专利名称：用于电线和电缆的偏心度计以及用于测量同心度的方法
技术领域：
本发明涉及用于测量电缆和电线的同心度和直径的系统。具体而言，本发明涉及
用于非接触式测量电缆和电线的同心度和直径的系统和方法。 在绝缘电缆和电线制造期间，人们希望确保导体(例如，金属丝)准确处在覆盖金属丝的绝缘材料的中心。为了测量其同心度，最便利的办法是定位并量化绝缘材料的外周，然后测量其中的导体的位置。 为了这里的讨论，导体由导电的内部材料制成。外部套管包括绝缘材料。两者的
组合称为电缆。导体中心和外部套管中心这两个位置之间的差定义为偏心度。 在电缆形成时使用非接触式测量设备测量电缆是有益的，因为当它离开挤出机
时，绝缘材料是温的、柔软的且容易损坏的。典型地，光学或磁性仪器用于该目的。在成形
过程期间，电缆在挤出过程中沿纵向恒速移动。由于所述金属丝中的振动，电缆也经历横向
移动。历史上的做法是，在沿电缆轴线的同一点处测量外部绝缘体的直径和导体的位置，以
获得偏心度的最佳读数。 当前的想法是使用光学和磁性测量装置，这些装置位于垂直于电缆纵向轴线的同一测量平面上。当前，人们认为，如果测量平面处于沿电缆轴线的不同的位置，区分电缆的实际偏心度还是角度偏差就会很困难。测量装置要在同一时间测量，否则，电缆可能在时间间隔中横向移动，从而破坏测量。 Kyriakis的美国专利5528141号中所示的一种之前的设备公开了一种光学平面和磁性测量平面，且提到在金属丝上相同点处测量，但不需要在相同平面中同时测量。Studer的美国专利7068359号中所示的另一设备公开了设置在光学平面两侧的两个磁性传感线圈。线圈连接在一起，它们的连接方式使得它们形成与光学测量平面一致的单个磁性测量平面，并确定与场强相互关联的光学测量平面前后的场强，以确定与光学测量平面一致的主动感应测量平面。该构思是在单个时间参考点进行测量。 现有技术仍然需要改进。本发明改善了现有技术，提供了一种新式系统，这种系统将测量设备放置在独立的沿轴向间隔开的区域中，以提供一种可靠的测量系统，且允许增加维护、修理和清洁部件的空间。
发明内容
本发明的一个目的在于改进电缆和电线的测量系统。 另一 目的在于改进用于测量电缆和电线的偏心度和直径的非接触式测量。
又一目的在于提供用于电缆和电线的沿轴向区隔开的三点测量系统。
另一目的在于提供确定金属丝在电缆内的位置的方法。 在本发明中，所希望的是将光学和磁性传感器放置在不同的测量平面中。这减轻了测量区域的狭促环境，并为光束和磁性探测器提供了空间。这也改进了在本来就脏的且
背景技术：
在狭窄区域中需要防尘装置和空气喷嘴的环境中保持传感器清洁的能力。 相应的，本发明的一个方面涉及一种装置，该装置用于测量基本沿z轴移动的长
型物体的偏心度和直径。所述装置包括沿z轴在轴向上间隔开的至少三个分立测量设备，
每个设备可以获得用以存储的在z轴预定点处的不同测量平面中的物体测量值，其中每个
平面相对于z轴以预定角度(例如，垂直)定向。这些测量值可以在给定预定时刻和为物
体待测量区域测量的x-y点处获取。根据这三组坐标，偏心度可以被确定且用于从预定点
推导测量值。可以采用基于计算机的设备来接收和存储测量值且确定偏心度。例如在测量
包括绝缘套管和内部金属丝的电缆时，至少一个设备能够测量金属丝的位置且一个设备能
够测量套管的直径，其余设备可以用于测量金属丝或套管的直径。
所述装置可以包括例如四种不同配置，且以四种不同配置之一布置 两个光学设备在形成磁性平面的磁性设备的两侧上形成平面； 两个光学设备在形成磁性平面的磁性设备的一侧上形成平面； 两个磁性设备在形成光学平面的光学设备的一侧上形成平面；或 两个磁性设备在形成光学平面的光学设备的两侧上形成平面，其中所述设备定向
