TW201022623A - Apparatus and method for measuring displacement of a curved surface using dual laser beams - Google Patents

Description

201022623 . 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明相關於圓柱形表面的位移的測量。更特定地說 ，本發明相關於使用發射平行雷射射束的兩個雷射距離測 量裝置來遠距離地（remotely )測量具有圓柱形外表面的 結構的移動，其中具有圓柱形外表面的結構例如爲管件、 導管、桿件、或軸件。 ❹ 【先前技術】 工業、製造業、或電廠設備中所用的管件經常會由於 在管件內移動的流體的壓力或溫度的變化而彎曲、移動、 及振動，並且有時會由於管件所處的環境中的變化而彎曲 、移動、及振動。負責這些設備中的管路系統的操作及維 修的人員必須能夠監視管路系統中的移動及振動，以確保 此種移動及振動是在可接受的界限內。否則，可能會發生 • 嚴重的損害。 雖然干涉儀型式的裝置已曾被用來提供有關管路系統 中的振動頻率的資訊，但是尙未有任何裝置可被用來不接 觸式地遠距離監視管件在二維平面中的位移。本發明的各 種不同實施例滿足此需求。 【發明內容】 本發明的用來測量具有曲線狀表面的結構的位移的設 備滿足上述需求及其他需求。在較佳實施例中，設備包含 -5- 201022623 具有相反的第一端部及第二端部的支撐結構，而第一雷射 距離測量裝置鄰近於第一端部被設置’且第二雷射距離'測 量裝置鄰近於第二端部被設置。第一雷射距離測量裝置產 生照射結構的曲線狀表面的第一雷射射束，偵測從結構的 曲線狀表面反射的雷射能量，及根據所測得的雷射能量產 生第一距離訊號。同樣地，第二雷射距離測量裝置產生照 射結構的曲線狀表面的第二雷射射束，偵測從結構的曲線 狀表面反射的雷射能量，及根據所測得的雷射能量產生第 @ 二距離訊號。一測量裝置被設置在支撐結構上，用來測量 第一雷射射束與第二雷射射束之間的間隔。設備包含穩定 底座，而支撐結構可樞轉地附著於穩定底座，因而提供支 撐結構及第一及第二雷射射束的傾斜。測斜儀被設置在支 撐結構上，用來測量傾斜角度。電腦處理器根據第一及第 二距離訊號、第一雷射射束與第二雷射射束之間的間隔、 曲線狀表面的曲率半徑、及第一及第二雷射射束的傾斜角 度計算指示結構的位移的位置値。 〇 在一些較佳實施例中，曲線狀表面包含圓柱形表面， 且電腦處理器根據以下方程式計算位置値：

