УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАННЫХ О РАЗМЕРЕ ОБЪЕКТА Российский патент 2024 года по МПК G01B11/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу определения данных о размере, в частности данных о толщине, объекта в форме пластины или объекта в форме нити, в частности трубы, который включает в себя следующие этапы: по меньшей мере в один момент времени посредством первого передатчика излучают терагерцовое излучение по меньшей мере в одно место на поверхности объекта, причем указанное терагерцовое излучение, излученное посредством первого передатчика, принимают посредством первого приемника после по меньшей мере однократного прохождения излучения через объект.

Изобретение также относится к устройству для определения данных о размере объекта в форме пластины или в форме нити, содержащем первый передатчик, выполненный с возможностью излучения терагерцового излучения по меньшей мере в один момент времени по меньшей мере в одно место на поверхности объекта, и первый приемник, выполненный с возможностью приема терагерцового излучения, излученного первым передатчиком, после по меньшей мере однократного прохождения излучения через объект.

Уровень техники

Терагерцовое излучение, или так называемые миллиметровые волны, может использоваться для получения данных о размере (измерения) объектов в форме пластины или в форме нити, например, труб. Такие данные о размере включают в себя, например, диаметр или толщину, в частности толщину стенки. Посредством передатчика сигнал терагерцового излучения излучают на измеряемый объект. Излученный сигнал излучения проходит через объект и отражается на граничных поверхностях объекта. Затем терагерцовое излучение принимают посредством приемника. С помощью объекта осуществляют манипулирование сигналом излучения, в частности, за счет отражения, рассеяния, поглощения и преломления. Вызванное этим изменение сигнала терагерцового излучения позволяет делать выводы об объекте, в частности, для определения данных о размере оцениваются отражения на граничных слоях объекта. Кроме того, объект задерживает сигнал терагерцового излучения из-за его более высокой плотности относительно распространения в воздухе, так что при известной ориентации и известном показателе преломления материала абсолютные значения размеров объекта могут быть определены путем измерения задержки сигнала излучения. Это особенно верно в отношении объектов в форме пластины или в форме нити, таких как трубы.

Однако для анализа отражений на граничных слоях объекта необходима полоса частот используемого терагерцового излучения, обеспечивающий разрешение на одном граничном слое. При измерении небольших размеров, например, малой толщины стенок, это предъявляет значительные требования к полосе частот используемого терагерцового излучения. Таким образом, необходимая ширина полосы примерно равна скорости света, деленной на удвоенное произведение показателя преломления и структуры, подлежащей разрешению, например, на расстояние между граничными поверхностями, подлежащее разрешению. В зависимости от размера структуры, подлежащей разрешению, может потребоваться полоса частот в диапазоне 100 ГГц. Это делает терагерцовые передатчики и приемники, необходимые для надежного измерения малых структур, затратными и дорогостоящими. Часто требуются специальные процедуры допуска. Затраты еще больше возрастают, если предусмотрено несколько таких передатчиков и приемников, например, расположенных вокруг трубы, подлежащей измерению. Это часто желательно для максимально полного облучения объекта и, таким образом, для его измерения.

Другой проблемой являются нарушения геометрии объекта, в частности дефекты, такие как углубления, вмятины, выпуклости и т.п. Для обнаружения дефектов в патентном документе DE 102016105599 А1 предложено излучать терагерцовое излучение на граничные поверхности измеряемого объекта под неперпендикулярным углом, чтобы отражения, исходящие от исследуемого объекта и направленные на передающее и принимающее устройства, возникали только в местах дефектов объекта. В качестве альтернативы, основное отраженное излучение также может быть скрыто блендой, чтобы исключить отражение от граничных поверхностей объекта на уровне измерительной техники.

В патентном документе DE 202021100416 U1 предложено устройство обнаружения дефектов изделия в форме нити, перемещаемого вдоль направления транспортировки, содержащее устройство анализа данных, выполненное с возможностью делать вывод о наличии дефекта изделия в форме нити по временному изменению сигнала терагерцового излучения, принимаемого по меньшей мере одним приемником.

Раскрытие сущности изобретения

Исходя из раскрытого уровня техники, в основе изобретения лежит задача создания способа и устройства указанного в начале типа, которые могут надежно и точно определять данные о размерах объекта в форме пластины или в форме нити с меньшими затратами.

В настоящем изобретении указанная задача решена объектами по независимым пунктам 1 и 12 формулы. Выгодные варианты осуществления могут быть найдены в зависимых пунктах формулы, описании и на фигурах.

Для способа указанного в начале типа изобретение решает задачу с помощью следующих этапов:

- посредством второго передатчика излучают терагерцовое излучение с полосой частот менее 5% несущей частоты терагерцового излучения в несколько моментов времени на поверхность объекта и/или в несколько мест на поверхности объекта,

- терагерцовое излучение, излучаемое посредством второго передатчика, принимают посредством второго приемника после по меньшей мере однократного прохождения излучения через объект,

- по терагерцовому излучению, принимаемому от второго передатчика, и/или по временному и/или по пространственному изменению терагерцового излучения, принимаемого посредством второго приемника, определяют размер объекта с учетом терагерцового излучения, принимаемого посредством первого приемника.