为使得所述平面在电缆移动时相对于电缆保持共同的角度。 本发明也提供用于测量基本沿z轴移动的长型物体的偏心度和直径的方法。本发明包括步骤(a)采用沿z轴在轴向上间隔开的至少三个分立测量装置，使得每个装置可以获得在z轴预定点处的不同测量平面中的物体测量值，其中每个平面相对于z轴以预定角度(例如，垂直)定向；(b)当物体移动时在给定预定时刻用每个设备获取测量值，由此获得物体待测量区域的三组x-y-z坐标；(c)使用这三组坐标来确定物体的偏心度；和(d)根据所得的偏心度计算物体的直径。该方法可以优选地用于测量电缆和电线。
图IA是本发明实施例的示意性透视图。 图IB是本发明实施例的示意性透视图。 图IC是本发明实施例的示意性透视图。 图ID是本发明实施例的示意性透视图。 图2是示出了三个不同测量平面的示意性透视图。 图3示出了本发明的光学测量设备的俯视图。 图4示出了本发明的磁场感应测量设备的俯视图。
具体实施例方式
现在参见附图，本发明的装置和方法总体上由附图标记100、100'、100"和100"'
表示，且尤其适于测量例如电缆4的偏心度和直径。类似的附图标记表示类似的部件。在挤出(extrusion)过程期间，电缆4处于张力下，因而基本上是直线。从数学上来说，空间中两点限定一条直线，因此，如果一个人同时测量两点，比如外部套管9或内部导体3上的两点，他将会知道电缆4的轴线(如图1和2所示的z轴)的位置。 本发明可以采用电线和电缆工业领域已知的双轴光学测微器7、8，以便通过精确地测量由光束投射的阴影而测量直径。典型的但不是必须的，光束15x和15y设置成彼此成直角，且电缆4与两个光束正交并穿过该交叉部分。相交的光束建立了 x-y测量平面，其 中一个光束15x测量x坐标，且另一光束15y测量y坐标。典型的但不是必须的，电缆4正 交地穿过测量平面13。 在一种情况下，本发明可以采用间隔开一定距离的一对双轴光学测微器7、8，可以 确定外部套管9在沿电缆4的z轴的两个测量平面中的位置。这些点限定了作为空间直线 的绝缘圆柱体的轴线。通过测量第三平面(该第三平面与两个所述光学平面不重合)中内 部导体3的位置，可以确定导体3离先前建立的空间直线有多远。导体3从先前限定的直 线偏离的距离决定了偏心度。 在实践中，测量的空间顺序并不重要，只要沿z轴有至少三个测量点pl、p2和p3， 有光学和磁性测量方式的混合，并且它们是为此目的同时采用的即可。这样，磁性测量平面 11和12可以位于光学测量平面13的两侧或一侧，或在使用两个光学测量平面的情况下，这 些光学测量平面可以位于磁性测量平面的两侧或一侧。在两个平面中测量内部导体3并在 单个第三平面中测量外部套管9的情况下，测量平面的顺序可以有多种。
本发明建立的构思是使用电缆4的z轴线的三维定义作为由两个测量点限定的 空间直线，并检测第三测量点到该直线的距离，确定它离该直线的距离作为偏心度。此外， 本发明确定的构思是，将导体中心轴线z从数学角度描述成一条空间直线，该直线由两个 磁性测量点Pi和p2 (例如是导体3与两个平行测量平面11和12的交叉点)的位置限定。 将该直线从数学上外推，以预测它穿过平行的第三光学测量平面13的点p 3，其中，在光学 测量平面13上有四个处于绝缘护套或套管9的外周上的点10将被测量。外推的点和四个 光学测量点的几何中心之间的距离决定了偏心度。 为了简单起见，仅描述第三优选布置；即两个磁性测量设备位于光学平面的一侧 上。这在图1A中示出。其它三种布置的描述类似。 根据该布置，为了测量偏心度，设备首先必须建立由导体3的中心所限定的空间 直线z，然后测量外部套管9的外围的中心离所建立的直线有多远。 为了建立第一空间点，该装置100可以采用布置在与电缆3的z轴基本垂直的平 面11中的一组四个磁场传感器5和6。在导体4中感应交流电以建立谐振磁场。