其中X爲具有圓柱形表面的結構的x位置，爲具有圓柱形 -6 - 201022623 表面的結構的y位置，s爲第一雷射射束與該第二雷射射束 之間的間隔，幻爲由第一距離訊號所指示的距離，心爲由 第二距離訊號所指示的距離，心M/Γ爲當圓柱形表面處於 初始位置時由第二距離訊號所指示的初始距離，而A爲圓 柱形表面的曲率半徑。 在一些實施例中，至少支撐結構、第一及第二雷射距 離測量裝置、及測斜儀被設置在可攜帶的手持殻體內。電 〇 腦處理器也可被整合至手持殼體內，或者電腦處理器可與 手持殼體分開地被設置，並且經由線束（wiring harness ) 或無線資料鏈（wireless data link)從雷射距離測量裝置 接收測量資料。 在另一方面，本發明提供一種測量具有曲線狀表面的 結構的位移的方法。在一些較佳實施例中，方法包含以下 步驟： (a)產生照射結構的曲線狀表面的第一及第二雷射 ❹射束； (b )偵測從結構的曲線狀表面反射的雷射能量； (c )根據所測得的雷射能量產生第一距離訊號，其 中第一距離訊號指示至曲線狀表面的第一部份的第一距離 t (d )根據所測得的雷射能量產生第二距離訊號，其 中第二距離訊號指示至曲線狀表面的第二部份的第二距離 (e )判定第一雷射射束與第二雷射射束之間的間隔 201022623 (f) 根據第一及第二距離訊號、第一雷射射束與第 二雷射射束之間的間隔、及曲線狀表面的曲率半徑計算指 示結構的移動的特性的資料値，·及 (g) 將資料値顯示在顯示裝置上，以提供關於結構 的移動的資訊。 本發明另外的有利點藉著參考連同圖式的詳細敘述會 很明顯’而元件在圖式中並非按照實際比例以可更清楚地 @ 顯示細節，並且相同的參考數字在數個視圖中標示相同的 元件。 【實施方式】 如圖1所示，圖中顯示用來遠距離地測量曲線狀表面 的位移的設備10，其中曲線狀表面例如爲軸件或管件12的 圓柱形表面，而此設備10包含設置在支撐結構16的兩相反 端部處的一對雷射距離感測器14a及14b。感測器Ma及14b Q 被定向成爲使得從其發射的雷射射束18 a及18b互相平行或 是實質上互相平行且垂直於支撐結構16 (圖3中的步驟100 )。從管件12反射的雷射能量由感測器14a及14b偵測（步 驟102 )，而感測器14a及14b根據所測得的雷射能量產生 距離訊號（步驟104)。這些距離訊號指示感測器14a及 14b與管件12上反射射束1 8a及1 8b的兩點之間的距離幻及心 。如圖1所示，雷射射束18a及18b以水平距離或間隔S分開 -8- 201022623 當管件12的軸向中心相對於雷射距離感測器14a及14b 移動時，例如從第一位置（々，)移動至第二位置（ ，：^ )時，至管件12的表面的距離幻及心相應地改變。因 此，距離幻及心、間隔5、及管件12的半徑Λ可被用來計算 管件12的軸向中心的水平向及直立向移動。這些資料也可 被用來根據此水平向及直立向移動計算管件12的振動頻率 〇 〇 如圖1所示，支撐結構16被安裝在一穩定底座上，例 如被安裝在三角架3 6或其他類似結構上。