Для устройства указанного в начале типа изобретение решает задачу посредством

- второго передатчика, выполненного с возможностью излучения терагерцового излучения с полосой частот менее 5% несущей частоты терагерцового излучения в несколько моментов времени на поверхность объекта и/или в несколько мест на поверхности объекта,

- второго приемника, выполненного с возможностью приема терагерцового излучения, излучаемого вторым передатчиком, по меньшей мере после однократного прохождения излучения через объект,

- устройства анализа данных, выполненного с возможностью определения размера объекта по терагерцовому излучению, принимаемому от второго передатчика, и/или по временному и/или пространственному изменению терагерцового излучения, принимаемого вторым приемником, с учетом терагерцового излучения, принимаемого первым приемником.

Объект, подлежащий измерению, в соответствии с изобретением, может представлять собой, например, пластмассовый или стеклянный объект. Он выполнен в форме пластины или в форме нити, например, в форме трубы. Объект может перемещаться во время измерения через устройство, содержащее первые и вторые передатчики и приемники, объект в форме нити, в частности, может перемещаться вдоль его продольной оси. Для этого устройство может включать в себя транспортирующее устройство. Объект может выходить из производственного устройства, такого как экструзионное устройство. Во время измерения он все еще может иметь высокую температуру. Также возможно, что затвердевание объекта во время измерения еще не завершено. Таким образом, объект, в частности, все еще может иметь доли расплава.

Согласно изобретению, для измерения объекта используют терагерцовое излучение, называемое миллиметровыми волнами. Терагерцовое излучение, например, может находиться в диапазоне частот от 10 ГГц до 3 ТГц. Терагерцовое излучение хорошо подходит для измерения объектов, например, пластмассовых объектов, в сложных условиях измерения, например, на производственных объектах, поскольку терагерцовое излучение в значительной степени нечувствительно к помехам, например, от водяного пара. Так, например, объекты в форме нити, выходящие из экструзионных устройств, охлаждаются путем нанесения охлаждающей жидкости, например воды. При этом образуется водяной пар.

В основе изобретения лежит идея проведения комбинированного измерения объекта с использованием первой измерительной системы с первым передатчиком и первым приемником, с одной стороны, и второй измерительной системы со вторым передатчиком и вторым приемником, с другой стороны. Второй передатчик излучает терагерцовое излучение с полосой частот менее 5% несущей частоты терагерцового излучения в несколько моментов времени и/или в несколько мест на поверхности объекта. Полоса частот терагерцового излучения определяется как разница между нижней и верхней граничными частотами терагерцового излучения, излучаемого передатчиком. Граничные частоты находятся выше и ниже несущей частоты, в частности, на одинаковом расстоянии от несущей частоты. Первый передатчик, с другой стороны, может излучать терагерцовое излучение с большей полосой частот, чем второй передатчик. Предпочтительно большая полоса частот позволяет использовать первый передатчик и первый приемник для определения абсолютных значений данных о размере объекта при известном или определенном посредством измерения показателе преломления объекта. Для этого отражения терагерцового излучения от граничных слоев объекта могут быть проанализированы известным способом, например, с помощью измерений времени прохождения. В соответствии с изобретением это измерение объединяют с измерением посредством второго передатчика, который излучает терагерцовое излучение с малой полосой частот в несколько моментов времени или в несколько мест на поверхности объекта. В частности, узкополосный второй передатчик и второй приемник могут использоваться для измерения задержки терагерцового излучения при прохождении излучения через объект. На основе сравнения сигналов излучения, излучаемых, в частности, в разные моменты времени, в положении измерения второго передатчика или приемника можно определить размер объекта, в частности изменение размера объекта, например изменение толщины объекта. Это может происходить, например, вследствие изменения фазы излучаемого терагерцового излучения второго передатчика, вызванного прохождением излучения через объект. Таким образом могут быть обнаружены колебания толщины. Для объекта в форме пластины получается непосредственное однозначное измерение. Для объекта в форме трубы указанное измерение дает сумму колебаний толщины обеих стенок трубы, через которые проходит излучение. В сочетании с измерительной системой, состоящей из первого передатчика и первого приемника, которая, например, осуществляет измерение реже, чем измерительная система, состоящая из второго передатчика и второго приемника, измеряя, например, абсолютную толщину объекта, абсолютное значение определяемого размера, в частности, определяемого изменения размера, например изменения толщины, может быть определено в положении измерения второго передатчика или второго приемника, то есть в положении на объекте, облучаемом вторым передатчиком. На основе измерения абсолютной толщины, например, трубы, также можно сделать вывод о колебаниях толщины отдельных стенок трубы.

Таким образом, в комбинации двух измерительных систем абсолютные значения размеров, в частности изменения размеров, например изменения толщины, могут быть надежно определены в любое время. Комбинация измерительных систем согласно изобретению обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что, например, первая измерительная система с большей полосой частот, должна осуществлять измерение абсолютной толщины только эпизодически и в некоторых местах на поверхности объекта, в то время как вторая измерительная система может осуществлять измерение чаще и в большем количестве мест на поверхности объекта. Тем не менее, полная абсолютная регистрация данных измерений, например, изменений размера, может быть получена, например, путем, по существу, полного исследования объекта второй измерительной системой на основе корреляции с первой измерительной системой. В частности, вторая измерительная система, состоящая из второго передатчика и приемника, используется для анализа не прямых отражений излучения на граничных поверхностях объекта, а задержки терагерцового излучения, вызванной прохождением излучения через объект. С другой стороны, первая измерительная система, в частности, используется для анализа отражений терагерцового излучения на граничных поверхностях объекта.

