CN203758474U - 管材测量设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种管材测量设备，包括机架和设置于机架上的测量装置，其中，测量装置还包括一用于测量管材的外径信息的激光扫描装置，激光扫描装置包括激光扫描发射装置和激光扫描接收装置，激光扫描发射装置与X射线管设置于第二测量腔的同一端；激光扫描接收装置与X射线图像传感器并列设置用于接收未被待测管材遮挡的激光光线并形成管材的外径信息。本实用新型通过附加激光扫描装置可以用于测量管材外径，通过附加旋转机构可以直接寻找和测量管材壁厚最薄和最厚处的位置和大小，同时可以解决固定式装置需要两套X射线成像装置所产生的偏心计算误差和成本高的问题。

Description

管材测量设备

技术领域

本实用新型涉及一种测量设备，特别是一种对管材挤出线上的管材的厚度等参数进行测量的管材测量设备。

背景技术

在包括汽车，化工等很多行业都要用到橡胶或者塑料管材。它们例如可以通过这样的方法进行生产：固态的原材料在螺杆的推送下进入螺筒，在螺筒的热环境下变成半液态。在螺杆的挤压作用下，半液态的原材料从机头出口挤出，形成了管材。管材的壁厚是通过调节机头出口间隙大小来控制的。

在完成挤出后，管材截面应具有理想的形状，即外圆和内圆的圆心应该重合。实际上，成品管总有公差，外圆和内圆的圆心多少都有一定的偏离，即一定存在一定的偏心度。

对管材生产很重要的质量参数就是管壁厚和偏心度，在管材生产过程中需要对这些参数进行测量和监控。为测定壁厚，有用X射线测量的方法。可以参考美国专利6377654。该美国专利利用X射线照射管材截面，射线穿透管材后，有一部分会被管材吸收，而未被吸收的射线照射在成像器件上，可以得到管材的截面图像，通过分析该图像可以得到管材的壁厚大小。这个测量方法的前提是X射线管和管材距离保持不变，但对于在线生产的情况下，这个距离会经常发生变化，因此会产生精确度不高的问题。因此该方法仍然存在缺陷，需要改进。

为了确保管材上下位置发生变化后不影响测量精度，同时还要获得管材的偏心度，可以在相互垂直的两个方向上各安装这样一套装置。在测量管材位置的同时，又能利用管材上四个点的壁厚信息，通过数学运算推导出管材的偏心。但这意味要采用两套X射线成像装置安装在相互垂直的两个方向上，如SIKORA公司的X-RAY2000系列产品即采用的这种方案。但是数学推导出来的偏心度和真实的偏心度仍然是有差异的。在极端情况下，这个差异会超过对管材规格的要求，并且该方法存在成本较高的问题。因此，现有技术的这一方法也存在缺陷，需要改进。

实用新型内容

鉴于现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种测量精确度高且成本较低的管材测量设备。

为了实现上述目的，本实用新型提供的一种管材测量设备，包括机架和设置于所述机架上的测量装置，所述测量装置包括第一测量腔、第二测量腔以及用于获取管材的截面图像信息的X射线成像装置，所述第一测量腔为一供待测管材穿过的管道，其与所述第二测量腔连通且交叉垂直设置，所述X射线成像装置包括X射线管和X射线图像传感器，所述X射线管设置于所述第二测量腔的一端用于发出沿所述第二测量腔并经管材的垂直于所述管材长度方向的一个横截面穿过的X射线，所述X射线图像传感器设置于所述第二测量腔另一端内用于接收穿过待测管材的X射线并形成管材的截面图像信息，其中，所述测量装置还包括一用于测量管材的外径信息的激光扫描装置，所述激光扫描装置包括激光扫描发射装置和激光扫描接收装置，所述激光扫描发射装置与所述X射线管设置于所述第二测量腔的同一端，其用于发出沿所述第二测量腔并经管材的另一个垂直于所述管材长度方向的横截面照射的激光光线，所述激光光线的光路与所述X射线的光路平行；所述激光扫描接收装置设置于所述第二测量腔外用于接收未被待测管材遮挡的激光光线并形成管材的外径信息。

