[发明专利]热物体尺寸的在线光学测量方法

说明书

本发明涉及一种通过控制待测件周围温度场的分布以提高其测量精度的在线光学测量方法。它可用于测量热轧金属材料断面的外形尺寸，如圆材和管材的外径、方材的边长、长方形材的长边长度和短边长度、六角形材和多边形材的对边长度和对角线长度等;还可用于其它热物体尺寸的在线测量。

现有的在线光学测量方法为平行光投影测量法（见图1）。光源1发出的光，通过准直镜2，形成一组平行光向右照射，经热物体3、物镜4、光栏5和光学滤波器6，投射至象面7上，因热物体3挡光而在物面3′上形成的阴影，经物镜4在象面7上成象，可采用光电耦合器件测出象的大小，经过换算即可得出热物体3的直径尺寸。其不足之处是：测量精度低。这是因为，光线的传播特性与介质有关，以空气为介质时，当空气的温度均匀（密度也均匀）时，光线的传播轨迹是直线（见图1b、1c的虚线8），而当空气温度不均匀时，一般来说光线的传播轨迹不是直线。当光线在热物体周围的空间传播时，由于热物体周围沿辐射方向上各点的温度不同，因而空气密度也不同，也就是在热物体周围存在着一个非均匀的折射率场，在此场中传播的光线会产生偏折，所以光线在热物体周围的传播轨迹为曲线（见图1b、1c的曲线9），这时因热物体挡光而在物面3′上形成的阴影尺寸不等于热物体的外径，故按象面7上所测得的象的大小，经换算得出的尺寸。并不等于热物体3的外径尺寸，从而产生出较大的测量误差。另外，上述光偏折的大小是由热物体的直径、表面温度、运动速度以及物面3′至热物体的距离等因素所决定的。

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种通过控制待测件周围温度场的分布以提高其测量精度的在线光学测量方法，它能减小甚至消除因光线偏折引起的测量误差。

本发明的目的可以通过以下措施来达到，通过主动控制待测热物体周围温度场的分布，使通过这种温度场的光线不致产生光线偏折或偏折可以忽略，因而用现有的平行光投影法或其它常规方法，即可获得足够高的测量精度。主动控制温度场的方法在待测热物体周围设置一个加热套筒，使热物体与热套筒之间的温度场趋于均匀分布甚至达到完全均匀分布。应用这种方法在线测量热物体的外径尺寸见图2，由光源、准直镜、加热套筒、物镜、光栏和光学滤波器组成。当需要对热物体的外径进行在线测量时，光源的光线通过准直镜，形成一组平行光线向下照射，经过热套筒、热物体、物镜、光栏和光学滤波器，因热物体挡光而在物面上形成的阴影在象面上成象。由于热套筒与热物体之间的温度场趋于均匀甚至达到完全均匀，测量光线在套筒内经过热物体前和经过热物体后的光线偏折极小甚至不产生偏折，所以因热物体挡光而在物面上形成的阴影尺寸，与热物体的外径近似甚至完全相等，这个阴影经过物镜在象面上成象，可采用光电耦合器件测出象的尺寸，经过换算即可得出热物体的外径尺寸。

根据测量精度的要求，也可以事先不给套筒加热，而由通过其间的热物体来提高套筒的温度，以达到套筒与热物体之间的温度场基本趋于均匀分布。

套筒的结构形式最好是内圆外方，这是因为，方形套筒外的折射率梯度（由温度梯度引起）方向与测量光线的传播方向是相同的或相反的，光线在这种折射率场中的传播，是沿着或者逆着折射率梯度方向的，是不会产生偏折的，即仍是直线传播（见图3a）。当然，为了选材或加工的方便，也可以选用其它的结构形式，即套筒外形是方的、圆的和多角形的，套筒内腔可以是圆的、方的和多角形的。外圆的套筒，其外面的折射率梯度方向与测量光线的传播方向不完全是相同的或相反的，所以套筒外的光线会产生一些偏折而造成测量误差，外圆套筒外面光线的偏折见图3b。为了减小光线在筒外的偏折，应设法降低套筒外壁的温度。

为了提高保温效果，可以在套筒外面附加保温层，使套筒始终处于高温状态，以达到套筒与热物体之间的温度场趋于更加均匀。

套筒材料最好选用导热系数小及外表面发射率小的材料，如陶瓷。

本发明相比现有的平行光投影测量方法，它可以减小甚至消除测量光线经过热物体区域前后因光偏折引起的测量误差。另外，决定光偏折大小的因素（热物体表面温度、运动速度以及物面3′至热物体的距离）也得到消除，热物体的直径因素可以通过制作不同大小的套筒来适应不同大小的热物体以得到消除。

附图的图面说明如下：

图1a为现有的平行光投影法测量物体尺寸的示意图。

图1b为光线经过热物体前后光偏折的放大示意图。

图1c为光线经过热物体引起测量误差的放大示意图。

图2为本发明用于测量热轧圆钢的示意图。

图3a为方套筒外面光线传播不产生偏折的示意图。