Измерительные системы с меньшей полосой частот не только дешевле, но и проще в эксплуатации, проще в осуществлении измерения и, как правило, имеют более низкие нормативные требования. Комбинация измерительных систем в соответствии с изобретением позволяет в целом снизить затраты, поскольку всеобъемлющее измерение объекта, т.е. всеобъемлющее облучение терагерцовым излучением объекта, должно осуществляться только с помощью второй измерительной системы. Например, при расположении нескольких передатчиков и приемников вокруг измеряемого объекта менее затратные вторые узкополосные передатчики и приемники могут быть расположены в большем количестве вокруг объекта, избегая затрат, которые были бы связаны с большим количеством передатчиков и приемников с большей полосой частот. С другой стороны, при той же полосе частот можно измерять более тонкие объекты.

В принципе, возможно, что посредством первого передатчика терагерцовое излучение излучают только в один момент времени в одно место на поверхности объекта. Но также возможно, что первый передатчик также излучает терагерцовое излучение в несколько моментов времени или в несколько мест на поверхности объекта, как и второй передатчик. Например, как это разъяснено ранее, возможно, что объект будет перемещаться через устройство во время измерения. В этом случае терагерцовое излучение, излучаемое, например, неподвижным первым передатчиком или вторым передатчиком на движущийся объект в несколько моментов времени, излучается в несколько мест на поверхности объекта. Предпочтительно, чтобы терагерцовое излучение излучалось вторым передатчиком в большее количество моментов времени или в большее количество мест на поверхности объекта, чем терагерцовое излучение, излучаемое первым передатчиком. В частности, возможно, что посредством второго передатчика излучают терагерцовое излучение практически на всю поверхность объекта, например, в случае объекта в форме пластины, поперек направления транспортировки объекта, или, в случае объекта в форме нити, по всей окружности объекта, перемещаемого, например, вдоль его продольного направления. При достаточно быстром перемещении второго передатчика поперек направления транспортировки или вокруг объекта, соответственно, или при наличии достаточного количества вторых передатчиков и, соответственно, вторых приемников, таким образом, возможно практически полное покрытие поверхности объекта и, следовательно, измерение объекта посредством второй измерительной системы. Сравнительно более редкие измерения, осуществляемые первой измерительной системой, тем не менее, достаточны для перевода изменений размеров, определяемых второй измерительной системой, в соответствующие абсолютные значения.

Как разъяснено ранее, первый передатчик предпочтительно имеет большую полосу частот, чем второй передатчик. Полоса частот терагерцового излучения, излучаемого первым передатчиком, в соответствии с одним вариантом осуществления, может составлять более 10%, предпочтительно более 20% несущей частоты терагерцового излучения. Кроме того, полоса частот терагерцового излучения, излучаемого первым передатчиком, может составлять более 10 ГГц, предпочтительно более 20 ГГц. Кроме того, полоса частот терагерцового излучения, излучаемого первым передатчиком, может превышать скорость света, деленную на удвоенное произведение показателя преломления и измеряемого размера, например толщины стенки. Использование такого широкополосного датчика связано с большими затратами. Для этого такой широкополосный передатчик способен надежно разрешать даже малые расстояния между граничными поверхностями объекта и, таким образом, надежно определять абсолютные размеры, например, абсолютную толщину объекта и показатель преломления. В принципе, возможно также, что первый передатчик также является узкополосным передатчиком, который работает независимо от второго передатчика и определяет, например, общую толщину объекта на основе заданного показателя преломления.

В соответствии с другим вариантом осуществления, полоса частот терагерцового излучения, излучаемого вторым передатчиком, может составлять менее 3%, предпочтительно менее 2% несущей частоты терагерцового излучения. Особенно предпочтительным является тот случай, когда терагерцовое излучение второго передатчика может быть использовано в качестве терагерцового излучения в пределах диапазона ISM. Диапазоны ISM (от англ. Industrial Scientific and Medical Bands - промышленный, научный и медицинский диапазоны) - это диапазоны частот, которые, как правило, могут использоваться без получения разрешения. За счет этого затраты снижаются еще больше. Примером подходящего диапазона ISM является полоса частот в диапазоне от 122 до 123 ГГц, то есть с полосой частот 1 ГГц. В частности, полоса частот второго передатчика может быть меньше, например, в 2 раза меньше, чем удвоенная скорость света, деленная на произведение показателя преломления и измеряемой структуры, например толщины стенки.

В соответствии с особенно практичным вариантом осуществления, первый передатчик и первый приемник могут быть выполнены в виде первого приемопередатчика (трансивера), и/или второй передатчик и второй приемник могут быть выполнены в виде второго приемопередатчика (трансивера). Таким образом, соответствующие передатчик и приемник расположены в одном и том же месте или выполнены интегрированно в виде приемопередатчика (трансивера).

В соответствии с другим вариантом осуществления, на стороне объекта, противоположной первому передатчику, может быть предусмотрено расположение первого отражателя для терагерцового излучения, излучаемого первым передатчиком, и/или на стороне объекта, противоположной второму передатчику, может быть предусмотрено расположение второго отражателя для терагерцового излучения, излучаемого вторым передатчиком. Посредством отражателей терагерцовое излучение после прохождения через объект отражают таким образом, что после повторного прохождения через объект его принимают посредством соответствующего приемника, в частности приемника, выполненного вместе с соответствующим передатчиком в виде приемопередатчика (трансивера).

