一种管材管壁厚度测量装置及测量方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811494882.6
(22)申请日 2018.12.07
(71)申请人 广东工业大学
地址 510060 广东省广州市越秀区东风东
路729号大院
(72)发明人 杨志岱　杨海钿　李海艳　黄运保　
(74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限
公司 11227
代理人 罗满
(51)Int.Cl.
G01B 11/06(2006.01)
(54)发明名称
一种管材管壁厚度测量装置及测量方法
(57)摘要
本发明公开了一种管材管壁厚度测量装置，
包括固定待测量的管材的固定支架，旋转支架，
第一距离传感器和第二距离传感器，以及处理
器；旋转支架可带动第一距离传感器和第二距离
传感器绕旋转中心轴旋转，第一距离传感器测量
和管材内壁之间的第一距离，第二距离传感器测
量和管材外壁多个位置点之间的第二距离；处理
器根据第一距离和第二距离获得管材管壁的厚
度。

本发明中的测量装置，可在对管材管壁进行
非接触测量，避免了距离传感器在旋转测量过程
中摩擦阻力带来的干扰；可以广泛应用于金属、
塑料以及其他不透光材料的管材的测量；且结构
简单，易于安装，能够快速准确的测量出管材厚
度。

本发明中还提供了一种管材管壁测量方法，
具有上述有益效果。

权利要求书3页 说明书9页 附图6页CN 109341553 A 2019.02.15
C N 109341553
A
1.一种管材管壁厚度测量装置，其特征在于，包括固定待测量的管材的固定支架，旋转支架，设置在所述旋转支架上的第一距离传感器和第二距离传感器，以及处理器；
其中，所述旋转支架可带动所述第一距离传感器和所述第二距离传感器绕旋转中心轴旋转，且所述旋转中心轴和所述管材的中心轴平行，所述旋转中心轴和所述管材的中心轴之间的距离小于所述管材内径；
所述第一距离传感器的第一测量方向指向所述管材内壁，且和所述旋转中心轴不平行，所述第一测量方向可随所述第一距离传感器的旋转而改变，以便所述第一距离传感器测量和所述管材内壁多个位置点之间的第一距离；
所述第二距离传感器的第二测量方向指向所述管材外壁，且和所述旋转中心轴不平行，所述第二测量方向可随所述第二距离传感器的旋转而改变，以便所述第二距离传感器和所述管材外壁多个位置点之间的第二距离；
所述处理器和所述第一距离传感器以及所述第二距离传感器相连接，根据所述第一距离和所述第二距离获得所述管材管壁的厚度。

2.根据权利要求1所述的管材管壁厚度测量装置，其特征在于，所述第一距离传感器和所述第二距离传感器均为激光传感器；
所述第一距离传感器和所述第二距离传感器在所述旋转支架上相对于所述旋转中心轴的距离可调，所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的测量方向均可调。

3.根据权利要求2所述的管材管壁厚度测量装置，其特征在于，所述第一距离传感器和所述第二距离传感器以及所述旋转中心轴位于同一平面内，且所述第一距离传感器和所述第二距离传感器分别位于所述旋转中心轴两侧。

4.根据权利要求1至3任一项所述的管材管壁厚度测量装置，其特征在于，所述旋转支架上还设置有测量所述第一距离传感器与所述第二距离传感器分别和旋转中心轴之间距离的距离测量装置。

