专利名称：同步光学测量和探伤方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及探测材料中缺陷的方法和装置。具体地说，本发明涉及探测孔、瑕玷、边沿缺陷和其它相关缺陷以及测量工业片材的特征的方法。
更具体地说，本发明涉及用来在连续生产如钢、铝、纸张、箔和塑料等产品时对产品进行探伤和测量的工业光学系统。
背景技术：
有很多光学方法来探测工业片材中的孔或瑕玷等光学可见缺陷。这些幅面或条带材料的制造商使用光学探伤和测量系统在生产线上对材料的生产过程进行控制，从而提高产量，这包括改进质量、降低废品率和减少机器的停产时间。
这里所说的光学测量系统通常在线操作，即与产品的制造过程同步进行，并且是非接触型的。
探测小孔、孔、瑕玷、划伤、条痕、裂缝、切口、破缝或边沿缺陷等质量缺陷是前述光学探伤和测量系统的重要应用。还可以使用上述的系统测量其它类型的缺陷或材料性质。对幅面或条带片材的宽度、长度或边沿位置的测量是使用这些系统的其它例子。
根据现有技术的一种方法是使用CCD(电荷耦合器件)照相机。对CCD照相机光电元件的操作可以分为两个阶段整合阶段和读出阶段。从光强测量的角度来讲，在整合阶段中光电元件工作，而在读出阶段则不然。在典型的CCD照相机系统中，每个CCD照相机光电元件记录在一定整合时间内落到其上的整合光强。在对光电元件进行读取之前，所得到的整合电荷存储在每个CCD光电元件中。通常光子产生的总电荷存储在每个像素的电容中。当光子撞击像素时，就把少量的电荷加到电容上。这个过程称为器件的整合过程。
整合过程一直持续一定的时间，在完成整合过程后，进入读出阶段。在读出阶段，观测到并且记录下与入射光子数目成正比的电荷，因此能够以一定的精度得到入射光子数。完成读出过程后，冲掉CCD存储的电荷并且开始新一轮的整合过程。
例如ABB公司的ULMA产品系列在幅面探伤中使用CCD照相机，参见ABB的“ULMA Nti tuote data”产品说明。早期的ULMA产品使用光电晶体管产生光电流。


图1的流程图解释了现有技术。在阶段101，片材静止或经过一个或多个光学光源和光探测器之间和/或之前。在阶段111一个或几个光源发射光束并且把光束照射到片材上。在阶段121，射向材料的光束与要探伤或测量的片材相互作用。
在阶段131，在一个或多个光探测器处探测到光。在阶段141，该一个或多个光探测器把入射光转换为光电流信号。在阶段151，操作和处理光电流信号以确定材料的特征。现有技术这种类型的解决方案可以参见GB 2181834和GB 2087544，这里把它们引入作为参考。
在测量连续生产的材料或对其缺陷进行探伤时也使用光电倍增管(PMT)。PMT最常用于探测材料中的小孔。在材料的一侧使用UV(紫外)光源或扫描激光源而在材料的另一侧使用一个或几个PMT能够探测片材中的孔或小孔。当材料经过测量系统时，使用一个或几个PMT探测穿过孔的UV或激光。
现有技术中存在几个难以克服的缺点。图1的现有技术方法易于受到环境光的影响，并且加在信号强度上的光和电的噪音和水平也是一个常见的问题。
CCD装置是整合和成像装置；对于探测速度有严格的限制。如果材料的经过速度过大，由于整合和图像读出的等待时间的限制，CCD装置不能拍摄到片材的整个表面区域。整合方法的CCD照相机属于步进方式，而不是连续方式，所以既慢又不可靠。为了进行动态缺陷探测，CCD的整合周期通常很长。
CCD系统通常在可见光波长下运行，所以环境光是一个问题。现有技术的一个很大缺陷是或者要遮蔽系统使之免受环境光的侵扰，或者就只能接受环境光引起的误差。由于测量在与环境光相同的波长处进行，所以光学过滤通常不起作用。
CCD照相机系统是产生被探伤或测量的材料的拍摄类数字图像的成像系统。CCD照相机产生的所以图像信息通常首先存储在专门的图像处理电子设备或计算机的存储器中，然后传递到计算机系统中和/或在计算机系统中进行分析，从而把有用的测量信息和不需要的信息中区分开来。CCD照相机自身并不能区别和选择系统用户想要的有用探伤或测量数据。特别是在大型的工业探伤和测量系统中，就需要大量的数据存储、传输和计算容量。在很多工厂或工业设备中，这种规模的计算机系统非常昂贵并且布置起来很麻烦。
PMT的机械强度不好，所以基于PMT的测量系统对冲击和振动的抵抗性能不好。基于PMT系统的UV光更是出名的不稳定，这是由于UV源的寿命通常只有1-2个月。尽管系统光源和环境光处于不同的波长范围，但是PMT对环境光的波长很敏感，所以环境光还是一个问题。在所探测的材料的边沿区域中，为了避免处于材料边沿处的PMT饱和并且由此不能工作，必须沿着材料的侧面使用单独的机械边沿随动遮光装置。由于这些遮光装置要在要求很高的工业环境中进行机械移动，从而可能与被探伤或测量的材料出现有害的相互干扰，所以机械边沿随动遮光装置并不可靠。
从可靠性方面考虑，任何可能与要探伤或测量的材料出现相互机械干扰的移动部件或部件都是不理想的。例如，当边沿随动件出现机械剪切力、应变和应力时，它们就可能引起测量误差，并且可能移动最终破坏精密测量系统的校准。设计基于PMT的UV探伤系统测量较宽的片材很不实际，这是因为对机械工程有过高的要求和很高的成本。
为了清晰起见定义下面的术语“光接收器”和“光探测器”在本申请中交换使用。“光探测器”着重指光接收探测器的半导体部分和与之相关的光学、机械和电子部分。“光接收器”着重指接收光的整个光学、机械和电子布置，并且包括至少一个光探测器。
“同步信号”是就信号波形、相位和/或频率而言用来同步发射器和接收器的信号。

发明内容
本发明的目的是减轻和消除前述的一些缺点。本发明提供的光学探伤和测量方法及装置不受强烈环境光和噪音的影响并且能够对片材进行连续探伤，而无需使用步进整合，并且不会丢失信息。