Второй передатчик и второй приемник могут поворачиваться вокруг объекта и/или линейно перемещаться вдоль объекта во время измерения. В качестве альтернативы или дополнения, также возможно, что предусмотрены несколько вторых передатчиков и вторых приемников, расположенных вокруг объекта или вдоль него. Как объяснялось ранее, узкополосная вторая измерительная система является экономичной и не требует больших затрат. Соответственно, она также может быть быстро поворачиваться или линейно перемещаться относительно объекта, или может быть предусмотрено относительно много вторых передатчиков и вторых приемников. Таким образом, может быть обеспечен особенно обширный охват и, следовательно, всеобъемлющее измерение объекта, перемещаемого посредством устройства во время измерения. Например, если предусмотрено несколько вторых передатчиков и вторых приемников, они могут быть расположены неподвижно, при этом достаточное их количество обеспечивает практически полное покрытие поверхности объекта для осуществления измерения. Также возможно, что предусмотрено несколько вторых передатчиков и вторых приемников, которые одновременно поворачиваются или линейно перемещаются, как объяснялось ранее. Линейное движение, в частности вышеуказанное линейное перемещение, может осуществляться, в частности, в случае объекта в форме пластины, вдоль объекта, а именно в продольном направлении или направлении транспортировки, и/или поперек продольного направления или направления транспортировки. Также возможно комбинированное линейное перемещение и вращательное перемещение, так что, например, происходит спиральное перемещение вокруг объекта, например, имеющего форму нити.

В принципе, первая измерительная система, состоящая из первого передатчика и первого приемника, также может быть перемещена по отношению к объекту способом, описанным выше. Кроме того, в принципе было бы возможно предусмотреть несколько первых передатчиков и первых приемников. Соответствующие варианты осуществления могут быть такими же, как у второго передатчика и второго приемника, как описано выше. Однако, как объяснялось в начале, в этом отношении достаточно меньшего покрытия поверхности объекта.

В соответствии со следующим вариантом осуществления, второй передатчик может излучать терагерцовое излучение на поверхность объекта под непрямым углом падения, то есть, в частности, под углом, отличным от нормального угла падения излучения. В принципе, проблема заключается в том, что при измерении объекта терагерцовым излучением с помощью второй измерительной системы, состоящей из второго передатчика и второго приемника, могут быть вызваны дополнительные сигналы, например, вследствие отражения от объекта. Такие дополнительные сигналы могут оказать нежелательное влияние на результат измерения, в частности на измеряемую задержку, вызванную прохождением излучения через объект. Такие дополнительные сигналы в основном могут быть отфильтрованы вычислительным образом, так что остается только искомый сигнал задержки. Для этого необходима известная полоса частот терагерцового излучения, которая, однако, определяется не размерами объекта, в частности малыми расстояниями между граничными поверхностями, а расстоянием от возмущений, вызывающих дополнительные сигналы, например граничных поверхностей, до измерительной системы, например, отражателя. Таким образом, путем выбора соответствующего расстояния, например, от отражателя до объекта, даже при сравнительно малой полосе частот, несмотря на дополнительные сигналы, может быть осуществлено надежное измерение. В соответствии с вышеупомянутым вариантом осуществления, нежелательные сигналы, напротив, устраняют за счет того, что дополнительные сигналы, вызванные наклоном оптического пути относительно поверхности объекта, устраняются за счет отражения от граничных поверхностей объекта. Сигналы, непосредственно генерируемые измерительной системой, могут быть откалиброваны. Поскольку измеряемый сигнал может быть очищен от всех нежелательных компонентов, дальнейшая вычислительная фильтрация сигнала не требуется. Его можно соответствующим образом измерить с минимальной полосой частот вплоть до режима одночастотной непрерывной волны (CW режим, от англ. continuous wave). В то же время возможно небольшое расстояние от измерительной системы, например отражателя, до объекта, так что монтажное пространство устройства уменьшается.

Как объяснялось ранее, (абсолютный) размер объекта может быть определен с учетом показателя преломления объекта. В принципе, для определения абсолютных значений обнаруженных изменений размера можно предположить, что показатель преломления для материала объекта известен. Однако на практике, в зависимости от цели применения, происходят частично незамеченные изменения показателя преломления. Например, для объектов, изготовленных в экструзионных устройствах, это может произойти вследствие незамеченного изменения смеси плстмасс, подаваемой в экструдер. Экструдированные пластмассы, как правило, содержат добавки, причем количество добавок, а также композиция добавок могут варьироваться. Это может привести к ошибкам, если предполагается, что показатель преломления известен и постоянен.

Таким образом, в соответствии со следующим вариантом осуществления, возможно, что показатель преломления объекта может быть определен по терагерцовому излучению, принятому первым приемником. Определение показателя преломления в принципе может быть выполнено, как описано, например, в патентном документе WO 2016/139155 А1. Таким образом, из сравнения времени прохождения терагерцового излучения между первым передатчиком и первым приемником без объекта на оптическом пути с временем прохождения между первым передатчиком и первым приемником с объектом на оптическом пути при известной толщине стенки можно сделать вывод об показателе преломления материала объекта в форме нити. Необходимо знать только местоположение первого передатчика и первого приемника или опционально имеющегося отражателя.