5.一种管材管壁厚度测量方法，其特征在于，采用如权利要求1至4任一项所述的管材管壁厚度测量装置，包括：
预先获得第一距离传感器和第二距离传感器的角度参数以及距离参数，并将待测的管材的固定在固定支架上；其中，所述角度参数包括所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的测量方向分别和旋转中心轴之间的夹角，所述距离参数为所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的分别和所述旋转中心轴之间的距离；
控制旋转支架带动第一距离传感器和第二距离传感器以所述旋转中心轴旋转；
获得所述第一距离传感器旋转时测量的多个第一距离和所述第二距离传感器旋转时测量的多个第二距离；
根据多个所述第一距离、多个所述第二距离、所述角度参数以及所述距离参数，获得所述管材的管壁厚度。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述第一距离传感器测量所述第一距离的步骤包括：
所述旋转支架带动所述第一距离传感器每旋转预设角度，所述第一距离传感器测量一组所述第一距离传感器和管材内壁的第一距离；
所述旋转支架带动所述第二距离传感器每旋转预设角度，所述第一距离传感器测量一
组所述第二距离传感器和管材内壁的第二距离。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述根据所述第一距离和所述第二距
离获得所述管材的管壁厚度包括：
根据每组所述第一距离以及对应的旋转角度，可获得所述管材内径圆的极坐标(d1+ρ
sinα1,θn)，其中，d1为所述第一距离传感器的距离参数，ρn为第n组第一距离，α1为所述第一n
距离传感器的角度参数，θn为第n组第一距离对应的旋转角度；
根据每组所述第二距离以及对应的旋转角度，可获得所述管材外径圆的极坐标(d2-
r n sinα2,θn)，其中，d2为所述第二距离传感器的距离参数，r n为第n组第二距离，α2为所述第
二距离传感器的角度参数，θn为第n组第二距离对应的旋转角度，n为正整数；
根据所述内径圆的极坐标(d1+ρn sinα1,θn)和所述外径圆的极坐标(d2-r n sinα2,θn)，拟
合获得所述管材的内径圆和外径圆；
根据所述内径圆和所述外径圆的半径获得所述管材的管壁厚度。

8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述根据所述第一距离和所述第二距
离获得所述管材的管壁厚度包括：
按照预设条件剔除异常的第一距离和第二距离；
选定最大的第一距离和第二距离以及最小的第一距离和第二距离；
根据公式D1＝(ρmax+ρmin)sinα1+2d1，获得所述管材内壁直径大小；其中，D1为管材内壁直
径，ρmax、ρmin分别为最大和最小的第一距离，α1为所述第一距离传感器的角度参数，d1为所述
第一距离传感器的距离参数；
根据公式D2＝(r max+r min)sinα2-2d2，获得所述管材外壁直径大小；其中，D2为管材外壁直
径，r max、r min分别为最大和最小的第二距离，α2为所述第二距离传感器角度参数，d2为所述第
二距离传感器的距离参数；
根据所述管材内壁直径和所述管材外壁直径获得所述管材管壁厚度。

9.根据权利要求5至8任一项所述的测量方法，其特征在于，所述预先获得第一距离传
感器和第二距离传感器的角度参数以及距离参数包括：
将第一标准管材固定在固定支架上；
控制旋转支架以所述旋转中心轴旋转，通过所述第一距离传感器测量获得相对于所述
第一标准管材内壁最大的和最小的第一距离，通过所述第二距离传感器测量获得相对于所
述第一标准管材外壁最大的和最小的第二距离；
将第二标准管材固定在固定支架上；
控制旋转支架以所述旋转中心轴旋转，通过所述第一距离传感器测量获得相对于所述
第二标准管材内壁最大的和最小的第一距离，通过所述第二距离传感器测量获得相对于所
述第二标准管材外壁最大的和最小的第二距离；
根据所述相对于所述第一标准管材内壁最大的和最小的第一距离、最大的和最小的第
二距离，以及相对于所述第二标准管材内壁最大的和最小的第一距离、最大的和最小的第
二距离，获得所述角度参数和所述距离参数。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，在获得所述管材的管壁厚度之后，还
包括：
判断所述管壁厚度和标准厚度之间的差值是否在预设范围内，若是，则所述管材合格，
输出测量结果。