本发明的另一个目的是只产生探伤或测量所需的数据，并且与现有技术相比，数据产生速率相对较低。本发明的另一个目的是用单独一个光学探伤和测量方法及装置测量片材的很多不同性质。
本发明的各个实施例由固态元件组成，因此与现有技术相比，从机械强度上讲更可靠，对冲击和振动的抵抗性也越好。本发明的一个目的是不使用机械移动系统部件并且以非接触的方式测量试样。
本发明的大部分上述优点可以利用下述的探伤和测量方法来实现，其中基本的测量和探伤信号是在光敏电元件(光电装置)中产生的光电流。连续地直接使用这个光电流作为基本的测量和探伤信号。光电流信号出现在为了实现光发射和光探测的同步化在测量系统中产生的载波频率附近。通过与要探伤或测量的材料之间发生的光相互作用调制光电流，并且在接收器部分对光电流解调从而去除环境干扰、噪音和载波频率的影响。几个发射器向单独一个接收器发射光束，并且发射器与探测器同步。不同的光束通常具有不同的载波频率，并且测量片材的不同性质。
在本发明的方法的一个特定的实施例中，系统包括至少一个基于LED(发光二极管)的光源，至少一个基于光电二极管的光探测器，至少一个产生交流正弦波或方波控制信号的波形发生器，载波信号同步至少一个基于LED的光源和至少一个基于光电二极管的光探测器。在这个实施例中，使用几个阶段、过程和布置来增加本发明的优点-一个要探伤或测量的片材通过至少一个光源和至少一个光探测器之间和/或之前，-至少一个波形发生器在给定频率产生具有周期性交流波形的电信号(载波)用来同步对光源和光探测器的控制和操作，-至少一个光源发射光，其光强跟随波形发生器的载波波形，-至少一个光源发射的光照射到要探伤或测量的片材或片材的一部分上和/或片材边沿上，-至少一条光束被片材阻断，从片材上反射，部分通过片材，通过片材中的孔或缺陷，片材使其部分经过或者与要探伤或测量的片材相互作用，这些相互作用使得材料对光束强度进行调幅(AM)，-在与要探伤或测量的片材发生相互作用后，至少一个光探测器探测和测量经过调幅的光束信号，
-至少一个光探测器把已经收到的、经过调幅的光信号转换为连续的光电流，-至少一个光探测器或系统随后的模拟信号处理电子设备在进一步对光电流信号的信号处理过程中至少利用电流-电压转换和同步探测或解调以提高系统的探伤或测量信号的质量和信噪比，-系统的模拟信号处理部分给每个光探测器产生一个电压信号(解调信号)，-光探测器的解调信号的瞬时绝对值正比于光信号和要探伤或测量的片材之间的相互作用的调制效果的幅度，-用探伤或测量系统观测、记录和分析解调信号的幅度和/或解调信号的快速变化以测量诸如片材宽度、片材长度或片材的边沿位置等片材性质，或定位片材中诸如小孔、孔、瑕玷、划伤、条痕、裂缝、切口、破缝或边沿缺陷等片材中的缺点或缺陷，-使多于一个发射器的多于一条光束和一个探测器同步，并且不同的光束测量不同的性质，在给出本发明的最佳模式时也考虑了前述内容。本发明的最佳模式特别适用于使用与同一个探测器同步化的多个光束探测片材中缺陷的三维结构。
根据本发明的光学测量和探伤方法包括至少两个光发射器，至少一个光接收器，至少一个与至少一个光发射器和至少一个光接收器连接的信号发生器和把接收到的光转换为电流的装置，其特征在于，-一个片材放置在或经过至少两个光发射器和至少一个光接收器之间和/或之前，-至少一个信号发生器通过向至少一个光发射器和至少一个光接收器发送同步信号控制它们并且由此同步对光线的发射和探测，-至少一个信号发生器用不同的载波频率、波形和/或相位驱动至少两个光发射器，并且用这些频率、波形和/或相位驱动至少一个光接收器，-至少两个光发射器发射至少两条光线，
-至少两条光线入射到静止或经过的片材上，-相同一个光接收器探测到来自片材或直接来自光发射器的至少两条掠过、透过和/或反射光线，-至少两条光线转换为光电流，-诊断并且观测经过处理的光电流和/或经过处理的光电流中的变化以找出缺陷和/或确定所述片材的特征。
根据本发明的光学测量和探伤布置包括至少两个光发射器，至少一个光接收器，至少一个与至少一个光发射器和至少一个光接收器连接的信号发生器和把接收到的光转换为电流的装置，其特征在于，-一个片材放置在至少两个光发射器和至少一个光接收器之间和/或之前，-布置至少两个光发射器发射至少两条光线入射到至少一个片材上，-布置至少两条掠过、透过和/或反射光线使得被相同一个光接收器探测到，-布置至少一条光线使得被至少一个光电装置把转换为光电流-布置至少一个信号发生器通过向至少一个光发射器和至少一个光接收器发送同步信号控制它们并且由此同步对光线的发射和探测，-布置至少一个信号发生器用不同的载波频率、波形和/或相位驱动至少两个光发射器，并且用这些频率、波形和/或相位驱动至少一个光接收器，-布置使得能够诊断并且观测光电流和/或光电流中的变化以找出缺陷和/或确定所述片材的特征。
附图的简要描述下面参考附图利用示范性的实施例详细描述本发明，在附图中图1的流程图从整体水平上示出了根据现有技术的方法10；图2的流程图示出了基于根据本发明的同步光学探测的探伤和测量方法20；
图3的详细示出了基于根据本发明的同步光学探测的探伤和测量方法30的示范性实施例；图4的前视图示出了根据本发明对片材进行测量和/或缺陷探测时的布置40；图5的前视图示出了根据本发明进行测量和/或缺陷探测时的布置50和该种布置下的光线图；图6的侧视图示出了根据本发明进行测量和/或缺陷探测时的布置60和该种布置下的光线图；图7的侧视图详细示出了根据本发明进行测量和或缺陷探测时的布置70和该种布置下的光线图；图8示出了根据本发明的探伤电路和方法80的示意性功能结构图。