作为优选，所述X射线穿过的横截面与所述激光光线照射的横截面接近重合。在本实用新型中，接近重合表示非常接近，但实际操作中又不可能使光路完全重合，所以使其接近到可以认为由两个横截面处测量的管材的截面图像信息及外径信息一致即可。

作为优选，所述激光扫描装置还包括一反射镜组，所述反射镜组包括至少一第一反射镜和一第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜位于X射线管和所述X射线图像传感器之间的第二测量腔内，并且所述激光扫描发射装置发出的激光光线依次经所述第一反射镜和所述第二反射镜反射以使所述激光光线与所述X射线平行，所述激光扫描接收装置设置于所述第二反射镜一侧用于接收经所述第二反射镜反射的激光光线。

作为优选，所述第一测量腔固定设置在所述机架上，所述第二测量腔及所述第一测量腔上侧壁上设置有垂直于其各自轴向的一通孔，所述第一测量腔穿过所述第二测量腔上的通孔且通过所述第一测量腔上的通孔使两者内部空腔连通。

作为优选，所述管材测量设备还包括一旋转机构，所述旋转机构包括固定在所述机架上的电机、设置在所述电机输出轴上的主动齿轮以及套设在所述第一测量腔外侧并与所述第二测量腔连接的从动齿轮，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合并在所述电机的驱动下带动所述从动齿轮以使所述第二测量腔绕所述第一测量腔旋转；

所述X射线成像装置及所述激光扫描装置均设置于所述第二测量腔的内部空腔或外侧表面且与所述第二测量腔一体旋转。

作为优选，所述第一测量腔与固定在所述第二测量腔上的从动齿轮之间设置有轴承。

作为优选，所述第二测量腔绕所述第一测量腔旋转的角度为±90°。

与现有技术相比较，本实用新型具有以下有益效果：第一，利用单路X射线成像装置附加的激光扫描装置解决管材位置变化会影响测量精度的问题；第二，利用旋转机构解决固定式测量装置无法直接定位和测量管材壁厚最薄处，从而无法直接测量偏心度的问题；第三，一套X射线成像装置附加激光扫描装置及旋转机构解决固定式装置需要两套X射线成像装置所产生的成本高的问题，本实用新型采用紧凑的结构设计实现测量装置的轻量化以便于旋转。

附图说明

图1是本实用新型的管材测量设备的主视图；

图2是本实用新型的管材测量设备的侧视图；

图3a是X射线图像传感器获取管材截面图像信息的原理示意图；

图3b是X射线穿过管材的同一截面的不同位置时的X射线强度变化的示意图；

图3c是管材壁厚信息与管材的真实壁厚的关系示意图；

图4a是管材到X射线管的距离为L时的X射线强度与照射位置的关系示意图；

图4b是管材到X射线管的距离为L’时的X射线强度与照射位置的关系示意图；

图5是本实用新型的管材测量设备的激光扫描装置光路图；

图6a是测量装置在一个位置时的状态示意图；

图6b是测量装置通过旋转机构旋转后在另一位置时的状态示意图；

图7a是图6a测量位置时X射线强度与照射位置的关系示意图；

图7b是图6b测量位置时X射线强度与照射位置的关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案做进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本实用新型提供的一种管材测量设备，包括机架8和设置于所述机架8上的测量装置，所述测量装置包括第一测量腔18、第二测量腔15以及用于获取管材9的截面图像信息的X射线成像装置，所述第一测量腔18为一供待测管材9穿过的管道，其与所述第二测量腔15连通且交叉垂直设置，所述X射线成像装置包括X射线管1和X射线图像传感器2，所述X射线管1设置于所述第二测量腔15的一端用于发出沿管材9的一个横截面（图中未示出）穿过的X射线，所述X射线图像传感器2设置于所述第二测量腔15另一端内用于接收穿过待测管材9的X射线13并形成管材的截面图像信息；以上原理均与现有技术类似，通过X射线穿透的特性且穿透壁厚的不同会导致X射线被部分吸收的不同形成管材的截面图像信息，本申请下文中将继续做详细的说明。而在本实用新型的管材测量设备中：