一种管材管壁厚度测量装置及测量方法
技术领域
[0001]本发明涉及管材质量检测技术领域，特别是涉及一种管材管壁厚度测量装置以及管材管壁厚度测量方法。

背景技术
[0002]在建筑行业中常常需要用到对管材结构的管壁厚度进行测量。

现有采用最广泛的壁厚检测方式是采用自动/人工管口卡口测量的接触式测量方法。

该测量方式主要由固定支架、旋转支架、钳口型卡口和测量传感器组成；由固定支架直接固定管口，安装在旋转支架上的卡口直接对管壁进行夹持，然后旋转支架带动卡口沿着管壁旋转一周，由千分表或其它位置/压力传感器完成实际壁厚测量工作(如公开号CN205607357U的或CN203550860U 实用新型专利，其为卡口的形式之一)。

[0003]而常见的非接触壁厚测量方式有脉冲涡流测量、超声波探测、激光折射的方式。

其中，脉冲涡流以及超声波探测常用于金属材料的厚度探测。

而激光折射方式由光电无机发生装置、反射板、接收器等装置测量计算经过两次折射后的角度变化，从而测量壁厚，但只用于透明或半透明的玻璃等无机材料(如公开号为CN106017340A的发明专利)。

超声波检测方法可用于塑料管的壁厚，但超声波检测方式一方面是需要清洁管道面并施加耦合剂，操作繁琐。

另一方面是超声波检测测量以及读数较慢，检测时间长(超声波检测方法可参考公开号为CN103134449A的失效专利)。

[0004]由此可见，目前对管材进行测量的方式均存在一定的局限性，且测试装置复杂成本高。

发明内容
[0005]本发明的目的是提供一种管材管壁厚度测量装置以及管材管壁厚度测量方法，解决了目前对管材管壁厚度测量存在局限性，且测试成本高的问题。

[0006]为解决上述技术问题，本发明提供一种管材管壁厚度测量装置，包括固定待测量的管材的固定支架，旋转支架，设置在所述旋转支架上的第一距离传感器和第二距离传感器，以及处理器；
[0007]其中，所述旋转支架可带动所述第一距离传感器和所述第二距离传感器绕旋转中心轴旋转，且所述旋转中心轴和所述管材的中心轴平行，所述旋转中心轴和所述管材的中心轴之间的距离小于所述管材内径；
[0008]所述第一距离传感器的第一测量方向指向所述管材内壁，且和所述旋转中心轴不平行，所述第一测量方向可随所述第一距离传感器的旋转而改变，以便所述第一距离传感器测量和所述管材内壁多个位置点之间的第一距离；
[0009]所述第二距离传感器的第二测量方向指向所述管材外壁，且和所述旋转中心轴不平行，所述第二测量方向可随所述第二距离传感器的旋转而改变，以便所述第二距离传感器和所述管材外壁多个位置点之间的第二距离；
[0010]所述处理器和所述第一距离传感器以及所述第二距离传感器相连接，根据所述第一距离和所述第二距离获得所述管材管壁的厚度。

[0011]其中，所述第一距离传感器和所述第二距离传感器均为激光传感器；
[0012]其中，所述第一距离传感器和所述第二距离传感器在所述旋转支架上相对于所述旋转中心轴的距离可调，所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的测量方向均可调。

[0013]其中，所述第一距离传感器和所述第二距离传感器以及所述旋转中心轴位于同一平面内，且所述第一距离传感器和所述第二距离传感器分别位于所述旋转中心轴两侧。

[0014]其中，所述旋转支架上还设置有测量所述第一距离传感器与所述第二距离传感器分别和旋转中心轴之间距离的距离测量装置。

[0015]本发明还提供了一种管材管壁厚度测量方法，采用上任一项所述的管材管壁厚度测量装置，包括：
[0016]预先获得第一距离传感器和第二距离传感器的角度参数以及距离参数，并将待测的管材之间固定在固定支架上；其中，所述角度参数包括所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的测量方向分别和旋转中心轴之间的夹角，所述距离参数为所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的分别和所述旋转中心轴之间的距离；
[0017]控制旋转支架带动第一距离传感器和第二距离传感器以所述旋转中心轴旋转；[0018]获得所述第一距离传感器旋转时测量的多个第一距离和所述第二距离传感器旋转时测量的多个第二距离；
[0019]根据多个所述第一距离和多个所述第二距离、所述角度参数以及所述距离参数获得所述管材的管壁厚度。

