管子和管道是广泛使用的产品，可用各种工艺进行制造。它们可 用弯曲一平板并焊接的方法做成有缝的，也可做成无缝的。使用回转 冲孔技术来制造特殊应用的钢管，如石油钻探用的钢管，就属于无缝 的生产工艺之列，在这种回转冲孔过程中，一心轴被强行冲压进一热 的圆形坯料中，由两滚轮推动这圆形坯料旋转。这种方法还可用来制 造后来被切割和加工成各式各样的机械部件如滚珠轴承的轴承套的管 子(机械管子)。在初始冲孔之后，就将该管滚轧到它的最后直径和壁 厚，在操作过程中该管子通常都是处于转动和平移运动中。一般都要 求具有很确定规格的直径和壁厚，特别是在机械管子的情形更是这样。 显然希望在刚刚加工之后就能进行这种尺寸的在线控制，这就意味着 要在管子处于高温和运动状态的阶段就进行这种尺寸的控制。传统的 方法是将管子从生产线上撤下，迅速分段冷却以便用传统的厚度计测 量它的尺寸，这种方法费时，而且不能提供关于整个生产管子的实时 信息。为了进行外径的测量，已经开发出了一些光学量具，尤其是利 用扫描激光光束的量具，这些具量在市场上都能买到。为了测量厚度， 至少在原则上可使用穿透性射线，如γ-射线，和超声。已开发出一些 基于γ-射线的系统，它们利用几个γ源和围绕管子的检测器并通过断 层成像重建算法提供该管子的厚度的测绘。这种系统特别可从IMS Measuring Systems Inc.，108 Blue Ridge Drive，Cranberry Twp.， PA 16066，USA得到。在这种情形，该测试的管子应处于直线运动而没 有转动的状态上。由于某种原因这些系统对于该管子在测量量具中的 精确位置是很敏感的，而且这些量具还不易移动。另一缺点是放射材 料的使用。厚度的超声测量就没有这些局限，而且它是以测量在该管 壁内反射回来的超声波产生的回波之间的飞行时间(time-of-flight) 为基础的。当从校正数据获知该超声的速度时(这速度是材料本身和 材料温度的函数，在原则上该温度可用高温计测量)，即可测定该管壁 的厚度。
超声学一般使用压电传感器来产生和检测超声，但在产品很热时 (典型地是1000℃)就不能使用这些传感器件。产生和检测超声都要 求非接触地进行。虽然为这种用途已研发出一些电磁传感器(所谓 EMAT)，但它们都要求很靠近该测试部分和管子的制导装置(tube guidance)，由于这些原因在实际上并未使用它们。一实用的超声耦合 方案是通过激光来产生和检测超声(激光-超声)的方法提供的。使用 两个激光器，一个用于产生超声，它发出一短而强的脉冲，而另一用 于超声的检测，它是很稳定的和具有一充分长的脉冲，长到足以捕捉 好几个超声回波。超声的产生是由产生超声的激光所产生的瞬间表面 加热和材料烧蚀(material ablation)而引起。由该检测激光来进行 超声的检测，当与一光学干涉仪连接时，该激光就可检测出由材料内 反射回来的超声波所产生的很小的表面运动。可具体应用于管壁厚度 测量的检测原理已介绍于由申请者及其同事们所提出的各个美国专利 中，这些专利是：J.P.Monchalin，“Optical Interfermetric Reception of Ultrasonic Energy”，U.S.Patent No.4,659,224， 出版于April 21，1987；R.Héon和J.P.Monchalin，“Broadband optical detection of a surface motion of an object using a stabilized interferometric cavity”，U.S.Patent No.5,137,361, 出版于Aug.11，1992；J.P.Monchalin，“Broadband optical detection of transient motion from a scattering surface”，U.S. Patent No.4,966,459，出版于Oct.30，1990；J.P.Monchalin and R.K.Ing，“Broadband Optical Detection of Transient Motion from a Scattering Surface”，U.S.Patent No.5,131,748出版于July 21，1992。