所述测量装置还包括一用于测量管材的外径信息的激光扫描装置，所述激光扫描装置包括激光扫描发射装置3和激光扫描接收装置4，所述激光扫描发射装置3与所述X射线管1设置于所述第二测量腔15的同一端，其用于发出沿管材9的另一个横截面（图1和图2中未示出）照射的激光光线14，所述激光光线14的光路与所述X射线13的光路平行；所述激光扫描接收装置4与所述X射线图像传感器2并列设置用于接收未被待测管材遮挡的激光光线并形成管材的外径信息。激光光线14不具备穿透性，但其照射通过管材后被激光扫描接收装置4接收可以形成管材的外径信息，且管材9距离激光扫描发射装置3的距离并不会影响外径信息测量的准确性。下文中将有更为详尽的描述。

为了使得本实用新型的管材测量设备的测量结果尽可能准确，作为优选，所述X射线13穿过的横截面与所述激光光线照射的横截面接近重合。在本实用新型中，接近重合表示非常接近，但实际操作中又不可能使光路完全重合，所以使其接近到可以认为由两个横截面处测量的管材的截面图像信息及外径信息一致即可。同时，实际操作当中，可以通过设置反射镜组来使得两个横截面尽可能接近以至于近似认为是同一横截面，所述反射镜组可以包括至少一第一反射镜10和一第二反射镜11，所述第一反射镜10和所述第二反射镜11分别设置于所述X射线管1和所述X射线图像传感器2的一侧，并且所述激光扫描发射装置3发出的激光光线14依次经所述第一反射镜10和所述第二反射镜11反射以使所述激光光线14与所述X射线13平行，所述激光扫描接收装置4设置于所述第二反射镜11一侧用于接收经所述第二反射镜11反射的激光光线。实际上，如图1所示，在这一实施例中，还设置有第三反射镜12，当然其作用也是改变激光光线的光路并最终使激光光线反射入激光扫描接收装置4中。

在使用本实用新型的管材测量设备进行管材壁厚测量时，如果需要测量管材的偏心度，所述激光光线需要分别从不同的角度照射管材。作为优选，可以使所述第二测量腔15以第一测量腔18为轴进行旋转，具体地，可以将所述第一测量腔固定设置在所述机架8上，所述第二测量腔15及所述第一测量腔18上设置有垂直于其各自轴向的侧壁的一通孔（图1和图2中未示出），所述第一测量腔18穿过所述第二测量腔15上的通孔且通过所述第一测量腔18上的通孔使两者内部空腔连通。这样可以在需要测量管材偏心度时通过旋转第二测量腔15获得不同位置时的管材9的截面图像信息，由此找出管材最厚处和最薄处的大小，由此可以进一步得到管材9的偏心度大小。

承上所述，所述第二测量腔15整体需要以所述第一测量腔为轴进行转动时，作为优选，如图1和图2所示，所述管材测量设备还包括一旋转机构，所述旋转机构包括固定在所述机架8上的电机5、设置在所述电机输出轴（图1和图2未示出）上的主动齿轮6以及套设在所述第一测量腔18外侧并与所述第二测量腔15连接的从动齿轮7，所述主动齿轮6与所述从动齿轮7啮合并在所述电机的驱动下带动所述从动齿轮以使所述第二测量腔15绕所述第一测量腔18旋转；此时，所述X射线成像装置及所述激光扫描装置均设置于所述第二测量腔15的内部空腔或外侧表面且与所述第二测量腔15一体旋转。同时，作为优选，所述第一测量腔18与固定在所述第二测量腔15上的从动齿轮7之间设置有轴承16。