这样的磁场随着与导体的轴线z的距离增大而减小，从而允许传感器5和6测量 导体3的位置。优选地，将传感器5和6成对地设置在平面11中电缆4的相对两侧上，从而 通过将一个信号减去另一信号，确定导体在特定平面ll内的位置的名义直线指示。这样， 这两对传感器5和6在平面11中设置成使得能够建立x和y位置，z轴则为电缆4的轴线。 电缆4大致位于平面11的中心且离四个传感器5和6大致等距。传感器5和6可以是场 传感线圈(有时称为探测线圈)，或可以是称为磁致电阻的(magenetorestrictive)、磁致 伸縮的(magnetostrictive)或霍尔器件的任何类型的芯片上传感器(sensor on chip)。 为了形成供这些传感器来测量的磁场，借助于某种外部电流源(未示出，优选是离本发明 一定距离处的感应设备)用交流电激发电缆4。 通过测量两个x传感器5的强度并从一个幅值中减去另一幅值，导体在x轴维度 的位置测量值可以归结为一个数值。类似地，使用两个y传感器6确定y位置。这样就在 磁性测量平面11上建立了 x和y坐标。 为了建立第二点，相同布置的磁性传感器5和6位于沿z轴远离第一组传感器5
6和6—较短距离处，且位于基本平行于第一平面11的平面12中。与前面的测量方式相同， x和y分量确定了导体3穿过该第二平面12时其中心的位置。沿电缆轴线z间隔开一定距 离的这两组x-y分量唯一地限定了在该装置内的导体3的中心。 这样，在两个平行平面11和12中确定了两个唯一点PI和P2，这就确立起一条唯 一的空间直线L，该空间直线L将在唯一的、但未测量的点P 3处穿过基本平行于前两个平 面11和12的第三测量平面13，如图2所示。通过外推，可以预测该点P3在第三平面13中 的位置。第三测量平面13配备有图3所示的光学测量设备7和8。例如，平面13中的光 学测量设备可以为两种类型中的一种。这些设备在工业中为人所熟知，被称作"照相计量器 (camera gauge)"和"扫描器"。它们通常用于测量电缆和电线的直径，但也可以设置为测 量位置。这两种类型均有投影光束投射向待测物体，且以典型亚微米级精度测量阴影的尺 寸。当这样的设备配备有两个交叉光束时，它们能够测量物体的x和y位置。
光学设备7和8确定绝缘材料或套管9的基本上圆形周边上的四个点10的位置。 四个点10的几何平均值是第三测量平面13中的唯一点14。在图3中，第三测量平面13中 的光学确定点14和外推点P3之间的距离就是偏心度。这基本上就是与绝缘体中心相关的 该导体的中心。 三个测量平面的位置可以彼此相关，以帮助前两个测量平面11和12中的每对点 来预测在第三平面13中的点的坐标值。裸线或未绝缘金属丝是近乎完美的同心电缆，因为 它的绝缘层名义上为零。如果金属丝可以达到制成直的程度，这三个平面就可以借助于测 量裸线在三个平面的每一个中的x-y位置而被关联。为了校正测量设备的非线性，收集电 缆4的多个位置和角度的数据就足够了。所收集的数据包含裸线在三个平面11、12和13 中的x-y位置。据此可以进行最小二乘法拟合形成方程式，该方程式能够从开始的两个平 面的每对点映射到第三个平面中的点。基于计算机的设备50可操作地连接到传感器5、6、 7和8，且配备有用于执行在此所述的计算操作的软件。在此使用的传感器可以探测绝对幅 值或角度，以确定位置。 通过提供这些产品，本发明提供用于确定电缆和电线的偏心度和直径的更动态的 方法和测量装置。此外，在测量电缆和电线时，本发明提供了更容易工作、维护和修理的环境。
权利要求