利用激光-超声来进行管子壁厚的在线测量的可行性已由申 请者及其合作者们在制管厂中所演示并介绍在下述论文中：J.P. Monchalin，“Progress Towards the Application of Laser- ultrasonics in Industry”，Review of Progress in Quantitative NDS. eds D.O.Thompson和D.E.Chimenti，Vol.12A，pp.495-506，Plenum Press，1993；J.P.Monchalin，B.Blouin，D.Drolet，P.Bouchard， R.Héon，C.Paduoleau，“Wall Thickness Measurement of Tubes an Eccentricity Determination by Laser-Ultrasonics”，39th Mechanical Working & Steel Processing Conference，Iron & Steel Society，Indianapolis，IN，Oct.19-22，1997，Iron & Steel Society， Warrendale，PA，XXXV，pp.927-931。在这演示中，该管子是作直线 运动而并不转动，所以该测量只是沿一直线进行的。该产生点和检测 点还是重叠的，如后面看到的那样，这样的后果是在该检测信号上会 产生额外的噪音。
在工业上要求的不只沿管子表面的单一直线的测量。它要求测绘 出整个的管子表面的厚度的分布，这对于测定管子的偏心率来说，是 特别需要的。用于这种目的的一种显而易见的解决方法就是利用几个 激光-超声系统，就象M.Paul，A.Hoffman，G.J.Deppe和L.Oesterlein 等人于1998年5月26-29在Copenhagen的the 7th European Conference on Nondestructive Testing上发表的题为“Laser Ultrasonics in Industry”的通讯中所描述的那样。由于管子的横 截面通常不由两偏移的圆所界定，但却具有较完整的外形，因而合适 的图形测绘要求围绕其周边有足够数目的测量位置，例如，可使用10 个测量位置。因而，就需要10个系统，从而导致巨大的复杂性和过高 的成本。本发明提供了这一问题的一个实用的解决方案，它不需要使 用多个的激光-超声系统。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种在生产过程中测绘该管子壁厚的改 进方法和设备。
本发明的该实施例的另一目的是提供一种用来测绘在两个方向上 进行运动的管子或其它物体壁厚的设备，这种设备包括：
第一激光装置，用来在该管子表面上的一特定点上产生在管壁内 传播的超声；
第二激光装置，它与一干涉仪装置耦连，用来检测在该表面的检 测点上所产生的超声回波；
处理装置，其其工作于记录的超声回波，并利用超声速度的给定 值和产生点和检测点之间的距离来测定该产生点和检测点之间中点处 的壁厚；
光学的位移测量装置，用来测定该管子在该产生点和任意起始点 之间的两个维度上的位移；
显示装置，用来显示该管子表面各处的壁厚值。
本发明的一个实施例的再一目的是提供一种用来测绘在两个方向 上进行运动的管子或其它物体的壁厚的方法，该方法包括下述步骤：
将第一激光光束导向管子表面上的一特定的产生点上，以便产生 在该管壁内传播的超声；
将第二激光光束导向该管子表面上的一超声检测点上；
接收来自检测点的光并在一干涉仪中进行解调，以便提供一代表 超声回波特征的信号；