В соответствии со следующим вариантом осуществления, возможно, что размер, в частности изменение размера объекта и/или абсолютное значение определенного размера или изменения размера, определяют на основе изменения фазы терагерцового излучения, излучаемого первым и/или вторым передатчиком, вызванного прохождением излучения через объект. За счет анализа изменения фазы излучаемого терагерцового излучения, вызванного объектом, определение размеров в соответствии с изобретением возможно особенно надежным и точным способом. Для однозначного определения фазы или определения изменения фазы, особенно при использовании очень узкополосного терагерцового излучения вплоть до режима непрерывной волны (CW режим, от англ. continuous wave), необходимо анализировать как 1-канал, так и Q-канал. С помощью этого синфазного способа (т.н. 1-способ, от англ. In-Phase) и квадратурного способа, (т.н. Q-способ, от англ. Quadrature) можно надежно определить информацию о фазе высокочастотного несущего сигнала. Хотя анализ изменения фазы позволяет проводить более точные измерения, в принципе можно было бы также провести анализ частоты или амплитуды.

В соответствии со следующим вариантом осуществления на основе особенно быстрых изменений сигнала терагерцового излучения, принимаемого вторым приемником, можно сделать вывод о наличии дефекта объекта. Дефекты, в частности, понимаются как изменения материала объекта, которые являются сравнительно небольшими, в частности, меньшими или примерно равными длине волны терагерцового излучения. Такие дефекты действуют как рассеиватели Ми, которые в грубом приближении рассеивают примерно одинаковую величину во всех направлениях. Это означает, что сигнал, рассеиваемый обратно от этих дефектов, невелик по сравнению с общим рассеиваемым сигналом. Обычно он составляет менее 1% даже на расстоянии 100 мм. Он уменьшается пропорционально 1/г², где r = расстояние.

При малых расстояниях и низком уровне шума, который может быть достигнут, например, за счет малой полосы частот терагерцового излучения, рассеянный сигнал может быть непосредственно обнаружен и интерпретирован как дефект.Подход к обнаружению дефекта, представленный, например, в вышеупомянутом патентном документе DE 102016105599 А1, с использованием амплитуд сигналов прямого отражения от дефекта, с другой стороны, имеет слабую чувствительность, особенно при наличии отражающих поверхностей, как это может быть предусмотрено в данном случае за счет отражателя. С другой стороны, подход, раскрытый в патентном документе DE 202021100416 U1, также рассмотренном выше, использует дополнительные и существенные изменения фазы терагерцового излучения, что значительно повышает чувствительность измерения.

В основе вышеупомянутого варианта осуществления лежит идея о том, что сравнительно медленные изменения сигнала терагерцового излучения вызваны изменениями размера объекта, тогда как по сравнению с изменениями размера незначительные дефекты вызывают более быстрые, в смысле дифракционной картины точечные изменения сигнала терагерцового излучения, чем изменения размера. Таким образом, на основе принятого сигнала терагерцового излучения можно различать изменения размера, с одной стороны, и дефекты, с другой. Из-за регулярно когерентных сигналов терагерцового излучения возникают дифракционные эффекты в местах дефектов, так что измеренный сигнал излучения также испытывает влияние, когда дефект находится вблизи оптических путей, которые можно было бы ожидать с оптической точки зрения. Для обнаружения дефектов такая дифракционная картина может быть проанализирована соответствующим образом, как с точки зрения амплитуды, так и с точки зрения фазы.

Сигнал терагерцового излучения, рассеиваемый непосредственно на дефекте, обычно быстро изменяется в зависимости от местоположения (или в зависимости от времени при перемещении измеряемого объекта, передатчика или приемника). В зависимости от точного варианта осуществления этот сигнал терагерцового излучения обычно имеет длину осцилляций в несколько миллиметров. Например, при частоте терагерцового излучения 120 ГГц и использовании передатчика и приемника с непрямым углом падения в 20° можно ожидать, что длина осцилляций составит около 3,7 мм. Соответственно, сигнал терагерцового излучения можно надежно отличить от других изменений сигнала, вызванных большими изменениями размера, например, с помощью локального частотного анализа или согласующих фильтров. Это особенно актуально, поскольку длина осцилляций сигнала, вызванного дефектом, не зависит от дефекта и, следовательно, известна, и, таким образом, при известной скорости перемещения измеряемого объекта, передатчика или приемника, частота изменений сигнала, вызванных дефектом, известна. Это невозможно, например, при рассмотрении амплитуд сигнала терагерцового излучения, поэтому предпочтительным является анализ частоты или фазы образца (паттерна) излучения, вызванного дефектами.

Способ в соответствии с изобретением может быть выполнен с использованием устройства в соответствии с изобретением. Соответственно, устройство в соответствии с изобретением, в частности, его устройство анализа данных, может быть выполнено с возможностью осуществления способа в соответствии с изобретением.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более подробно разъяснено ниже на примерах осуществления. Схематично показаны:

Фигура 1 устройство в соответствии с изобретением для осуществления способа в соответствии с изобретением в первом случае использования,

Фигура 2 устройство с фигуры 1 во втором варианте использования, и

Фигура 3 Диаграммы, иллюстрирующие обнаружение дефектов в соответствии с изобретением.