[0020]其中，所述第一距离传感器测量所述第一距离的步骤包括：
[0021]所述旋转支架带动所述第一距离传感器每旋转预设角度，所述第一距离传感器测量一组所述第一距离传感器和管材内壁的第一距离；
[0022]所述旋转支架带动所述第二距离传感器每旋转预设角度，所述第一距离传感器测量一组所述第二距离传感器和管材内壁的第二距离。

[0023]其中，所述根据所述第一距离和所述第二距离获得所述管材的管壁厚度包括：[0024]根据每组所述第一距离以及对应的旋转角度，可获得所述管材内径圆的极坐标(d1+ρn sinα1,θn)，其中，d1为所述第一距离传感器的距离参数，ρn为第n组第一距离，α1为所述第一距离传感器的角度参数，θn为第n组第一距离对应的旋转角度；
[0025]根据每组所述第二距离以及对应的旋转角度，可获得所述管材外径圆的极坐标(d2-r n sinα2,θn)，其中，d2为所述第一距离传感器的距离参数，r n为第n组第二距离，α2为所述第二距离传感器的角度参数，θn为第n组第二距离对应的旋转角度，n为正整数；[0026]根据所述内径圆的极坐标(d1+ρn sinα1,θn)和所述外径圆的极坐标(d2-r n sinα2,θn)，拟合获得所述管材的内径圆和外径圆；
[0027]根据所述内径圆和所述外径圆的半径获得所述管材的管壁厚度。

[0028]其中，所述根据所述第一距离和所述第二距离获得所述管材的管壁厚度包括：[0029]按照预设条件剔除异常的第一距离和第二距离；
[0030]选定最大的第一距离和第二距离以及最小的第一距离和第二距离；
[0031]根据公式D1＝(ρmax+ρmin)sinβ1+2d1，获得所述管材内壁直径大小；其中，D1为管材
内壁直径，ρmax、ρmin分别为最大和最小的第一距离，α1为所述第一距离传感器的角度参数，d1为所述第一距离传感器的距离参数；
[0032]根据公式D2＝(r max+r min)sinα2-2d2，获得所述管材外壁直径大小；其中，D2为管材外壁直径，r max、r min分别为最大和最小的第二距离，α2为所述第二距离传感器角度参数，d2为所述第二距离传感器的距离参数；
[0033]根据所述管材内壁直径和所述管材外壁直径获得所述管材管壁厚度。

[0034]其中，所述预先获得第一距离传感器和第二距离传感器的角度参数以及距离参数包括：
[0035]将第一标准管材固定在固定支架上；
[0036]控制旋转支架以所述旋转中心轴旋转，通过所述第一距离传感器测量获得相对于所述第一标准管材内壁最大的和最小的第一距离，通过所述第二距离传感器测量获得相对于所述第一标准管材外壁最大的和最小的第二距离；
[0037]将第二标准管材固定在固定支架上；
[0038]控制旋转支架以所述旋转中心轴旋转，通过所述第一距离传感器测量获得相对于所述第二标准管材内壁最大的和最小的第一距离，通过所述第二距离传感器测量获得相对于所述第二标准管材外壁最大的和最小的第二距离；
[0039]根据所述相对于所述第一标准管材内壁最大的和最小的第一距离、最大的和最小的第二距离，以及相对于所述第二标准管材内壁最大的和最小的第一距离、最大的和最小的第二距离，获得所述角度参数和所述距离参数。