处理该信号，利用超声速度的一给定值和产生点和检测点之间的 距离来测定该产生点和检测点之间中点处的壁厚；
用光测量该产生点和任意起始点之间两个维度上管子的位移；
显示出该管子表面各处的壁厚值。
在这样描述本发明时，将不引用用来图示优选实施例的附图。
附图简介
图1是按照本发明的一个实施例的设备的一般示意图；
图2是该设备的第一实施例的示意图，它包含该激光-超声子系统 的细节描述；
图3是该设备的第二实施例的示意图，它包含该激光-超声子系统 的细节描述；
图4是基于激光多普勒速度测量学的测速计子系统的第一实施例 的示意图；
图5是基于激光的飞行时间速度测量学的测速计子系统的第二实 施例的详细图示；
图6是该设备的第三实施例的示意图，其中该激光-超声子系统和 该位移或速度测量子系统是组合在一起的；
图7是一表示在图6所示实施例中用于超声检测和速度测定的各 光束是怎样衍生出来的示意图；
图8是该位移测量子系统的第三实施例的图示。
在图中相同的元件赋予相同标号。
优选实施例详述
本发明首先是基于利用与测量该管子位移的光学系统耦连的单一 激光-超声系统来测量特定位置的壁厚。由于该管子既有旋转又有平移 (类似于螺旋运动)，因而这光学系统必须测量两个方向的位移。本发 明的一个一般实施例示于图1中，它包括一用来测量特定位置的壁厚 的激光-超声子系统10和一用来跟踪管子从一个厚度(管子一般用14 标示)测量位置到下一个的运动的位移测量子系统。如图1所示，由 于该管是一刚体，因而该位移的测量位置可选择在与厚度测量位置不 同的地方。图1还画出了一用来测量在该厚度测定位置处的管子温度 的光学高温计。
该设备的第一个优选实施例表示在图2中。图2详细地示出了该 激光-超声子系统，以及由两个激光测速计组成的位移测量子系统。这 些测速计被详细描述于图4和图5中(在下面讨论)，每一个都代表一 独立的实施例。如图2所示，从产生激光器22发出的产生光束(未画 出)首先被一大芯的多模光纤F1传送。该光束然后被一透镜L1大致 准直并被一分束镜BS反射。再由Cassegrain型镜面反射光学系统在 该管子表面聚焦成一光点24，典型的光班点具有几个毫米的直径，该 Gassegrain型镜面反射光学系统由一小的凸面镜M2和一大的凹面镜M1 组成。从检测激光器26发出的检测光束也由一大芯的多模光纤F2传 送，并被透镜L2聚焦，再经Cassegrain光学系统前的一小镜M3反射 后就聚焦在该管子14上的一点26’上，该点与产生超声的点22’是 不同的。然后由Cassegrain光学系统将从这检测点散射的光汇集起来， 通过分束镜BS，最后由透镜L3聚焦在一大芯光纤F3上，该光纤又将 该光传送到光学解调器26。该光学解调器26将由在检测点上该超声运 动产生的相位或频率的调制转变成强度调制，强度调制本身又被一光 学检测器(未画出，放置在解调器的盒子内)转变成一代表该超声运 动特征的电信号。该解调器28是以上述那些美国专利所介绍的方案之 一为基础的，也就是，它利用了透射或反射式共焦Fabry-Perot系统， 或用于两波混频配置的光折射晶体。利用一具有两个电极的晶体和利 用由移动干涉条纹图引起光生电动势的原理也是可行的，这已由I.A. Sokolov，S.I.Stepanove和G.S.Trofimox等人在the Journal Opt.Soc.Am B/Vol.9，No.1/January 1992，pp.173-176中作了描 述。然后由一计算机32对从解调器来的信号进行处理，以推导出该厚 度值。处理涉及数字取样，接着是进行两个顺序的超声回波之间的互 相关，以确定这些回波之间的飞行时间。当该管子14太厚，以致基本 上看见一个回波时，则就要在这回波与一参考回波之间进行互相关， 后者总是对于较小厚度进行观测，而且是用由同样材料制备的一较薄 的校准样本来获得的。应指出的是，用于检测的照明光束和汇集光束 具有同一个轴，它与Cassegrain光学系统的光轴是相同的，而产生光 束却具有一不同的轴，而且使产生斑点与检测班点偏移一给定的距离 δ。