較佳地，支撐結 構16藉著樞軸機構20而附著於三角架36，其中樞軸機構20 容許雷射距離感測器14a及14b被傾斜及瞄準被設置在設備 10的位置的上方、被設置在與設備10的位置相同的高度、 或被設置在設備10的位置的下方的管件12。在較佳實施例 中，氣泡水平儀（bubble level ) 24或其他位準指示裝置被 設置在三角架36上。 Φ 在較佳實施例中，設備10包含用來測量傾斜角度β的 測斜儀（inclinometer ) 22，其中傾斜角度ρ爲雷射射束 18a及18b相對於水平的角度（圖3中的步驟108)。測斜儀 22的類型可爲提供可由操作者讀取的視覺角度指示。在較 佳實施例中，測斜儀22輸出指示傾斜角度β的電傾斜訊號 。此種測斜儀的例子爲Positek型號Ρ603傾斜感測器。 觀察猫準儀（sighting scope) 38較佳地被附著於支撐 結構16。此容許操作者可目測對準設備1〇，使得雷射射束 18 a及1 8b被正確地定位在被測量的管件12上。 201022623 在較佳實施例中，雷射距離感測器14&及141?被滑動地 附著於支撐結構16’使得感測器143及141>可被移動而較爲 靠近在一起或是分開得較遠’以將間隔5設定於所想要的 値。在手動操作的實施例中，感測器143及141>的位置被手 動調整，並且間隔$是根據設置在支撐結構16上的線性刻 度40而被決定（圖3中的步驟106)。在半自動實施例中’ 一對線性距離感測器34 (圖2)例如線性可變差動變壓器 (linear variable differential transformer(LVDT))附著於 支撐結構16及感測器14a及14b。這些感測器34輸出提供間 隔S的指示的線性位移訊號。在全自動實施例中，一對線 性致動器42 (圖2)附著於支撐結構16及感測器14a及14b 。此實施例的致動器42可被用來在產生提供間隔S的指示 的線性位移訊號的同時自動地設定感測器14a及14b的位置 〇 如圖1及2所示，雷射距離感測器14a及14b以及附著於 支撐結構16的任何其他感測器及致動器均經由線束30而電 連接於資料收集系統44。資料收集系統44較佳地包含可爲 膝上型電腦的組件的電腦處理器26及顯示裝置32、及資料 擷取卡28。資料擷取卡28接收及處理來自距離感測器14a 及14b (以及附著於支撐結構16的任何其他感測器及致動 器）的類比電訊號，將類比訊號轉換成爲數位訊號，並且 將數位訊號提供至電腦處理器26。然後，處理器26根據距 離訊號、間隔*5、傾斜角度β、及管件1 2的半徑Λ計算管件 12的軸向中心的水平向及直立向移動（圖3中的步驟110) 201022623 在本發明的較佳實施例中，管件1 2的軸向中心的 向及直立向移動是在管件的座標系統中以直角座 rectangular coordinate)表示，其中座標（λ：〆，}") 第一次測得的軸向中心的第一位置，而（) 在第一次之後的第二次測得的第二位置。在另一實施 ，管件12的軸向中心的移動可以用球（spherical)或 . (cylindrical )座標表示。 在一個實施例中，測量設備10的座標系統（〜， 中的及3^2的値是由電腦處理器26根據以下方程式 水平 標（ 指示 指示 例中 柱面 yA ) 計算 ΧΛ2