在所附权利要求中描述了本发明的一些实施例。
详细描述图2示出了探伤和测量方法，其中使用了根据本发明的同步探测。在阶段200，要进行探伤或测量的片材放置在或经过至少一个光源和至少一个光探测器之间或前面。在阶段205，为了实现测量系统中光束发射和探测的同步，在波形发生装置中产生起到控制作用的稳频载波信号。载波可以是交流正弦波、方波或具有其它形式的波形。载波信号输送给至少一个光源和至少一个光探测器以实现对系统这些部分的同步控制。在阶段210，在使用载波信号进行光源控制之前，可以把直流补偿加到载波信号上从而保证在与最低的发射光强度对应的交流控制信号值处也能够发射一定的光强度。在本发明的一些实施例中，不需要直流补偿，因此阶段210是可选的。
在本发明的一些实施例中，为了建立如下的测量或探伤系统，即光探测器能够同时探测、区分和分开源于不同光源的光信号，并且这些光源运行在不同波形和/或波形频率下，可以使用几个波形发生装置来产生几种波形和/或几种频率。在考虑到系统之间光信号的相互干扰时，为了把两个至少部分独立但是彼此很靠近的探伤或测量系统相互隔离，也可以使用几个波形发生装置和波形和/或频率。几个发射器和光束可以聚焦在一个与这些发射器同步的某个探测器上。不同的光束和发射器可以具有不同的载波频率并且它们可以测量片材的不同性质。例如，一些光束通过测量能够从中得到三维结构的性质从而刻画出缺陷的三维结构，这些性质包括面积、高度、宽度、深度、直径、周长以及反射率等。
在阶段215中用载波信号控制光源发射出的光束强度，载波信号在可选阶段210中已经经过了直流补偿。使用载波信号控制至少一个光源和/或至少一个光探测器。在阶段220中经载波控制的光束从光源照射到材料上。光束强度遵循载波信号的波形。在阶段225中，一条或多条光束入射到要监测或测量的片材上，这些光束被片材吸收和阻断，从片材上反射，部分通过片材，通过片材中的孔或缺陷，片材使其部分通过或者与片材相互作用。通常会同时或依次发生几种前述现象或其它的相互作用。因此片材调制最初处于载波频率和随后的载波波形下的光信号幅度。在阶段230中，在光探测器处探测经过相互作用和调制的光信号。在阶段230中，每个光接收器接收到的那些源于一个或多个光源的光量根据测量的几何尺寸、探伤或测量系统的结构以及与片材的相互作用而变化。在阶段235中，光接收器把光对准或聚焦到光电二极管、APD(雪崩光电二极管)或其它基于半导体的光电、光敏元件或任何其它用来探测光信号的光电装置上。可以使用光管和/或透镜或其它的光学元件来实现对准和/或聚焦。在阶段240中，光电装置把入射光转变为光电流。为了从信号中去掉载波频率并且恢复所关心的较低频率调制信号，在阶段245中处理和解调、或者说同步探测光电流。这样所得到的解调信号正比于初始载波频率光信号和片材之间的一种或几种相互作用的调制效果的幅度。在阶段250中，经过解调的信号输入到分析电子设备和软件中以识别所关心的信号和信号状况并且分析信号。在阶段255中，观察、记录并且分析解调信号的绝对值和/或快速变化。使用分析结果来测量片材的所选性质，和/或探测片材的缺点或缺陷。
在本发明的范围内，很明显一个或几个光源和一个或几个光探测器和接收器可以相对于被探测的片材位于任意一条瞄准线的位置上。在所述的测量或探伤系统中可以使用透射和反射光束以及其它机理引起的相互作用光束。在一些实施例中，可以根据本发明对阶段200，205，210，215，220，225，230，235，240，245，250，255和260采用不同的排列顺序。
很明显在不同的方法中几个光束可以具有不同的载波波形频率。在接收器端区分来自各个发射器的信号时使用不同的频率是有用的。这样就能够把几个光束发送到某一个接收器上并且使用同一个接收器分析来自不同光路的测量。这样就能够进行三维探测系统的复杂设计，使之能够探测缺陷的三维结构。
图3更详细地示出了本发明的一个特殊并且典型的实施例。在阶段300，要进行探伤或测量的片材经过一个或多个光源和光接收器之间和/或前面。在阶段305，为了实现测量系统中一个或几个光源和一个或几个光接收器的同步，在电子信号发生器中产生起到控制作用的稳频载波信号，载波信号具有交流正弦波的波形。交流正弦波载波信号输送给至少一个光源和至少一个光接收器以实现测量系统的同步操作。在阶段310，把直流补偿加到交流正弦波载波信号上从而保证至少一个发射器的线性。
在阶段315用经过直流补偿的正弦波载波信号控制光源发射的光束强度。使用经过直流补偿的载波信号控制一个或几个光源。光源是基于LED的固态光源。为了利用光强度追随载波的正弦波波形而发射的信号，把经过直流补偿的交流正弦波载波直接转换为各个LED的正向电流信号。因此光信号强度由直流分量和交流正弦波分量组成。从交流正弦波载波信号得到的方波信号用来控制一个或几个光探测器。在阶段320中，受交流正弦波载波控制的光束从光源照射到材料上。在阶段335中，一条或多条光束入射到要监测或测量的片材上，这些光束被片材吸收和阻断，从片材上反射，部分通过片材，通过片材中的孔或缺陷，片材使其部分通过或者与片材相互作用。因此片材调制光信号最初处于正弦波载波频率下、经过直流补偿的交流正弦波幅度。在阶段330中，在基于光电二极管的光探测器处探测经过相互作用和调制的光信号。在阶段335中，使用光管和透镜把光对准和聚焦在硅光电二极管的工作区域上。
在阶段340中，硅光电二极管吸收入射可见光子并且把光转变为光电流。在阶段340可以使用互阻抗放大器把光电二极管产生的信号电流转换为信号电压并且放大它。