[0040]其中，在获得所述管材的管壁厚度之后，还包括：
[0041]判断所述管壁厚度和标准厚度之间的差值是否在预设范围内，若是，则所述管材合格，输出测量结果。

[0042]本发明所提供的管材管壁厚度测量装置，包括通过旋转支架带动第一距离传感器和第二距离传感器绕旋转中心轴旋转，旋转中心轴和管材的中心轴平行，旋转中心轴和管材的中心轴之间的距离小于管材内径；而第一距离传感器的第一测量方向指向所述管材内壁，且和旋转中心轴不平行，那么第一测量方向可随第一距离传感器的旋转而改变，在第一距离传感器旋转360度时，第一距离传感器即可测量和所述管材内壁一周多个位置点之间的第一距离；该第一距离在垂直于管材的平面的投影既为第一距离传感器在处置于管材方向上和管材内壁一周各点的距离，基于该几何关系，处理器即可根据该第一距离获得管材内壁的内径尺寸。

同理，第二距离传感器的第二测量方向指向所述管材外壁，按照类似的方式即可获得管材外径尺寸，进而获得管材管壁的厚度。

[0043]本发明中的测量装置，在对管材管壁测量时，无需和管材壁相互接触，避免了传感器在旋转过程中由于和管材壁的摩擦带来的测量不准确的问题；且本发明中提供的测量装置，对管材的材料限制更小，可以广泛应用于金属、塑料以及其他不透光材料的管材的测量，具有更大的使用范围；另外，本发明中的测量装置结构简单，易于安装，能够快速准确的测量出管材厚度。

[0044]本发明中还提供了一种管材管壁测量方法，具有上述有益效果。

附图说明
[0045]为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0046]图1为本发明实施例提供的管材管壁厚度测量装置的工作示意图；
[0047]图2为图1中垂直于管材方向的工作示意图；
[0048]图3为本发明实施例提供的一种管材管壁厚度测量方法的流程示意图；
[0049]图4为本发明实施例提供的获得管材管壁厚度的流程示意图；
[0050]图5为本发明实施例提供的获得管材管壁厚度的结构示意图；
[0051]图6为本发明另一具体实施例提供的获得管材管壁厚度的方法的流程示意图；[0052]图7为本发明实施例提供的拟合的管材内径圆和外径圆的示意图；
[0053]图8为本发明实施例提供的获得角度参数和距离参数的流程示意图。

具体实施方式
[0054]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0055]如图1和图2所示，图1为本发明实施例提供的管材管壁厚度测量装置的工作示意图，图2为图1中垂直于管材方向的工作示意图。

该测量装置具体可以包括：
[0056]固定待测量的管材1的固定支架2；旋转支架3，设置在旋转支架3上的第一距离传感器4和第二距离传感器5，以及处理器。

[0057]在实际测量时，如图1和图2所示，旋转支架3可带动第一距离传感器4和第二距离传感器5绕旋转中心轴旋转，且旋转中心轴和管材1的中心轴平行。

也即是第一距离传感器4和第二距离传感器5在垂直于管材1的平面内旋转。

并且旋转中心轴和管材1的中心轴之间的距离小于管材1内壁半径。

[0058]与此同时，第一距离传感器4的第一测量方向指向管材1内壁，且和旋转中心轴不平行，第一测量方向可随第一距离传感器4的旋转而改变，以便第一距离传感器4测量和管材1内壁多个位置点之间的第一距离。

[0059]那么，当旋转支架3带动第一距离传感器4旋转360度时，第一距离传感器4的测距线的轨迹即为一个圆锥面，该圆锥面和管材1内壁的交线即为第一距离传感器4测量管材1内壁的测量位置点，第一距离即为第一距离传感器4和该测量位置点的距离值。