Если не указано иное, на фигурах одни и те же ссылочные обозначения обозначают одни и те же объекты.

Осуществление изобретения

Устройство, показанное на фигуре 1, имеет первый приемопередатчик 10, содержащий первый передатчик 10 для терагерцового излучения и первый приемник 10 для приема терагерцового излучения, излучаемого первым передатчиком 10. Устройство также имеет второй приемопередатчик 12, содержащий второй передатчик 12 для терагерцового излучения и второй приемник 12 для приема терагерцового излучения, излучаемого вторым передатчиком 12. Второй передатчик 12 излучает терагерцовое излучение с полосой частот, составляющей менее 5% несущей частоты терагерцового излучения, которое, соответственно, принимается вторым приемником 12. Первый передатчик 10, напротив, излучает терагерцовое излучение с большей полосой частот, в частности терагерцовое излучение с полосой частот, составляющей более 10%, предпочтительно более 20%, несущей частоты терагерцового излучения, которое, соответственно, принимается первым приемником 10.

На фигуре 1 очень схематично показаны два противоположных участка 14, 16 стенки измеряемой трубы 18, например пластиковой трубы, в частности пластиковой трубы 18, выходящей из экструзионного устройства. Труба 18 может проходить через устройство вдоль своей продольной оси, как показано на фигуре 1 стрелкой 20. Понятно, что на фигуре 1 показан только небольшой участок трубы 18. С первым приемопередатчиком 10 также связан первый отражатель 22, расположенный на стороне трубы 18, противоположной первому приемопередатчику 10. Со вторым приемопередатчиком 12, соответственно, связан второй отражатель 24, также расположенный на стороне трубы 18, противоположной второму приемопередатчику 12. Устройство также содержит устройство 26 анализа данных, которое соединено с приемопередатчиками 10, 12, в частности передатчиками 10, 12 и приемниками 10, 12 приемопередатчиков 10, 12, так что они могут управляться устройством 26 анализа данных и передавать данные измерений, в частности, приемников 10, 12, в устройство анализа данных для проведения анализа. Для этого приемопередатчики 10, 12 соединены с устройством 26 анализа данных с помощью соответствующих сигнальных и управляющих линий.

Для измерения трубы 18 посредством первого передатчика 10 излучают терагерцовое излучение на трубу 18, причем терагерцовое излучение после прохождения через трубу 18 отражают посредством отражателя 22, так что после повторного прохождения излучения через трубу 18 оно возвращается к первому приемопередатчику 10, где его принимают посредством первого приемника 10 в качестве сигнала измерения. Это показано на фигуре 1 с помощью оптического пути 28. Терагерцовое излучение при этом отражается на граничных поверхностях трубы 18. Сигналы измерений от первого приемника 10 передаются на устройство 26 анализа данных, которое на основе сигналов излучения, отраженных на граничных поверхностях, с учетом показателя преломления материала трубы 18 определяет абсолютные значения размера трубы 18, например толщину стенки на участках 14, 16 стенки, например, на основе измерений времени прохождения. Показатель преломления может быть принят за известный для трубы 18 или определен раскрытым выше способом с помощью устройства 26 анализа данных. Первый приемопередатчик 10 может быть установлен стационарно и излучать терагерцовое излучение через регулярные промежутки времени для проведения измерений.

Во время этого процесса измерения, кроме того, на трубу 18 посредством второго передатчика 12 излучают терагерцовое излучения с меньшей полосой частот, причем это терагерцовое излучение отражается посредством второго отражателя 24 после прохождения излучения через трубу 18 и после повторного прохождения излучения через трубу 18 снова поступает на второй приемопередатчик 12, где его принимают посредством второго приемника 12 в качестве сигнала измерения. Это проиллюстрировано на фигуре 1 с помощью оптического пути 30. При этом терагерцовое излучение излучают под непрямым углом падения на поверхность трубы 18, как показано на фигуре 1. На граничных поверхностях трубы происходит преломление терагерцового излучения и отражения, как показано на фигуре 1, например, номером позиции 32. Однако из-за непрямого угла падения терагерцового излучения эти сигналы отражения не возвращаются на второй приемопередатчик 12 и, следовательно, на второй приемник 12. Таким образом, второй приемник 12 по существу детектирует и измеряет только те доли излучения, которые прошли через трубу 18. Сигналы измерения, в свою очередь, передают на устройство 26 анализа данных, которое определяет временное и/или пространственное изменение размеров трубы 18 на основе задержки терагерцового излучения, вызванной трубой 18. Для определения изменений размера, в частности, определяют изменение фазы терагерцового излучения, вызванное трубой 18. Для определения изменений размеров во времени и/или в пространстве терагерцовое излучение излучают посредством второго передатчика 12 в несколько моментов времени и, вследствие перемещения трубы 18 в продольном направлении, в несколько мест на поверхности трубы 18. Второй приемопередатчик 12 может поворачиваться вокруг трубы 18 во время измерения для проведения измерения по окружности трубы 18. Однако было бы также возможно разместить распределенным образом по периметру трубы 18 несколько вторых приемопередатчиков 12.

Устройство 26 анализа данных сопоставляет сигналы измерения от первого и второго приемников 10, 12 и использует их для определения абсолютных значений обнаруженных изменений размеров трубы 18. Под полученными данными измерений или изменениями размера подразумевают, главным образом, данные о толщине или изменения толщины.