这个特点并不寻常，而是该设备的一创新特点。已发现这个装置 可使得由产生激光引起的材料烧蚀所产生的额外检测噪音减小到最 小，因而使灵敏度得到改善。它还有一优点是允许产生和检测超声的 激光都以相同波长运作。在光班点重叠时以相同波长运作通常是不可 能的，这是因为在这种情形下，由检测器采集的产生激光的光是十分 强的，足以造成它的损坏。两个顺序回波之间的传播距离与壁厚d的 两倍是稍有不同的，传播距离等于d2+(δ/2)2的平方根的两倍。从飞 行时间、δ值、和在由高温计16测定的温度上的超声速度值，计算机 就可算出该厚度d。精确地说，这是产生点和检测点之间中点处的厚度， 但在实际上厚度的变化是缓慢的，而且该偏移量δ是很小的，因而在 产生点、检测点和它们的中点的厚度都大致是相同的。该计算机32从 速度-温度校正数据查找到相应的超声速度值，该数据是以前离线时获 得并存储在计算机的存储器中的。例如，运校正数据可由测量一些由 相同材料制作并已知厚度的样本的回波之间的飞行时间来获得，这时 的温度是由一高温计16或一热电偶监测的。利用由测速计18和20提 供的位置的测量信息，计算机就可画出该管子表面的厚度分布图，并 由显示系统34显示出来。从这厚度分布图，就可计算出沿该管子的偏 心率，而且也可由该显示系统显示出来。在图2所示实施例中，还应 注意，所有的光束都是由光纤耦合的，其优点是允许两激光器22和26 的远距离设置，远离该加热的管(hot tube)(未画出)和接头或延长 的机器(未画出)。显然，光束不是由光纤耦合的配置也是可使用的， 而且还可使用不同种类的集光系统，特别是还可使用全部使用折射光 学元件的集光系统。用来测量在厚度测量位置处的表面温度的高温计 也可用光纤耦合，因而放置在远处。
该激光-超声子系统的第二实施例被示于图3之中。在这实施例中， 产生点和检测点也是分离的，所有的激光光束都是由光纤耦合的，而 且使用了相同的反射镜面光学系统。如图3所示，该检测激光光束在 通过偏振分束镜后被透镜L1聚焦在一大芯的多模光纤F1上。该产生 超声的激光光束也用一大芯多模光纤F2传送。该两光纤的端部并排大 致设置在透镜L2的焦平面中。然后被由反射镜M1和M2组成的 Cassegrain系统将近乎准直的两光束投射到该管子上形成两不同的光 斑点。这两光斑点错开一固定距离，这光斑点错开的距离由两光纤的 错开距离和由反射镜M1、M2及透镜L2组成的系统的放大倍数确定。 然后由M1、M2及透镜L2将来自该检测光斑点的散射光汇集起来，并 由光纤F1传送到透镜L1和偏振分束镜，这偏振分束镜再将该光反射 到解调器28。利用偏振分束镜36将由高功率的检测激光器26发出的 将由解调器28接收的任何杂散光减小到最小。该检测激光26是沿该 偏振分束镜36的透过偏光的方向偏振的，因而由透镜L1表面和光纤 前端表面的任何反射光都不会被该解调器28接收。杂散光的进一步抑 制是由涂敷在该光纤F1和透镜L2的另一端的抗反射涂层实现。如前 面解释的那样，完成解调器信号的处理、厚度分布图和偏心率的测定、 以及信息的显示。与前述实施例一样，这实施例也使用了一高温计16 和测速计18、20。
关于位移测量子系统，可由两个激光多普勒测速计组成。激光多 普勒测速计是通过使同一激光器衍生出来的两光束在该物体表面相交 以产生一干涉条纹图案的方法来测量运动物体的横向速度。该散射光 然后被一光学检测器采集，该散射光具有频率为f的一调制分量，其 频率是与相交光束之间的夹角2θ、光波长λ和与条纹垂直方向X(也 就是在两光束构成的平面内的方向)的表面速度Vx有关：f＝2Vxsinθ/ λ；当θ和λ是已知时，则f的测量就可给出Vx。