在阶段345中使用信号处理电子设备从波形发生器处接收到的控制信号(载波)执行同步探测的第一步，信号整流。在这个典型的实施例中，在阶段345中对经过整流的信号进一步进行低通滤波以最终实现同步探测。这个实施例中通常使用的滤波器是Bessel滤波器，但是也可以使用Gaussian，Chebyshev，Butterworth或RC滤波器。在一些实施例中阶段340和345一起执行解调或同步探测的功能。
经过对光电流信号的处理和同步探测，或者说经过对光电流信号的解调，使得出现在光电流信号中波形发生器的固定频率(载波频率)附近的、由载波频率所承载的低频信号分量得到有效放大并且被探测到，而其它频率下，特别是低频下的信号、噪声和扰动则得到有效衰减。在本发明的一个典型实施例中，波形发生器产生的固定频率交流正弦波电压起到载波的作用，并且在首次去除信号所有直流分量后在阶段340、345中使用对称、占空比为50％的方波信号对经过处理的光电流信号进行整流，方波信号经过处理正弦波信号得到并且就零交点而言与正弦波具有相同的频率和相位。在这个典型的实施例中，对经过整流的信号进行低通滤波从而最终实现同步探测，并且在阶段350中产生解调电压信号。
在这个典型的实施例中，在阶段360中使用ADC电子设备测量和记录解调信号的绝对值。
在阶段365中把产生的交流电压进一步输送到信号处理电子设备中对基本的交流电压信号进行处理。信号处理电子设备可以是光探测器自身的一部分或者是探伤或测量系统的系统水平的电子设备的一部分。信号处理的目的是去除和减少仍然出现在信号中的噪声和干扰，这些噪声和干扰通常源于环境光、其它的光源和/或出现在系统的信号电子设备中的噪声。同步探测大幅度地抑制了环境光的干扰。
信号处理的目的还在于从信号中去除载波频率并且恢复所关心的较低频率调制信号(阶段345，350)。这个步骤通过去除和减少仍然出现在信号中的噪声和干扰表现出了同步探测的主要优点，其中这些噪声和干扰源于环境光、其它的光源或系统的电子设备。这样所得到的解调信号正比于初始载波频率光信号和片材之间的一种或几种相互作用的调制效果的幅度。
很清楚可以使用本发明范围内的波形发生器和其它装置来产生不同于前述交流正弦波电压的其它波形，为了实现光电流信号的解调或同步探测，可以使用线性解调从而应用线性信号倍增来代替方波信号整流。很显然，驱动发射器的信号可以和同步发射器与接收器的信号具有不同的波形。在一个优选的实施例中，使用正弦波信号驱动发射器，而使用从正弦波得到的方波信号同步至少一个发射器和接收器。
在一些实施例中，在阶段350，360和365中，进一步把信号处理(解调信号)的信号输出输送到系统水平的电子设备中并且在那里进行进一步的处理，这些系统水平的电子设备包括专门的电子设备来追踪解调信号中对于要探伤或测量的材料而言那些属于异常的变化。在一个典型的实施例中，在一条信号通道中可以用低通滤波器对解调信号进行进一步的滤波，而使用比较器电路通过把经过低通滤波的解调信号和原始解调信号彼此相减来追踪解调信号的快速变化。在这个作为示范的实施例中，在比较器中可以使用一个确定的信号差别阈值，从而当系统测量到例如孔或瑕玷时产生数字缺陷脉冲。
在一些实施例中，在阶段360，365中可以观察、记录和分析解调信号的绝对值从而得到一些数据，这些数据用来定位探伤或测量的材料中的缺点或缺陷，特别是如果要测量材料的一些性质时，如片材宽度、片材长度或片材的边沿位置时，这些数据特别有用。
在阶段365，在系统水平的数字信号处理电子设备和软件中分析ADC产生的数字化信号值。在阶段370中，分析通常产生刻画片材性质的数据。探伤或测量系统的用户利用计算机显示器能够看到这些数据，但是本发明的光学探测系统可以和任何其它的生产系统或工厂自动化系统结合在一起从而在连续制造钢、铝、纸张、箔和塑料等材料的生产过程中触发自动过程。与之类似，在一些实施例中，生产管理软件、企业资源(EPR)管理软件等也能够也能够获得所产生的数据。
很明显在设计根据本发明的至少一个发射器和至少一接收器时考虑了任何形式的电或系统延迟。在一些实施例中，可以根据本发明对阶段300，305，310，315，320，325，330，335，340，345，350，360和370采用不同的排列顺序。
图4示出了本发明的示范性实施例40，其中要进行探伤或测量的片材经过光源400和几个光探测器组件430之间。在图4中，片材在垂直于该图的投影平面的方向上通过。在这个实施例中，光源由如LED(发光二极管)的固态发光器件和如光孔径、反射表面、漫射材料的光学元件以及其它元件组成，这些元件使得光射向片材并且保证光从光源均匀发射出来。LED通常在红色光波长发光，但是在本发明的一些实施例中也可以使用蓝色光、白色光和IR(红外)LED。LED可以布置成一行或数行，同时还布置成所需数目的列，从而覆盖探伤或测量系统所需的测量宽度。光源400还包括电子设备以接收波形发生器的控制同步信号(载波)，并且控制LED或其它发光元件的光发射强度使得光强跟随波形发生器的波形。在作为示范的实施例40中，波形发生器产生的波形是交流正弦波电压，在使用它控制光源前还可以在同步信号(载体)上加上直流补偿。有时这样做是必要的，以保证在与最低发光强度对应的交流正弦波信号值处也要发射出足够强的光。在需要稳定LED的实施例中优选使用直流补偿，但是直流补偿绝不是本发明方法一定要有的要求。
光探测器阵列420包括几个光探测器组件430，每个光探测器组件430由一个或几个单独的光探测器组成。在这个实施例40中，一共使用18个光探测器组件进行探伤或测量系统的光探测。在这个作为示范的例子中，每个光探测器组件430包括4个光探测器，因此在该系统中一共使用了18×4＝64个光探测器。