一种用于测量基本沿z轴移动的长型物体的偏心度和直径的装置，所述装置包括至少三个分立测量设备，所述至少三个分立测量设备沿所述z轴在轴向上间隔开，使得每个设备可以获得用以存储的在z轴预定点处的不同测量平面中的物体测量值，其中，每个平面相对于z轴以预定角度定向，并且每个所述设备配备为获得用以存储的在给定预定时刻和实际x-y坐标处的物体测量值；和基于计算机的设备，所述基于计算机的设备可操作地连接到所述测量设备，所述基于计算机的设备具有软件装置以接收并存储所述三组实际测量坐标值，采用两组所述实际坐标值以推导第三组预计坐标值，并借助于计算第三组预计坐标值和实际第三组坐标值之间的差来计算偏心度。
2. 根据权利要求1所述的用于测量基本沿z轴移动的长型物体的偏心度和直径的装 置，其特征在于，所述物体是包括绝缘套管和内部金属丝的电缆，第一所述设备能够测量金 属丝的直径，第二所述设备能够测量套管的直径，第三个所述设备能够测量金属丝直径和 套管直径之一。
3. 根据权利要求1所述的用于测量基本沿z轴移动的长型物体的偏心度和直径的装 置，其特征在于，至少一个所述设备包括光学测量设备，且所述设备之一包括磁性测量设 备。
4. 根据权利要求3所述的用于测量基本沿z轴移动的长型物体的偏心度和直径的装 置，其特征在于，进一步地包括两个光学设备，所述两个光学设备在形成磁性平面的所述磁 性设备的两侧上形成平面。
5. 根据权利要求3所述的用于测量基本沿z轴移动的长型物体的偏心度和直径的装 置，其特征在于，进一步地包括两个光学设备，所述两个光学设备在形成磁性平面的所述磁 性设备的一侧上形成平面。
6. 根据权利要求3所述的用于测量基本沿z轴移动的长型物体的偏心度和直径的装 置，其特征在于，进一步地包括两个磁性设备，所述两个磁性设备在形成光学平面的所述光 学设备的一侧上形成平面。
7. 根据权利要求3所述的用于测量基本沿z轴移动的长型物体的偏心度和直径的装 置，其特征在于，进一步地包括两个磁性设备，所述两个磁性设备在形成光学平面的所述光 学设备的两侧上形成平面。
8. —种用于测量基本沿z轴移动的长型物体的偏心度和直径的方法，所述方法包括步骤(a) 采用沿z轴在轴向上间隔开的至少三个分立测量设备，使得每个设备可以获得在z 轴预定点处的不同测量平面中的物体测量值，其中每个平面相对于z轴以预定角度定向；(b) 当物体移动时在给定预定时刻用每个设备获取测量值，由此获得物体待测量区域 的三组x-y坐标值；禾口(c) 使用所述三组坐标值来确定物体的偏心度。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述物体为电缆。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括采用基于计算机的设备执行步骤(c)。
11. 根据权利要求8所述的方法，其中步骤(a)特征在于使得所述分立测量设备配备为获得用以存储的所述测量值，且特征还在于步骤(c)包括采用在其上具有软件的基于计算 机的设备来处理所述坐标值以确定偏心度。
12. —种用于计算导体在绝缘护套内的位置的方法，所述方法包括步骤(a) 采用至少三个测量平面，其中至少一个平面能够测量内部导体的位置以推导第一 平面的第一组坐标值，至少一个平面能够测量外部护套的位置以推导第二平面的第二组坐 标值，其余平面能够测量外部护套的位置和内部导体的位置之一以推导第三平面中的第三 组坐标值；禾口(b) 使用所述第一组坐标值和所述第二组坐标值推导所述平面中的所述第三平面中的 预计坐标组，且将所述预计坐标组与所述第三组坐标值比较以确定所述导体在所述护套内 的偏心度和位置。
全文摘要
一种用于电线和电缆的偏心度计以及用于测量同心度的方法，其使用三个测量平面测量导体在绝缘护套内的位置，其中至少一个测量平面能够确定导体位置，至少一个能够确定外部护套的围边的位置。
文档编号G01B11/27GK101713634SQ20081016196
公开日2010年5月26日 申请日期2008年10月6日 优先权日2008年10月6日
发明者R·利文斯顿 申请人:贝塔·莱塞迈克