V(^2~^l)2 +51 2 \ / (1)

(2) 其中心/JV/r爲當管件12的軸向中心處於第一位置（ )時由距離感測器14b所測得的距離。方程式（1 ) 2 )係應用在射束18a及18b相對於水平的傾斜角度β (5 爲零度的情況。在此情況中，管件12的座標系統（X )與測量設備10的座標系統—致（見圖1) 在傾斜角度P不爲零的情況中，座標轉換根據以 程式被實施： 5 y>A 1 i ( 2 i 1 ) 丨，yp ο 下方 201022623

Xpi = XM COS β - ^ΑΙ sin β, (3) ypi » xAi sin β + ^αι cos β, (4) χη * *Α2 cos β - ^Α2 sin β, and (5) 州》χα2 sin β + >»α2 cos β. (6) 由電腦處理器26所實施的計算結果爲管件位置座標相 對於時間的列表（tabulation )。在本發明的較佳實施例 中，此資料在直角座標中被繪製而產生顯示管件在某一時 間週期內的移動的圖（圖3中的步驟112)。這些圖可被列 印或被顯示在顯示裝置32上。此資料也可被用來判定管件 12的振動模式及頻率。 在另一實施例中，設備10包含在安裝在支撐結構16上 的感測器與資料收集系統44之間的無線連接。如圖2所示 ，無線的實施例包含可附著於支撐結構16或三角架36 (圖 1)的資料擷取界面48。資料擷取界面48接收及處理來自 距離感測器14a及14b (以及附著於支撐結構16的任何其他 感測器及致動器）的類比電訊號，將類比訊號轉換成爲數 位訊號，並且將數位訊號提供至也附著於支撐結構16或三 角架36的無線收發器（wireless transceiver) 50。無線收 發器50將數位感測器訊號傳輸至連接於電腦處理器26的無 線收發器46，而訊號於電腦處理器26之處被如上所述地處 理。 於此處敘述本發明的各種不同實施例，是以管件成爲 被測量的結構的例子。但是，熟習此項技術者會瞭解此處 所述的設備及方法可應用來測量各種不同的其他具有曲線 -12- 201022623 狀表面的結構的位移，例如各種不同的工業機器中所用的 輪軸、軸件、或桿件。因此，此處所述及所主張的本發明 的各種不同的實施例並不限於測量管件的移動。並且，雖 然此處的例示性實施例測量圓柱形表面的移動，但是本發 明也可應用於具有其他曲率的表面，例如錐形或橢圓形。 在某些應用中，兩個或多於兩個的圖1所示的設備可 被設定來監視在同一管件上的不同點處的位移。然後，來 〇 自雨個系統的測量結果可被互相比較，以判定沿著管件長 度的管件的振動的變化。 如圖4A至4C所示，設備10可形成爲手持式的組態。圖 4 A顯示第一手持式實施例的前視圖，而圖4B顯示第一手持 式實施例的後視圖。在此實施例中，雷射距離感測器1 4a 及14b被容納在具有***狀握把52的可攜帶的殼體56內。 觸發按鈕54被設置在握把52的前表面上，用來啓動設備10 以開始擷取資料。較佳地，雷射距離感測器14a與雷射距 ® 離感測器14b之間的間隔可被調整，並且可從設置在殻體 56的前表面上的刻度40被讀取。觀察瞄準儀3 8被設置用來 使雷射射束與被測量的結構對準。手持式設備10包含用來 顯示測量結果及供使用者用的指令及提示的顯示裝置32。 手持式設備10的另一實施例顯示在圖4C中。在此實施 例中，雷射距離感測器14a及14b相對於握把52被設置成爲 朝上。此實施例對於測量高架管件及其他結構的位移特別 有用。此實施例的觀察瞄準儀3 8包含適當的光學組件，以 用來將瞄準儀的光學軸線以90度彎曲以向上觀看。 -13- 201022623 在手持式設備10的一些較佳實施例中，圖2的電腦處 理器26被整合至設備10內，並且被設置在殼體56內。在其 他實施例中，手持式設備10包含無線收發器50或線束30 ( 圖2)，以用來將測量資料傳遞至在遠距離位置處的電腦 處理器26。