要进行探伤或测量的片材410经过光源400和光探测器阵列420之间。在一些实施例中，在测量过程中片材可以是静止的。在这个实施例中，所关心的光相互作用是指光通过片材，片材吸收光，光透射过片材，光通过片材中的孔或缺陷，或者光与片材其它形式的相互作用，这些相互作用使得发生相互作用后至少一些光探测器能够接收到一定强度的光。典型的材料是纸张、金属、金属箔、镀覆的金属片材、塑料、橡胶、薄膜或其它任何能够在连续的生产线上输送的片材状材料。在这些材料中，要探测的缺点或缺陷通常是小孔、孔、瑕玷、划伤、条痕、裂缝、切口、破缝或边沿缺陷等。示范性的实施例40可以用来在线测量输送片材的宽度和/或位置和/或方向。如果所生产的材料是具有一定不连续长度的片材，那么可以用这个实施例的探伤或测量系统探测那些片材的宽度。把测量系统放置在垂直方向能够用类似的布置方式测量材料的高度。
图5详细地示出了本发明示范性实施例50中四个非常靠近的光探测器520。图5中的视角与图4类似。在这个实施例中，光探测器布置在探测器组件560中，每个探测器组件560包括四个光探测器。图5示出了测量状态一个示例，其中的光学布置使得每个光探测器都具有一定的有限视野(FOV)。在这个实施例中，光敏光学器件是硅光电二极管530。通过使用光管540和透镜550等其它的光学元件，布置光电二极管使之具有有限的FOV，从而光电二极管只能够观察片材的某个有限区域或位于材料后面的光源的某个有限表面区域。可视区域投影到片材表面上的形状可以是圆形、椭圆形、长方形或者其它形状，这由光电二极管和其它光学元件的几何形状和尺寸特性决定。当投影到片材的表面上时，相邻光探测器的可视区域通常重叠。其它的光学元件540，550限定了从片材表面到光电二极管元件的工作区域之间光路的聚焦性质。在一些实施例中，光探测器的光学元件可以包括其它的光学元件和任意数目的透镜。可以使用滤光片把系统的运行范围限制在明确的波长范围内。几个光探测光电二极管可以使用一个或多个公共透镜从而组成几个光探测器。
在探测或测量片材中的孔的示范性应用中，其FOV被片材遮蔽的光探测器570通常观察到片材的一定有限表面区域。如果材料对于系统中所用光的波长来讲是不透明的话，光电二极管通常不能收到任何源于光源的有效光强度。如果材料相对于所用光在一定程度上是透明的话，那么一定量源于光源的光就会穿透材料到达光探测器，但是此时的光量是均匀的。光信号的均匀性依赖于光穿透正常、无缺陷片材的均匀性。出现在材料中的孔不可避免地要通过探伤或测量系统中一个光探测器的FOV。这由光学测量系统比片材宽和相邻光探测器的FOV在一定程度上重叠所保证。当孔在光探测器的FOV中时，一些源于光源的光会通过孔并且聚焦在光电二极管上。依赖于孔的尺寸、FOV的尺寸、片材的经过速度、测量的几何形状、光探测器的光学元件以及其它的因素，这会导致光电二极管接收到的总光强的变化幅度和时间长度有一个快速、瞬时的变化。这就造成光电二极管的光电流输出有脉冲型的快速变化。如果与任何源于材料透光性质的正常变化的脉冲相比这个脉冲都足够大时，就能够从光电二极管的光电流输出得到可靠的孔探测信号。
可以用类似的方式探测任何其它的缺点或缺陷，只要这些缺点或缺陷使得材料的透光性质明显偏离正常的片材就可以。对于如黑点等那些与正常材料相比穿透更少光的缺点或缺陷来讲，可以在半透明材料中用与探测孔类似的方式来探测它们，其间的区别是信号的极性不同。也就是说，在瑕玷位置光电二极管所接收到的总光强会是快速的脉冲型下降。
在测量行进中片材宽度的另一个示范性应用中，其FOV位于片材的边沿区域的光探测器520部分地观察到片材的一定有限表面区域，并且部分地观察到位于片材后面的光源500。如果对于系统使用的光波长来讲材料是不透明的话，那么通常光电二极管530只能接收到源于光源500并且经过材料的光。如果材料对于使用的光来讲在一定程度上是透明的，那么光电二极管530通常会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并且经过片材的光。透射光分量的均匀性依赖于光穿透正常、无缺陷片材的均匀性。对探伤或测量系统动态范围的布置使得当没有材料时光电二极管530以及其它的电子器件也不会饱和。因此这个光探测器总是能够测量解调信号的绝对值。解调信号的绝对值反比于片材遮蔽的这个光探测器的FOV的百分比。片材遮蔽的FOV越大，解调信号的绝对值越小，反之亦然。片材遮蔽的FOV越小，光源500遮蔽的FOV就越大，这就会导致光电二极管中的光强更高以及更强的解调信号。通过利用解调信号值与片材在光探测器的FOV中位置之间的关系能够测量、归一化、校准光探测器的响应，在实际的工业测量环境中能够得到片材的宽度。
能够以类似的方式测量片材的任何其它尺寸或片材边沿的位置。
很清楚使用本发明这个示范性实施例中位于片材边沿处的光探测器520能够同时测量片材尺寸和/或边沿位置和片材边沿区域中的缺点和缺陷。可以布置光学探伤或测量系统来同时记录解调信号的绝对值和追踪解调信号中的快速瞬时变化。在光探测器520中对解调信号中的快速瞬时变化的探伤和测量的执行方式与在片材完全遮蔽FOV时运行光探测器570的方式类似。
很明显在不同的布置中几个光束可以具有不同的载波波形频率。在接收器端区别来自不同发射器的信号时使用不同的频率是有用的。因此能够把几个光束发射到某一个接收器上并且在分析来自不同光路的测量时可以使用同一个接收器。这样就能够进行三维探测系统的复杂设计。