[0060]同理，第二距离传感器5的第二测量方向指向管材1外壁，且和旋转中心轴不平行，第二测量方向可随第二距离传感器5的旋转而改变，第二距离传感器5即可测量获得第二距离传感器5和管材1外壁多个位置点之间的第二距离。

[0061]因为第一距离传感器4和第二距离传感器5的测量方向和旋转中心轴之间的夹角是固定且可测的。

那么该第一距离和第二距离在垂直于管材1的平面的投影长度即可通过计算获得。

在结合第一距离传感器4和第二距离传感器5分别和旋转中心轴之间的距离，即
可获得管材1内外径，最终获得管材1管壁的厚度。

[0062]因此，处理器和第一距离传感器4以及第二距离传感器5相连接，根据第一距离和第二距离获得管材1管壁的厚度。

[0063]处理器和第一距离传感器4和第二距离传感器5相连接，获得第一距离和第二距离的数据，根据预先设定好的计算程序即可获得管材1管壁厚度。

[0064]本实施例中，如图2所示，图2中的两个虚线圆分别表示第一距离传感器4和第二距离传感器5的运动轨迹，由图2可知，无需将第一距离传感4和第二距离传感器5与管材1的管壁相接触，避免了第一距离传感器4和第二距离传感器5在旋转测量时，和管壁之间产生摩擦，使得测量结果不准确的问题。

另外，本实施例中的结构简单，易于操作，能够简单快速的获得管材1的管壁厚度值。

且对管材1的粗细无要求限制。

[0065]可选地，第一距离传感器4和第二距离传感器5均为激光传感器。

[0066]具体地，对于距离传感器而言，主要分为光学传感器(多为激光传感器)、红外传感器以及超声波传感器。

本实施例中采用激光传感器测量的精度最高。

[0067]但是对于激光传感器而言，需要管材管壁能够反射光线，并以此为依据测量距离。

因此本发明中的测量装置，可以测量任何不透光材质的管材，例如金属管材、塑料管材以及陶瓷管材等等，相对于现有技术中的测量方式，具有更大的应用范围。

[0068]需要说明的是，在图1中，第一距离传感器4和第二距离传感器5均是在管材1外部距离管材1端部一段距离进行测量的。

但是，在实际操作过程中，在管材1内径足够大的情况下，第一距离传感器4也可以位于管材1内部测量，而第二距离传感器5可以是环绕管材1外周部旋转测量。

[0069]另外，对于第一距离传感器4和第二距离传感器5分别与旋转中心轴之间的距离应当是可调的，并且第一距离传感器4和第二距离传感器5的测量方向也是可调的，以适应不同的直径的管材1测量。

[0070]可选地，还可以在旋转支架3上还可以进一步地设置距离测量装置。

[0071]具体地，该距离测量装置可以是设置在旋转支架上，并和第一距离传感器以及第二距离传感器可移动方向平行的刻度尺，用于测量第一距离传感器4和第二距离传感器5分别和旋转中心轴之间的距离。

[0072]但是为了进一步方便测量，并直接由设备自动测量数据，可以在旋转支架3的旋转点设置距离传感器，并将该距离传感器和处理器相连接，该距离传感器测量获得第一距离传感器4和第二距离传感器5分别和旋转中心轴之间的距离数据后，即可将该距离数据直接发送给处理器，由处理器后续代入直接运算，无需人工读数，简化操作过程，并减小人工读数带来的误差。

[0073]当然也可以采用其他方式测量旋转中心轴和两个距离传感器之间的距离，对此本发明中并不做具体限定。

[0074]可选地，在本发明的另一具体实施例中，第一距离传感器4和第二距离传感器5以及旋转中心轴位于同一平面内，且第一距离传感器4和第二距离传感器5分别位于旋转中心轴两侧。

[0075]具体地，第一距离传感器4和第二距离传感器5以及旋转支架3上的旋转点可以三点共线。

在旋转支架带动第一距离传感器和第二距离传感器旋转时，两者可相互抵消部分。