以下结合附图详细说明本实用新型的管材测量设备的实际测量过程及原理。

如图1和图2所示。图1中央的倒T型部分为第二测量腔15，X射线管1及X射线图像传感器2固定在第二测量腔15中。X射线管1向上发射数十千电子伏的X射线13。X射线13经过被测管材9的截面后会被吸收一部分，没有被吸收的部分会在X射线图像传感器2上产生管材9截面的图像。通过找到该图像中的几个关键点的位置就可以得到管材9的壁厚信息，这个信息乘以一个系数才是管材9的真实壁厚，而这个系数又和管材9和X射线管1的距离以及管材9与X射线图像传感器2的距离有关（具体关系举例说明为，参见图3c，假设管材中心到X射线管1的距离为x，管材中心到X射线图像传感器2之间的距离是y，管材测量壁厚为z，管材真实壁厚为d，那么上文所述的系数就是）。实际情况下，管材9的上下位置总会发生改变，从而使得到管材真实壁厚变得非常困难。为了解决这个问题引入了本实用新型关键技术之一的激光扫描装置，该装置可以测量出管材外径的大小并且管材上下的位置的变化对测量没有影响。该激光扫描装置由激光扫描发射装置3及激光扫描接收装置4组成。除此以外，还包括第一反射镜10、第二反射镜11和第三反射镜12来改变激光光线14的方向，使得激光光线14和X射线13近似认为是测量同一个截面。一旦得到管材9的外径大小，那么就可以用它作为一把“尺”对X射线图像传感器2上得到的管材9壁厚信息进行计量，从而得到管材9的真实壁厚。第二项关键技术是通过引入旋转机构得以实现。对于偏心度这项重要指标，必须通过测量截面的某个角度管材壁厚数据才能得到，在该角度上一般能同时测量到管壁最薄和最厚的大小。测得的这两个数据经过简单运算就可以直接得到管材壁厚的偏心度。引入的旋转机构可以使测量转到这样角度。旋转机构由电机5、主动齿轮6、从动齿轮7及轴承16组成。从动齿轮7与第二测量腔15固定形成运动部分，本实施例中电机5采用伺服电机，伺服电机及主动齿轮6通过电机支架17与第一测量腔18组成静止部分。运动部分和静止部分通过轴承16连接。伺服电机的转动使得第二测量腔15能够以第一测量腔18为轴也进行转动。第二测量腔15的转动的角度范围只要保证大于正负90度，便能涵盖可以直接测得管材壁厚偏心度的角度。