图6示出了本发明的示范性实施例60，其中要进行探伤或测量的片材经过光源600和光探测器阵列620前面。在图6中，片材610从左向右或从右向左经过。在这个实施例中，光源由几个如LED(发光二极管)的固态发光元件和如光孔径、反射表面、漫射材料的光学元件以及其它元件组成，这些元件使得光射向片材并且保证光从光源均匀发射出来。根据本发明可以使用其它的发光装置。LED通常在红色光波长发光，但是在本发明的一些实施例中也可以使用蓝色光、白色光和IR(红外)LED。LED可以布置成一行或数行，同时还布置成所需数目的列，从而覆盖探伤或测量系统所需的测量宽度。光源还包括电子设备以接收波形发生器的控制同步信号(载波)，并且控制LED或其它发光元件的光发射强度使得光强跟随波形发生器的波形。在作为示范的实施例60中，波形发生器产生的波形是交流正弦波电压，在使用它控制光源前还可以在同步信号上加上直流补偿。有时这样做是必要的，以保证在与最低发光强度对应的交流正弦波信号值处也要保证光发射器的线性。
光探测器阵列620包括几个光探测器组件630，每个光探测器组件630由一个或几个单独的光探测器组成。在这个实施例40中，一共使用18个光探测器组件进行探伤或测量系统的光探测。在这个作为示范的例子中，每个光探测器组件由4个光探测器组成，因此在该系统中一共使用了18×4＝64个光探测器。
图7详细地示出了根据本发明的光探测器720，它的布置形式与布置60类似。图7中的视角与图6类似。在这个实施例中，光探测器720布置在探测器组件中，每个探测器组件包括四个光探测器720。图7示出了测量状态的一个示例，其中的光学布置使得每个光探测器都具有一定的有限FOV。在这个实施例中，光敏光学元件是硅光电二极管730，但是在一些实施例中也可以使用APD或任何其它的光电二极管。通过使用光管740和透镜750等其它的光学元件，布置光电二极管使之具有有限的FOV760，从而光电二极管只能够观察片材的某个有限区域。在这个实施例中布置光源700使之发射出扇形光束770，它所覆盖的片材区域大于光探测器的总FOV区域。光电二极管可视区域投影到片材表面上的形状可以是圆形、椭圆形、长方形或者其它形状，这由光电二极管和其它光学元件的几何形状和尺寸特性决定。当投影到片材的表面上时，相邻光探测器的可视区域通常重叠。其它的光学元件限定了从片材表面到光电二极管元件的工作区域之间光路的聚焦性质。在一些实施例中，光探测器的光学元件中可以包括其它的光学元件和任意数目的透镜。可以使用滤光片把系统的运行范围限制在明确的波长范围内。几个光探测光电二极管可以使用一个公共透镜从而组成几个光探测器或一个组合在一起的探测器。
在探测或测量片材中的瑕玷的示范性应用中，其FOV被片材遮蔽的光探测器720通常以与片材90度的角度观察到片材的一定有限表面区域。依赖于材料的反射特征，一定量源于光源的光就会从材料反射到光探测器，此时的光量是均匀的。该光信号的均匀性依赖于光从正常、无缺陷片材反射的均匀性。出现在材料中的瑕玷不可避免地要通过探伤或测量系统中一个光探测器的FOV。这由光学测量系统比片材宽和相邻光探测器的FOV在一定程度上重叠所保证。当瑕玷在一个光探测器720的FOV中时，一些源于光源700的光会从瑕玷区域反射回来，并且其反射效果与从正常材料上反射回来时不同。从片材反射到光探测器720的FOV中的光会聚焦在光电二极管730上。依赖于瑕玷的尺寸、FOV的尺寸、片材的经过速度、测量的几何形状、光探测器720的光学元件以及其它的因素，瑕玷出现在FOV中会导致光电二极管730接收到的总光强的变化幅度和时间长度有一个快速、瞬时的变化。这就造成光电二极管的光电流输出有脉冲型的快速变化。如果与任何源于材料光反射性质的正常变化的脉冲相比这个光脉冲都非常大时，就能够从光电二极管的光电流输出得到可靠的瑕玷探测信号。
可以用类似的方式探测任何其它的缺点或缺陷，只要这些缺点或缺陷使得材料的反射光性质明显偏离正常的片材就可以。对于如孔等那些与正常材料相比反射更少光的缺点或缺陷来讲，可以用与探测黑点类似的方式来探测它们。可以用类似的方式探测比正常材料反射更多光的缺点或缺陷，其间的区别是信号的极性不同。
在本发明的另一个实施例中可以使用相对于片材的表面运行在不同视角的光探测器探测片材中的三维缺点或缺陷。可以根据源于片材相同表面位置并且由光探测器接收到的反射信号变化探测这样的缺点或缺陷。在一个示范性的实施例中，两组光探测器在一个平面中分别相对于正在经过的材料的速度矢量45度和135度的角度观察片材的表面，这个平面由速度矢量和垂直于片材的矢量限定。在一些示范性的实施例中，光束测量缺陷的高度、宽度和深度，在另外的一些实施例中，光束测量缺陷的面积、周长或其它几何特征。
在本发明的一个优选实施例中，使具有不同频率的几个发射器和相同一个接收器和探测器同步。发射器和探测器聚焦在相同的区域上。在这个实施例中，凸起和凹陷等三维缺陷与污点等二维缺陷明显不同。污点等二维缺陷使得从左边和从右边发射的光具有均匀的信号变化。但是，对于凸起等三维缺陷，当从右边照射它时，缺陷会造成左边的阴影，反之亦然，从左边照射凸起的光会在右边造成阴影。根据本发明当信号降低时就意味着探测到这种阴影。
很明显图4，5，6和7中的实施例可以和一个实际的光学探测系统组合在一起。所以给出的实施例都可以以下述形式组合，即示范性实施例40中的光透射测量可以和示范性实施例60中的反射测量使用同一个光探测器，可以使用进行透射和/或反射测量以及探测片材中缺点或缺陷的光探测器测量材料宽度。在这样的实施例中，两个光源可以从片材的相反两侧向材料发射光并且在与片材发生相互作用后同一组光接收器和光探测器可以接收源于两个光源的光。很明显根据本发明，可以把光发射器阵列组合在一起产生信号并且使用光探测器阵列产生要进行分析的信号。