关于激光多普勒测 速计的参考文献可在L.E.Drain的书“The Laser Doppler Technique” (J.Wiley & Sons，1980)和下述两篇科学通信中找到：一为“Laser doppler velocimetry：Analytical Solution to the Optical System Including the Effects of Partial Coherence of the Target”，由H. T.Yura，S.G.Hanson和L.Lading发表在Journal of Optical Society A，Vol.12，No.9，Semptember 1995，pp.2040-2047上；另 一篇为“Laser velocimeters：Lower Limits to Uncertainty”，由L. Lading和R.V.Edwards发表在Applied Optics，Vol.32，No.2，July 1993，pp3855-3866上。假定速度测量次数进行得足够多时，则该位移 就可由数值积分推算出来。一个测速计测量X方向的速度，而另一测 速计则用来测量垂直的Y方向的速度。从这两个分量就可确定该速度 矢量，并进而测定该位移矢量。应指出，并不需要一个这些方向与该 管子的平移方向一致。这两测速计任一的优选实施例被详细的示于图4 中，它们是该位移子系统的一部分。在图4中，该测速计中所用的激 光40被分束镜BS分成两个强度相等的光束，这些光束被透镜L1和L2 聚焦进入两条单模偏振的保持光纤SMF1和SMF2中。这些光纤传送的 光被透镜L3和L4准直并由一大透镜L5将这两光束投射到管子14上。 这两光束在管子表面相交，产生一希望的干涉条纹图案。上面提及的 频率调制的散射光被透镜L5和L6汇集，聚焦在一大芯多模光纤LCMMF 上。这光纤将该光传送到一检测器42，它产生一电信号，该信号具有 频率为f的分量。然后对这信号进行处理，以测定在与干涉条纹垂直 方向上的速度。将会认识到，通过进一步将该光束分裂成两条光束的 方法，两个测速计只用一个激光器就可以了。另外，由于该检测激光 通常是通过将来自一低功率的连续激光器的光束在一脉冲放大器中放 大的方法产生，所以这种低功率的连续激光器还可用作该测速计的一 激光光源。多普勒测速也可不用光纤耦合来实现。在这种不用光纤耦 合情形中，有几种系统都是可从市场上买到的，其中特别包括：George Kelk Corporation公司生产的Accuspeed laser velocimeter，该公 司地址为48 Lesmill Road，Don Mills，Ontario，M3B 2T5，Canada； 和TSI Inc公司生产的LaserSpeed velocimeter，公司地址为500 Cardigan Road，St.Paul，MN 55164，USA。但是，人们将宁愿采用 光纤耦合，以便将激光器和电子设备安置在尽量远离该管子加工线的 地方。
另外，不利用激光多普勒测速计，而可利用激光飞行时间测速计 代替。在这些系统中将同一激光器发出的光投射到该物体表面分开距 离为d的两个点上，而每个点的散射光都由一检测器采集。在时间T 后，将来自两检测器的信号相互关联起来。通过上述两点的直线方向X 上的速度Vx可由比率d/T给出。关于激光飞行时间测速的参考文献可 在上述的L.Lading和R.V.Edwards的著述和由H.T.Yura，S.G. HansonD的论文：“Laser-Time-Of-Flight Velocimetry：Analytical Solution to the Optical System Based on ABCD Matrices”，the Journal of Optical Society A，Vol.10，No.9，Semptember 1993， pp.1918-1924中找到。如前一样，该位移可由积分得出。该两个飞行 时间测速计任何之一的优选实施例被示于图5中，它们是该位移子系 统的一部分。如图5所示，用于该测速计中的激光被分束镜BS1分裂 成强度相等的两光束，这两光束被透镜L1和L2聚焦进入两单模光纤 SMF1和SMF2中。