На фигуре 2 показано устройство с фигуры 1 на основе измерения объекта 34 в форме пластины. Объект 34 в форме пластины, в свою очередь, может быть перемещен устройством, например, вдоль направления 20. Измерение и анализ выполняют в основном таким же образом, как раскрыто на фигуре 1. В отличие от фигуры 1, сигналы измерения на фигуре 2 однозначно предоставляют данные о размере, в частности данные о толщине, объекта 34 в форме пластины, в то время как полученные данные о размере на фигуре 1, в частности данные о толщине, представляют собой общие данные для обеих стенок 14, 16 трубы. Например, на фигуре 2 можно было бы предположить, что несколько вторых приемопередатчиков 12 расположены рядом друг с другом поперек направления 20 транспортировки, то есть на фигуре 2 - в плоскости чертежа, или второй приемопередатчик 12 во время измерения перемещают в этом направлении. Таким образом, измерение может быть выполнено, например, по существу по всей ширине объекта 18, 34 в форме пластины.

В обоих случаях использования, показанных на фигуре 1 и фигуре 2, детектирование дефектов измеряемых объектов 18, 34 по-прежнему возможно, в частности, путем заключения о наличии дефекта объекта 18, 34 на основе быстрых изменений сигнала терагерцового излучения, принимаемого вторым приемником 12.

Это ниже разъяснено более подробно со ссылкой на фигуру 3. Там представлены соответствующие сигналы измерения второго приемника 12 для трех различных размеров дефекта (величины дефекта), причем на оси х для каждого из них указан дефект в миллиметрах. При этом на фигуре 3 последовательно нанесены сигналы измерения 1-канала, Q-канала и амплитуды в произвольных единицах. Второй передатчик 12 излучал терагерцовое излучение с длиной волны 2,5 мм в режиме непрерывной волны (CW режим, от англ. continuous wave). Сравнение диаграмм показывает, что сигналы измерения, возникающие в результате рассеяния в месте дефекта, создают характерную форму сигнала, которая, особенно при анализе фазы с помощью т.н. I-способа и Q-способа, помимо ориентации и расстояния, также дает информацию о размере и форме дефекта. Рассмотрение чистой амплитуды, как показано на фигуре 3 в самом низу, приводит к значительно более простой форме сигнала, но ее труднее детектировать, особенно при наличии дополнительных помех.

Список ссылочных обозначений

10 Приемопередатчик, первый передатчик, первый приемник

12 Приемопередатчик, второй передатчик, второй приемник

14 Стенка трубы

16 Стенка трубы

18 Труба, объект

20 Направление транспортировки

22 Первый отражатель

24 Второй отражатель

26 Устройство анализа данных

28 Ход лучей

30 Ход лучей

32 Ход лучей

34 Объект

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа определения данных о размере объекта в форме пластины или в форме нити. При осуществлении способа посредством первого передатчика излучают терагерцовое излучение на поверхность объекта и принимают посредством первого приемника излучение после по меньшей мере однократного прохождения через объект. Кроме того, посредством второго передатчика излучают терагерцовое излучение с полосой частот менее 5% несущей частоты терагерцового излучения на поверхность объекта. Терагерцовое излучение, излучаемое посредством второго передатчика, принимают посредством второго приемника после по меньшей мере однократного прохождения излучения через объект. По терагерцовому излучению, принимаемому от второго передатчика, определяют размер объекта с учетом терагерцового излучения, принимаемого посредством первого приемника. Технический результат заключается в повышении точности измерений абсолютных значений размера и его колебаний. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения данных о размере объекта (18, 34) в форме пластины или в форме нити, включающий в себя следующие этапы:

- посредством первого передатчика (10) излучают терагерцовое излучение по меньшей мере в один момент времени по меньшей мере в одно место на поверхности объекта (18, 34),

- терагерцовое излучение, излучаемое посредством первого передатчика (10), принимают посредством первого приемника (10) после по меньшей мере однократного прохождения излучения через объект (18, 34),

отличающийся тем, что содержит следующие этапы:

- посредством второго передатчика (12) излучают терагерцовое излучение с полосой частот менее 5% несущей частоты терагерцового излучения в несколько моментов времени на поверхность объекта и/или в несколько мест на поверхности объекта (18, 34),

- терагерцовое излучение, излучаемое посредством второго передатчика (12), принимают посредством второго приемника (12) после по меньшей мере однократного прохождения излучения через объект (18, 34),

- по терагерцовому излучению, принимаемому от второго передатчика (12), и/или по временному и/или по пространственному изменению терагерцового излучения, принимаемого посредством второго приемника (12), определяют размер объекта (18, 34) с учетом терагерцового излучения, принимаемого посредством первого приемника (10).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полоса частот терагерцового излучения, излучаемого первым передатчиком (10), составляет более 10%, предпочтительно более 20%, несущей частоты терагерцового излучения.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что полоса частот терагерцового излучения, излучаемого вторым передатчиком (12), составляет менее 3%, предпочтительно менее 2%, несущей частоты терагерцового излучения.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первый передатчик (10) и первый приемник (10) выполнены в виде первого приемопередатчика (10), и/или второй передатчик (12) и второй приемник (12) выполнены в виде второго приемопередатчика (12).