在本发明的典型实施例中波形发生器产生的波形(载波)通常是固定频率下的交流正弦波电压信号。但是很显然波形信号(载波)也可以是矩形波、锯齿形波和任意其它具有周期性的波。使用控制信号同步对一个或多个光源和一个或多个光探测器的操作。在图4，5，6和7中的示范性实施例中，把光电二极管产生的光电流输送到信号处理电子设备中对基本的光电流信号进行操作和处理。在对信号进行操作后，使用信号处理电子设备从波形发生器接收到的控制信号(载波)对从光电二极管接收到的信号执行同步探测。在本发明示出的一些实施例中，首先使用互阻抗放大器把光电二极管产生的光电流转换为光电压。在交流耦合放大器中把光电压信号的直流分量去掉。波形发生器产生固定频率交流正弦波电压，并且对称、占空比为50％的方波信号用来在去掉直流分量后对光电压信号整流，方波信号经过处理这个正弦波信号得到并且就零交点而言与正弦波具有相同的频率和相位。对经过整流的信号进行低通滤波从而最终实现同步探测或解调。通常使用的滤波器是Bessel滤波器，但是也可以使用Gaussian，Chebyshev，Butterworth或RC滤波器。把经过信号处理(解调信号)的信号输出进一步输送到系统水平的电子设备中并且在那里进行进一步的处理，在这些实施例中，这些系统水平的电子设备包括专门的电子设备来追踪解调信号中对于要探伤或测量的材料而言那些属于异常的快速、瞬时变化。在这些实施例中，在一条信号通道中用低通滤波器对解调信号进行进一步的滤波，而使用比较器电路通过把经过低通滤波的解调信号和原始解调信号彼此相减来追踪解调信号的快速变化。在这些作为示范的实施例中，在比较器中可以使用一个确定的信号差别阈值，从而当系统测量到与所要求的信号阈值对应的孔、瑕玷或其它缺陷时产生数字缺陷脉冲。在一些实施例中可以使用几个具有变化阈值水平的比较器。
在这些实施例中，当测量片材的尺寸或片材边沿的位置时，也观察和记录解调信号的绝对值。使用模数转换器(ADC)测量和记录解调信号的绝对值。
在系统水平的数字信号处理电子设备和软件中分析专用信号分析电子设备产生的数字脉冲和/或ADC产生的数字化信号值。探伤或测量系统的用户利用计算机显示器通常能够看到分析产生的数据，但是本发明的光学探测系统可以和任何其它的生产系统或工厂自动化系统结合在一起从而在连续制造材料的生产过程中触发自动过程。
图8示出了根据本发明的探伤电路和方法80的示范性功能结构图。
在810接收经过解调滤波的解调电压信号。随后这个信号分到三条不同的信号通道中一条通往放大器820，在那里加上或减去选择的孔探测阈值电压，一条通往另一个放大器823，在那里类似地加上或减去选择的瑕玷探测阈值电压，还有一条通往低通滤波放大器825。在比较器830，833中比较820、823的输出和825的输出，当超过所设定阈值的模拟信号进入探伤电路时通过比较器能够得到数字化的孔或瑕玷的信号脉冲840，843。
在很多优选的实施例中，为了避免在产生缺陷脉冲后出现静寂时间，需要快速复位低通滤波放大器825的输出，例如在动态探伤环境中几乎同时探测出很多瑕玷和/孔时。在一些实施例中，这通过把数字缺陷信号脉冲输入到电路850中来实现，电路850在接收到数字缺陷信号840或843后立刻给低通滤波放大器825产生复位信号。这样在探测到缺陷后能够立刻有效地复位探伤电路，因此实际上能够立刻进行进一步的探伤操作。
在所有的实施例中都可以使用几个光束来同时测量片材的几个性质。根据本发明，当使几个发生器和一个探测器同步并且各个发射器发射出具有不同载波频率的光束来探测片材的不同性质时能够有效地实现这个目的。在探测缺陷的三维结构时也能够有效地使用不同的光束。
上面已经参考前述的实施例解释了本发明，并且示出了本发明的几个优点。本发明提供了更动态、可靠的方法来探测片材中的孔和瑕玷等光学可视缺陷。同时本发明还可以用来测量连续制造的产品的其它特征，如幅面或条带的宽度、长度或边沿位置。本发明能够同时测量片材的几个性质和/或缺陷。另外本发明还能够探测缺陷的三维结构。
很明显本发明不限于给出的实施例，而是包括本发明思想的精神和范围以及下面的权利要求中的所有可能实施例。
参考文献GB2181834GB208754权利要求
1.一种光学测量和探伤方法，包括至少两个光发射器，至少一个光接收器，至少一个与至少一个光发射器和至少一个光接收器连接的信号发生器和把接收到的光转换为电流的装置，其特征在于，-一个片材放置在或经过至少两个光发射器和至少一个光接收器之间和/或之前(200)，-至少一个信号发生器通过向至少一个光发射器和至少一个光接收器发送同步信号控制它们并且由此同步对光线的发射和探测(205，215，245)，-至少一个信号发生器用不同的载波频率、波形和/或相位驱动至少两个光发射器，并且用这些频率、波形和/或相位驱动至少一个光接收器，-至少两个光发射器发射至少两条光线(220)，-至少两条光线入射到静止或经过的片材上(225)，-相同一个光接收器探测到来自片材或直接来自光发射器的至少两条掠过、透过和/或反射的光线(230)，-至少两条光线转换为光电流(240)，-诊断并且观测经过处理的光电流和/或经过处理的光电流中的变化以找出缺陷和/或确定所述片材的特征(250)。
2.如权利要求1所述的光学测量和探伤方法，其特征在于从不同发射器射向相同一个接收器的不同光束测量片材的不同性质。
3.如权利要求1所述的光学测量和探伤方法，其特征在于用多于一条光束测量缺陷的三维结构。
4.如权利要求1所述的光学测量和探伤方法，其特征在于至少一条所述发射光线的强度跟随载波信号波形并且使用该载波波形信号或该载波所产生的另一个信号解调接收到的光线。
5.如权利要求1和4所述的光学测量和探伤方法，其特征在于至少一个载波波形信号是正弦波、余弦波或方波信号。
6.如权利要求1所述的光学测量和探伤方法，其特征在于光电流转换为电压。
7.如权利要求1所述的光学测量和探伤方法，其特征在于放大得到的光电流或电压。