来自两光纤的光通过分束镜BS2，并通过由透镜L3 和L4组成的远心光学系统将两光纤的端部成像在管子的表面上。该表 面上的这两不同点被分开一很确定的距离，该分开的距离由该分束镜 之前的光纤间隔和该远心光学系统的放大倍率决定。然后这两光斑点 的散射光被同一光学系统汇集，并由分束镜BS2反射进两大芯的多模 光纤，由这两光纤将光传送到两检测器42、42’中。然后将检测器42、 42’产生的信号传送到一测定相关时间的相关器(未画出)中，从该 相关时间就可确定通过该表面的上述两光斑点的方向上的速度。在对 两个信号进行数字取样后，就可完成数值上的相关。
按照本发明设备的第三个实施例被示于图6中。这个实施例并不 使用独特的一些测速计，该装置是这样的，它使得该被采集的光信号 既携带有该超声的信号又携带有该速度的信号，然后将这两信号分开 以便进行适当处理。除了用于检测的照明外，该光学配置是与图2所 示的第一实施例完全相同的。如图6所示，在经光纤F2传送之后该检 测光束被透镜L2准直，然后分裂成4条光束，两条在一平面内而另两 条则是在一垂直平面内。为了清楚起见，在图6的图中只画出了由分 束镜BS2分裂成的两条光束。这两条光束由分束镜BS2和反射镜M3反 射并由透镜L4和L5聚焦到管上的同一位置，这两光束就在这位置上 产生干涉条纹。整个配置以透视图的方式示于图7中(没有聚焦透镜)。 除了由反射镜M3和分束镜BS2反射的两光束外，图7还画出了在垂直 平面中的另外两光束是如何衍生出来的。这些光束在同一位置上产生 一与前述干涉条纹图案垂直的干涉条纹图案。一条光束来自分束镜 BS3，并由反射镜M5和M6反射到该表面上。另一条则来自分束镜BS4， 并由反射镜M4反射到该表面上。由该管子14上的照明光斑点散射出 来的光被由反射镜M1、M2和透镜L3组成的光学系统所接收。这种散 射光，以及在解调器内的检测器输出的电信号都具有代表该超声的表 面运动的信号和速度信号。通常，该超声信号具有的频率范围比速度 信号的频率范围高很多，因而可很容易用电子滤波的方法将它们分开。 然后对低频信号进行傅里叶变换，显示出两分开的峰，每个峰都与一 个速度相应。这些峰之所以被分开，要么是因为在两个方向上的速度 是十分不同的，要么是因为这些光束具有不同的分离角(separation angle)θ，这将导致不同的干涉条纹间隔。在图6所示的配置中，该 检测激光光束是通过多模光纤耦合的，因而该干涉条纹图案具有散斑 结构，而且在频率分析后观察到的峰都是很宽的并具有噪音。但是， 采用调节通过这些数据的包络的方法，人们发现这包络的最大值是由 上面所提及的简单公式与该速度相关联。较高精度的速度测定，可采 用不通过光纤而直接与检测激光光束耦合的方法获得，但其缺点是这 种激光器只得靠近加工线放置。
该位移子系统的第三个实施例依据的是可用一成像系统对产生和 检测激光在管子表面产生的热斑点进行跟踪。图8是它的一示意透视 图。当该管子处于高温(几百℃)时，可采用一具有短积分时间的CCD 像机和最后再用一图像增强器。该像机将叠加在来自管子的辐射背景 上的光斑点的发射光在这短积分时间(常常是几百微秒)上积分起来。 两个图像记录是在两不同时间摄取的。该像机用一滤光器加以保护， 以便阻挡所有的产生和检测激光器的光，就在激光开始发射时摄取第 一个图像。然后将记录的帧迅速传送到计算机。常常在几个毫秒之后 摄取第二图像记录，然后也将它的帧传送给计算机。在这第二个记录 中，该热斑点在背景上具有很小的反差，因为热斑点由于热传导和辐 射损耗而冷却了。但是人们仍然预期，在几毫秒之后该热斑点的温度 是处于大约高出管子温度5-10℃的范围内。在考虑该像机平面和该管 子之间的放大倍率之后，该两帧的互相关就可给出该管子的位移。
虽然在上面已描述了本发明的一些实施例，但并不限于这些实施 例，而且，对于熟悉本技术的业内人士来说很显然，在不偏离本发明 的权利要求和描述的精神、本质和范围的限度内，对于本发明的部件 都可进行很多改进。