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на стороне объекта (18, 34), противоположной первому передатчику (10), расположен первый отражатель (22) для терагерцового излучения, излучаемого первым передатчиком (10), и/или на стороне объекта (18, 34), противоположной второму передатчику (12) расположен второй отражатель (24) для терагерцового излучения, излучаемого вторым передатчиком (12).

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что второй передатчик (12) и второй приемник (12) поворачивают вокруг объекта (18, 34) и/или линейно перемещают вдоль объекта (18, 34) во время измерения, и/или предусмотрены несколько вторых передатчиков (12) и вторых приемников (12), расположенных вокруг объекта (18, 34) или вдоль объекта (18, 34).

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что посредством второго передатчика (12) излучают терагерцовое излучение под непрямым углом падения на поверхность объекта (18, 34).

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что размер объекта (18, 34) определяют с учетом показателя преломления объекта (18, 34).

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что показатель преломления объекта (18, 34) определяют по терагерцовому излучению, принятому первым приемником (10).

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что размер объекта определяют по изменению фазы терагерцового излучения, излучаемого вторым передатчиком (12), вызванным прохождением излучения через объект (18, 34).

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на основе особенно быстрых изменений сигнала терагерцового излучения, принимаемого вторым приемником (12), делают вывод о наличии дефекта объекта (18, 34).

12. Устройство для определения данных о размере объекта (18, 34) в форме пластины или в форме нити, содержащее:

- первый передатчик (10), выполненный с возможностью излучения терагерцового излучения по меньшей мере в один момент времени по меньшей мере в одно место на поверхности объекта (18, 34),

- первый приемник (10), выполненный с возможностью приема терагерцового излучения, излучаемого первым передатчиком (10) после по меньшей мере однократного прохождения излучения через объект (18, 34),

отличающееся тем, что включает в себя второй передатчик (12), выполненный с возможностью излучения терагерцового излучения с полосой частот, составляющей менее 5% несущей частоты терагерцового излучения в несколько моментов времени на поверхность объекта и/или в несколько мест на поверхности объекта (18, 34),

- второй приемник (12), выполненный с возможностью приема терагерцового излучения, излучаемого вторым передатчиком (12) после по меньшей мере однократного прохождения излучения через объект (18, 34), и

- устройство (26) анализа данных, выполненное с возможностью определения размера объекта (18, 34) по терагерцовому излучению, принимаемому от второго передатчика (12), и/или по временному и/или пространственному изменению терагерцового излучения, принимаемого вторым приемником (12), с учетом терагерцового излучения, принимаемого первым приемником (10).

13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что полоса частот терагерцового излучения, излучаемого первым передатчиком (10), составляет более 10%, предпочтительно более 20%, несущей частоты терагерцового излучения.

14. Устройство по любому из пп. 12 или 13, отличающееся тем, что полоса частот терагерцового излучения, излучаемого вторым передатчиком (12), составляет менее 3%, предпочтительно менее 2%, несущей частоты терагерцового излучения.

15. Устройство по любому из пп. 12-14, отличающееся тем, что первый передатчик (10) и первый приемник (10) выполнены в виде первого приемопередатчика (10), и/или второй передатчик (12) и второй приемник (12) выполнены в виде второго приемопередатчика (12).

16. Устройство по любому из пп. 12-15, отличающееся тем, что на стороне объекта (18, 34), противоположной первому передатчику (10), расположен первый отражатель (22) для терагерцового излучения, излучаемого первым передатчиком (10), и/или на стороне объекта (18, 34), противоположной второму передатчику (12), расположен второй отражатель (24) для терагерцового излучения, излучаемого вторым передатчиком (12).

17. Устройство по любому из пп. 12-16, отличающееся тем, что предусмотрено устройство вращения и/или линейного перемещения для вращения второго передатчика (12) и второго приемника (12) во время осуществления измерения вокруг объекта (18, 34) и/или для линейного перемещения второго передатчика (12) и/или второго приемника (12) во время осуществления измерения вдоль объекта (18, 34), и/или предусмотрены несколько вторых передатчиков (12) и вторых приемников (12), расположенных вокруг объекта (18, 34) или вдоль объекта (18, 34).

18. Устройство по любому из пп. 12-17, отличающееся тем, что второй передатчик (12) расположен таким образом, чтобы он имел возможность излучения терагерцового излучения под непрямым углом падения на поверхность объекта (18, 34).

19. Устройство по любому из пп. 12-18, отличающееся тем, что устройство (26) анализа данных дополнительно выполнено с возможностью определения размера объекта (18, 34) с учетом показателя преломления объекта (18, 34).

20. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что устройство (26) анализа данных дополнительно выполнено с возможностью определения показателя преломления объекта (18, 34) по терагерцовому излучению, принимаемому первым приемником (10).

21. Устройство по любому из пп. 12-20, отличающееся тем, что устройство (26) анализа данных выполнено с возможностью определения размера объекта (18, 34) по изменению фазы терагерцового излучения, излучаемого первым и/или вторым передатчиком (12), вызванному прохождением излучения через объект (18, 34).

22. Устройство по любому из пп. 12-21, отличающееся тем, что устройство (26) анализа данных выполнено с возможностью делать вывод о наличии дефекта объекта (18, 34) на основе особенно быстрых изменений сигнала терагерцового излучения, принимаемого вторым приемником (12).