8.如权利要求1所述的光学测量和探伤方法，其特征在于得到的光电流或电压输送到探伤电路(80)中，探伤电路包括，-把一个正的或负的电压阈值加到进入探伤电路的电压信号上的相加装置(820，823)，一条低通滤波信号通道(825)，复位电路的装置(850)，-当探伤或测量系统的解调或同步探测电路产生超过预设定阈值的模拟信号时产生数字缺陷信号脉冲的装置(840，843)。
9.如权利要求1所述的光学测量和探伤方法，其特征在于片材(410，510，610，710)是纸张、钢、塑料、金属、橡胶、铝箔、铜箔、薄膜或镀覆的金属片材。
10.如权利要求1所述的光学测量和探伤方法，其特征在于通过所述的光学测量，得到至少一个缺陷的位置和/或尺寸和/或至少一个缺陷的其它性质和/或片材的宽度、厚度、长度、密度、反射率、纯度或片材的其它物理性质。
11.如权利要求1所述的光学测量和探伤方法，其特征在于一个或多个缺陷是下述缺陷孔、小孔、划伤、瑕玷、污点、裂缝、边沿缺陷、条痕、表面缺陷。
12.如权利要求1所述的光学测量和探伤方法，其特征在于至少一个光探测器(520，570，720)和/或探测器组件(430，560，630)和/或探测器阵列(420，620)包括至少一个光电装置(530，730)，透镜(550，750)和波导(540，740)。
13.如权利要求1所述的光学测量和探伤方法，其特征在于信号发生器用不同的载波频率、波形和/或相位驱动至少两个光接收器。
14.一种光学测量和探伤装置，包括至少两个光发射器，至少一个光接收器，至少一个与至少一个光发射器和至少一个光接收器连接的信号发生器和把接收到的光转换为电流的装置，其特征在于，-一个片材(410，510，610，710)布置在至少两个光发射器(400，500，600，700)和至少一个光接收器(420，520，620，720)之间和/或之前，-布置至少两个光发射器(400，500，600，700)发射至少两条光线入射到至少一个片材上，-布置所述的至少两条掠过、透过和/或反射光线使得被相同一个光接收器(420，520，620，720)探测到，-布置至少一条光线使得被至少一个光电装置(530，630，730)转换为光电流，-布置至少一个信号发生器通过向至少一个光发射器(400，500，600，700)和至少一个光接收器(420，520，620，720)发送同步信号控制它们并且由此同步对光线的发射和探测，-布置至少一个信号发生器用不同的载波频率、波形和/或相位驱动至少两个光发射器，并且用这些频率、波形和/或相位驱动至少一个光接收器，-布置使得能够诊断并且观测光电流和/或光电流中的变化以找出缺陷和/或确定所述片材的特征(310)。
15.如权利要求14所述的光学测量和探伤装置，其特征在于布置成从不同发射器射向相同一个接收器的不同光束测量片材的不同性质。
16.如权利要求14所述的光学测量和探伤装置，其特征在于用多于一条光束检测缺陷的三维结构。
17.如权利要求14所述的光学测量和探伤装置，其特征在于至少一条所述发射光线的强度跟随载波信号波形并且/或者使用该载波波形信号解调接收到的光线。
18.如权利要求14和17所述的光学测量和探伤装置，其特征在于至少一个波形信号是正弦波、余弦波或方波信号。
19.如权利要求14所述的光学测量和探伤装置，其特征在于把得到光电流或电压输送到探伤电路(80)中，探伤电路包括，-把一个正的或负的电压阈值加到进入探伤电路的电压信号上的相加装置(820，823)，-一条低通滤波信号通道(825)，-复位电路的装置(850)，-当探伤或测量系统的解调或同步探测电路产生超过预设定阈值的模拟缺陷信号时产生数字缺陷信号脉冲的装置(840，843)。
20.如权利要求14所述的光学测量和探伤装置，其特征在于片材(310，410，510，610)是纸张、钢、塑料、金属、橡胶、铝箔、铜箔、薄膜或镀覆的金属片材等。
21.如权利要求14所述的光学测量和探伤装置，其特征在于通过所述的光学测量，得到至少一个缺陷的位置和/或尺寸和/或至少一个缺陷的其它性质和/或片材的宽度、厚度、长度、密度、反射率、纯度或片材的其它物理性质。
22.如权利要求14所述的光学测量和探伤装置，其特征在于一个或多个缺陷是下述缺陷孔、小孔、划伤、瑕玷、污点、裂缝、边沿缺陷、条痕、表面缺陷。
23.如权利要求14所述的光学测量和探伤装置，其特征在于至少一个光接收器和/或探测器(420，520，560，570，620，630，720)包括至少一个光探测器(530，730)，透镜(550，750)和/或波导(540，740)。
24.如权利要求14所述的光学测量和探伤装置，其特征在于布置信号发生器使之用不同的载波频率、波形和/或相位驱动至少两个光接收器。
全文摘要
本发明涉及一种探测工业片材中孔和其它相关缺陷以及测量其特征的方法。光学探测系统一直受到强烈的环境光的困扰并且其精度一直很难提高。本发明提供一种缺陷探测方法和装置，它能够免受强烈环境光的困扰并且能够对片材(410，510，610，710)进行连续探伤，而不需要很长的整合时间。在本发明中，使用了光发射器和接收器之间的同步探测。本发明可以用于探伤和测量运行在生产线上的纸张、金属、塑料、橡胶、铝箔、铜箔、薄膜或镀覆的金属片材以及其它的片材状材料。本发明还能够用于探测一些特殊缺陷，这包括孔、小孔、划伤、瑕玷、裂缝、边沿缺陷、条痕、表面缺陷以及其它能够想到的缺陷。
文档编号G01N21/89GK1711458SQ200380102905
公开日2005年12月21日 申请日期2003年11月4日 优先权日2002年11月5日
发明者伊罗·希耶塔宁, 海莫·凯雷宁, 塞波·派奥雷特 申请人:Sr仪器公司