熟習此項技術者會瞭解圖4A至4C的手持式設備係用與 以上所述的圖1的三角架安裝式可攜帶設備實質上相同的 方式收集及處理位移資料。 G 以上的本發明的較佳實施例的敘述已被呈現用來舉例 說明及描述。這些實施例並非意欲爲徹底而毫無遺漏的性 質或是要將本發明限制於所揭示的精確形式>鑑於以上的 教示可有明顯的修正及改變。實施例係被選擇及敘述來提 供本發明的原理的最佳舉例說明及其實務上的應用，以因 而使熟習此項技術者可用各種不同的實施例及適合於所應 用的特定用途的各種不同修改來利用本發明。所有的此種 修正及改變係在由附隨的申請專利範圍根據其公平地、合 ❹ 法地、及公正地應得的廣度被解讀時所決定的本發明的範 圍內。 【圖式簡單說明】 圖1顯示用來遠距離地測量曲線狀表面的位移的設備 的實體組態。 圖2顯示用來遠距離地測量曲線狀表面的位移的設備 的電方塊圖。 -14 - 201022623 M3顯#用來遠距離地測量曲線狀表面的位移的方法 的流程圖。 H4A' 4B'及4C顯示用來遠距離地測量曲線狀表面 的位移的設備的手持式組態。 【主要元件符號說明】 1 〇 :測量設備 φ 1 2 :軸件或管件 14a :雷射距離感測器 14b :雷射距離感測器 1 6 :支撐結構 18a :雷射射束 18b :雷射射束 20 :樞軸機構 22 :測斜儀 ® 24 :氣泡水平儀 26 :電腦處理器 28 :資料擷取卡 3〇 :線束 3 2 ·顯不裝置 34 :線性距離感測器 36 :三角架 3 8 :觀察瞄準儀 40 :刻度 -15- 201022623 42 :線性致動器 44 :資料收集系統 46 :無線收發器 48 :資料擷取界面 5 〇 :無線收發器 52 :握把 54 :觸發按鈕 56 :殼體 @ 1 0 0 :步驟 1 02 :步驟 1 04 :步驟 1 06 :步驟 1 0 8 :步驟 1 10 :步驟 1 12 :步驟 t :距離 ® 心：距離 :半徑 S :間隔 夕：傾斜角度 (Xp/，_yp;):第一位置 (4 2, :第二位置 -16- 201022623 七、申請專利範固： 1. 一種測量具有曲線狀表面的結構的位移的設備，包 含： 支撐結構，其具有相反的第一端部及第二端部； 第一雷射距離測量裝置，其鄰近於該支撐結構的該第 一端部而被設置，該第一雷射距離測量裝置係用來產生照 射該結構的該曲線狀表面的第一雷射射束，用來偵測從該 〇 結構的該曲線狀表面反射的雷射能量，及用來根據所測得 的該雷射能量產生第一距離訊號； 第二雷射距離測量裝置，其鄰近於該支撐結構的該第 二端部而被設置，該第二雷射距離測量裝置係用來產生照 射該結構的該曲線狀表面的第二雷射射束，用來偵測從該 結構的該曲線狀表面反射的雷射能量，及用來根據所測得 的該雷射能量產生第二距離訊號；及 電腦處理器，其係用來根據該第一及第二距離訊號、 ® 該第一雷射射束與該第二雷射射束之間的間隔、及該曲線 狀表面的曲率半徑計算指示該結構的位移的位置値。 2 .如申請專利範圍第1項所述的測量具有曲線狀表面 的結構的位移的設備，另外包含設置在該支撐結構上的測 量裝置，用來測量該第一雷射射束與該第二雷射射束之間 的該間隔。 3.如申請專利範圍第1項所述的測量具有曲線狀表面 的結構的位移的設備，另外包含設置在該支撐結構上的測 斜儀，用來測量該第一及第二雷射射束的傾斜角度。 -17-