图3a和图3b示意了X射线图像传感器2上获取管材9截面图像及得到壁厚信息的方法，其中图3a示出了X射线图像传感器获取管材截面图像信息的原理示意图，图3b示出了X射线穿过管材不同位置时X射线强度变化的示意图。图3b中的横坐标是以像素为单位的位置坐标，纵坐标是X射线的射线强度大小。我们选择X射线13中的三条特征射线a、b和c来分析。其中射线a与管材外壁相切，射线b与管材内壁相切，射线c正好通过管材9中心，并且认为a，b和c近似平行。没有穿过管材的射线而直接照射在X射线图像传感器2上测得的射线强度为I₀；穿过管材9的射线在X射线图像传感器2测得射线强度小于I₀，其大小遵守吸收公式I＝I₀e^-μT（公式中μ为线吸收系数，T为X射线13穿过管材路径的长度），T越大I越小。在图像中可以看到，射线a的射线强度对应着管材9截面图像中I₀开始减小的突变点，其位置坐标为P4。从射线a开始到射线b之间的射线穿过管材9的路径越来越长，射线强度越来越小，其图像呈现出单调减的趋势。射线b穿过管材9的路径为最大值L1，因此射线b的射线强度对应着管材9截面图像中的最小射线强度I_min，其位置坐标为P3。从射线b开始到射线c之间的射线穿过管材9的路径越来越短，所以射线强度越来越大，其图像呈现出单调增的趋势。射线c穿过管材9的路径为L2+L3，其射线强度介于I_min和I₀之间，在图像的中间区域中呈现出一个极大值。射线c右侧的射线和其左侧的射线在图像上呈现出对称的关系，所以通过相同的方法可以找到P2和P1点。图像中位置坐标P4和P3的差值便是管材右侧的壁厚信息，而位置坐标P2和P1的差值便是管材左侧的壁厚信息。壁厚信息需要乘以一个系数才能得到真实壁厚，从图4中可以看到，这个系数和管材的上下位置有关系。图4a和图4b是管材上下位置变化引起的测量结果的变化示意图，其中图4a示出了管材到X射线管的距离为L（结合图3c，即y=L）时的X射线强度与照射位置的关系示意图，图4b示出了管材到X射线管的距离为L’（结合图3c，即y=L’）时的X射线强度与照射位置的关系示意图。图4a和图4b两图X射线13发射点O距离X射线管1的距离相同，但图4a中管材9到X射线图像传感器2的距离L大于图4b中的L’，从图像上可以看出图4a壁厚信息P4－P3大于图4b壁厚信息P4’－P3’。所以要计算真实壁厚，必须知道L的大小。传统的壁厚测量装置在水平方向增加一路X射线成像装置，测量管材9到X射线图像传感器2的距离L同时，也能测量管材9水平方向壁厚。而本实用新型利用公式（P4－P3和P4－P1分别为图像上的管材9的壁厚和外径信息；t和D分别为管材9的真实壁厚的真实外径）计算管材9右侧的真实壁厚。如果知道管材9的外径真实大小为D，那么将上述公式变换为便可以得到图4a管材9的真实壁厚，同理通过也可以得出图4b管材9的真实壁厚，这两个壁厚数值是一致的，和管材9与X射线图像传感器2的距离L没有关系。

本实用新型通过设置激光扫描装置来测量管材9的外径大小。具体实施如图5所示。平行的激光光线14由激光扫描发射装置3发出，经过第一反射镜10的反射形成。管材9放置在的激光光线14的范围内，部分激光光线被遮挡，没有被管材9遮挡的激光光线14通过第二反射镜11及第三反射镜12进入激光扫描接收装置4。激光扫描接收装置4通过分析激光光线14中被管材9遮挡部分的比例计算出管材9的外径。由于激光光线14是平行光，所以管材9的上下位置变化不会影响外径测量的准确性。而由于激光光线14所处的平面和X射线13所处的平面非常接近，因此可以近似认为它们测量的是管材9的同一个截面。得到的同一截面的外径和X射线图像结合上文提到的公式可以得到管材9的真实壁厚。

本实用新型中的旋转机构可以直接测量管材9的偏心度。图6a和图6b是本实用新型的管材测量设备的旋转机构寻找管材壁厚最薄处原理示意图，其中图6a是测量装置在一个位置时的状态示意图，图6b是测量装置通过旋转机构旋转后在另一位置时的状态示意图。图7a是图6a测量位置时X射线强度与照射位置的关系示意图；图7b是图6b测量位置时X射线强度与照射位置的关系示意图。对于存在偏心的管材9，如图6a和图7a所示，第二测量腔15位于图6a所示角度时，X射线图像中得到的壁厚信息分别为P2－P1和P4－P3。第二测量腔15在旋转机构的作用下顺时针旋转，测得的这两个壁厚信息会发生变化。前者会逐渐增大，后者会逐渐减小。当第二测量腔15顺时针旋转到某个角度时（图6b及图7b）测量的壁厚信息P2’－P1’为最大值，而P4’－P3’为最小值，即在这个角度测量到的是管材9壁厚最厚和最薄的大小。因此根据这两个最值就可以得到管材9的偏心度。相对于采用两套X射线成像装置的固定式测量装置，本实用新型的测量偏心度的结果更为直接和准确。

