确定被投影到所述接收器上的线的图像测量的设备，其特征在于下面的方法设置至少一个假源和所述相关的接收器当线的截面在一个测量窗中移动时，使线的图像的测量值基本不变，或者至少其波动保持在对应于所需测量的精度范围IT内。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于所述接收器(14)有一个与直线AB不垂直的接收平面，直线AB和接收平面之间形成α角度，B是直线AO和所述接收平面之间的交点，O是所述线(10)的中心的平均位置，选择角度α，使其补偿沿倾斜Y轴的移动。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于比值a/b约为2，a是A和O分开的距离，b是O和B分开的距离。
5.根据权利要求3或4所述的测量装置，其特征在于所述接收器(14)与直线AB形成一个可以在25-85°之间变化的α角。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于α角度为40-60°。
7.根据权利要求2-6之一的测量装置，其特征在于该装置包括两个源(A1，A2)，它们的设置应在线沿第二倾斜X轴移动时使其中一个源获得的测量补偿另一个源获得的测量。
8.根据权利要求3或7所述的测量装置，其特征在于该装置沿Y轴对称。
9.根据权利要求4或8所述的测量装置，其特征在于选择数值a，b和α，以便使数值(e1×e2)/(e1+e2)基本为恒定。
10.根据上述任一权利要求所述的测量装置，其特征在于接收器(14.1，14.2)是包括一组光电二极管或矩阵CCD型，通过知道矩阵的大小以及光源和接收器之间的线的平均位置，并通过确定线的影子盖住的矩阵数计算线的直径。
11.根据权利要求10所述的测量装置，其特征在于所述接收器具有一些小尺寸矩阵，这些小矩阵可以不考虑部分被盖住的矩阵，由边缘矩阵影子盖住的那部分的尺寸产生的测量误差小于测量所希望的许可范围。
12.根据权利要求11所述的测量装置，其特征在于矩阵的尺寸应当小于K×IT，IT是允许的范围，K等于比值(a+b)/α。
全文摘要
本发明提供一种在一个平面中测量线(10)的至少一个截面直径的方法，所述截面与所述线(10)的行进方向基本垂直的，该方法在于从假源A发射至少一个散射光束(12)，以便在至少一个接收器(14)的表面上获得线的至少一个图像，并测量所述至少一个图像，其特征在于该方法用下面的方法设置至少一个假源和所述相关的接收器当线的截面在一个测量窗中移动时，使线的图像的测量值基本不变，或者至少其波动保持在对应于所需测量的精度范围IT内。
文档编号G01N21/89GK1766589SQ200510065658
公开日2006年5月3日 申请日期2005年3月1日 优先权日2004年3月1日
发明者蒂埃里·贝托诺, 塞巴斯蒂安·瓦莱 申请人:菲尔 孔特雷尔