Claims (1)

1. 201022623 4. 如申請專利範圍第1項所述的測量具有曲線狀表面 的結構的位移的設備，另外包含穩定底座，而該支撐結構 可樞轉地附著於該穩定底座，因而提供該支撐結構及該第 一及第二雷射射束相對於具有該曲線狀表面的該結構的傾 斜。 5. 如申請專利範圍第1項所述的測量具有曲線狀表面 的結構的位移的設備，其中該曲線狀表面包含圓柱形表面 ，且其中該電腦處理器根據以下方程式計算該位置値：

   其中；c爲具有該圓柱形表面的該結構的X位置，爲具有該 圓柱形表面的該結構的y位置，s爲該第一雷射射束與該第 二雷射射束之間的該間隔，心爲由該第一距離訊號所指示 的距離，心爲由該第二距離訊號所指示的距離，心/〃/r爲當 該圓柱形表面處於初始位置時由該第二距離訊號所指示的 初始距離，而Α爲該圓柱形表面的該曲率半徑。 6. 如申請專利範圍第1項所述的測量具有曲線狀表面 的結構的位移的設備，其中該支撐結構及該第一及第二雷 射距離測量裝置被設置在可攜帶的手持殼體內。 7. —種測量具有曲線狀表面的結構的位移的設備，包 含： -18- 201022623 支撐結構，其具有相反的第一端部及第二端部； 第一雷射距離測量裝置’其鄰近於該支撐結構的該第 一端部而被設置’該第一雷射距離測量裝置係用來產生照 射該結構的該曲線狀表面的第一雷射射束’用來偵測從該 結構的該曲線狀表面反射的雷射能量’及用來根據所測得 的該雷射能量產生第一距離訊號； 第二雷射距離測量裝置，其鄰近於該支撐結構的該第 φ 二端部而被設置，該第二雷射距離測量裝置係用來產生照 射該結構的該曲線狀表面的第二雷射射束’用來偵測從該 結構的該曲線狀表面反射的雷射能量，及用來根據所測得 的該雷射能量產生第二距離訊號； 測量裝置，其被設置在該支撐結構上，用來測量該第 一雷射射束與該第二雷射射束之間的間隔； 穩定底座，而該支撐結構可樞轉地附著於該穩定底座 ，以容許該支撐結構及該第一及第二雷射射束相對於具有 ® 該曲線狀表面的該結構傾斜； 測斜儀，其被設置在該支撐結構上，用來測量該第一 及第二雷射射束的傾斜角度；及 電腦處理器，其係用來根據該第一及第二距離訊號、 該第一雷射射束與該第二雷射射束之間的該間隔、該曲線 狀表面的曲率半徑、及該第一及第二雷射射束的該傾斜角 度計算指示該結構的位移的位置値。 8.如申請專利範圍第7項所述的測量具有曲線狀表面 的結構的位移的設備’其中該支撐結構、該第一及第二雷 -19- 201022623 射距離測量裝置、用來測量該第一雷射射束與該第二雷射 射束之間的該間隔的該測量裝置、及該測斜儀被設置在可 攜帶的手持殼體內。 9. 一種測量具有曲線狀表面的結構的位移的方法，包 含以下步驟： (a) 產生照射該結構的該曲線狀表面的第一及第二 雷射射束，該第一及第二雷射射束實質上互相平行； (b) 偵測從該結構的該曲線狀表面反射的雷射能量 @ > (c) 根據所測得的該雷射能量產生第一距離訊號， 其中該第一距離訊號指示至該曲線狀表面的第一部份的第 一距離； (d )根據所測得的該雷射能量產生第二距離訊號， 其中該第二距離訊號指示至該曲線狀表面的第二部份的第 二距離； (e )判定該第一雷射射束與該第二雷射射束之間的 © 間隔； (f) 根據該第一及第二距離訊號、該第一雷射射束 與該第二雷射射束之間的該間隔、及該曲線狀表面的曲率 半徑計算指示該結構的移動的特性的資料値；及 (g) 將該資料値顯示在顯示裝置上，以提供關於該 結構的移動的資訊。 10·如申請專利範圍第9項所述的測量具有曲線狀表面 的結構的位移的方法，另外包含測量該第一及第二雷射射 -20- 201022623 束的傾斜角度，且其中步驟包含根據該第一及第二 距離訊號、該第一雷射射束與該第二雷射射束之間的該間 隔、該曲線狀表面的該曲率半徑、及該第一及第二雷射射 束的該傾斜角度計算指示該結構的移動的特性的資料値。 11.如申請專利範圍第10項所述的測量具有曲線狀表 面的結構的位移的方法，其中該曲線狀表面包含圓柱形表 面，且步驟（f)的計算是根據以下方程式實施：

   ^ ~ ~ ) +d^~ dvm * 其中X爲具有該圓柱形表面的該結構的X位置，y爲具有該 圓柱形表面的該結構的y位置，爲該第一雷射射束與該第 二雷射射束之間的該間隔，幻爲該第一距離，心爲該第二 距離，心M/Γ爲當該圓柱形表面處於初始位置時該第二距 離的初始値，而Λ爲該圓柱形表面的該曲率半徑。 12. 如申請專利範圍第9項所述的測量具有曲線狀表面 的結構的位移的方法，另外包含實施該資料値歷經時間的 比較性分析的步驟，以使該結構的移動與該結構中的疲勞 及應力相關連。 13. —種測量具有曲線狀表面的結構的位移的設備， 包含： 第一及第二雷射射束產生機構，用以產生照射該結構 -21 - 201022623 的該曲線狀表面的第一及第二雷射射束，該第一及第二雷 射射束實質上互相平行； 雷射能量偵測機構，用以偵測從該結構的該曲線狀表 面反射的雷射能量； 第一距離訊號產生機構，用以根據所測得的該雷射能 量產生第一距離訊號，其中該第一距離訊號指示至該曲線 狀表面的第一部份的第一距離； 第二距離訊號產生機構，用以根據所測得的該雷射能 ❹ 量產生第二距離訊號，其中該第二距離訊號指示至該曲線 狀表面的第二部份的第二距離； 間隔判定機構，用以判定該第一雷射射束與該第二雷 射射束之間的間隔； 資料値計算機構，用以根據該第一及第二距離訊號、 該第一雷射射束與該第二雷射射束之間的該間隔、及該曲 線狀表面的曲率半徑計算指示該結構的移動的特性的資料 値；及 ® 資料値顯示機構，用以顯示該資料値，以提供關於該 結構的移動的資訊。 -22-