因此，通过X射线成像装置、激光扫描装置以及旋转机构的结合，该管材壁厚、偏心测量装置能更为准确的测量管材壁厚和偏心。同时，比使用两套X射线成像装置的固定式测量装置成本更为低廉，更为轻便。

针对于目前专利及产品中存在的无法检测到管材壁厚最薄处，即不能直接测量管材壁厚偏心的大小。本实用新型为上述X射线成像及激光扫描装置安装了一套旋转装置。通过该旋转装置可以使X射线成像装置绕着管材轴线在正负90度范围内往复旋转，这个旋转的角度范围能确保定位到的管材壁厚最薄处，从而直接测得管材的偏心度。

Claims (7)

1.一种管材测量设备，包括机架和设置于所述机架上的测量装置，所述测量装置包括第一测量腔、第二测量腔以及用于获取管材的截面图像信息的X射线成像装置，所述第一测量腔为一供待测管材穿过的管道，其与所述第二测量腔连通且交叉垂直设置，所述X射线成像装置包括X射线管和X射线图像传感器，所述X射线管设置于所述第二测量腔的一端用于发出沿所述第二测量腔并经管材的垂直于所述管材长度方向的一个横截面穿过的X射线，所述X射线图像传感器设置于所述第二测量腔另一端内用于接收穿过待测管材的X射线并形成管材的截面图像信息，其特征在于，

所述测量装置还包括一用于测量管材的外径信息的激光扫描装置，所述激光扫描装置包括激光扫描发射装置和激光扫描接收装置，所述激光扫描发射装置与所述X射线管设置于所述第二测量腔的同一端，其用于发出沿所述第二测量腔并经管材的另一个垂直于所述管材长度方向的横截面照射的激光光线，所述激光光线的光路与所述X射线的光路平行；所述激光扫描接收装置设置于所述第二测量腔外用于接收未被待测管材遮挡的激光光线并形成管材的外径信息。

2.如权利要求1所述的管材测量设备，其特征在于，所述X射线穿过的横截面与所述激光光线照射的横截面接近重合。

3.如权利要求2所述的管材测量设备，其特征在于，所述激光扫描装置还包括一反射镜组，所述反射镜组包括至少一第一反射镜和一第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜位于X射线管和所述X射线图像传感器之间的第二测量腔内，并且所述激光扫描发射装置发出的激光光线依次经所述第一反射镜和所述第二反射镜反射以使所述激光光线与所述X射线平行，所述激光扫描接收装置设置于所述第二反射镜一侧用于接收经所述第二反射镜反射的激光光线。

4.如权利要求3所述的管材测量设备，其特征在于，所述第一测量腔固定设置在所述机架上，所述第二测量腔及所述第一测量腔上侧壁上设置有垂直于其各自轴向的一通孔，所述第一测量腔穿过所述第二测量腔上的通孔且通过所述第一测量腔上的通孔使两者内部空腔连通。

5.如权利要求4所述的管材测量设备，其特征在于，所述管材测量设备还包括一旋转机构，所述旋转机构包括固定在所述机架上的电机、设置在所述电机输出轴上的主动齿轮以及套设在所述第一测量腔外侧并与所述第二测量腔连接的从动齿轮，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合并在所述电机的驱动下带动所述从动齿轮以使所述第二测量腔绕所述第一测量腔旋转；

所述X射线成像装置及所述激光扫描装置均设置于所述第二测量腔的内部空腔或外侧表面且与所述第二测量腔一体旋转。

6.如权利要求5所述的管材测量设备，其特征在于，所述第一测量腔与固定在所述第二测量腔上的从动齿轮之间设置有轴承。

7.如权利要求6所述的管材测量设备，其特征在于，所述第二测量腔绕所述第一测量腔旋转的角度为±90°。