專利名稱：通過引入其中的信息來對(duì)金屬物體進(jìn)行跟蹤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的主題為一種用于通過變更材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者內(nèi)應(yīng)力綜合制備標(biāo)記或標(biāo)記系統(tǒng)，以及用于無損讀取這些標(biāo)記或標(biāo)記組的方法。本發(fā)明還提供一種用于標(biāo)記并讀取該標(biāo)記的綜合系統(tǒng)，因此本發(fā)明一方面是一個(gè)工藝方法，另一方面又是一個(gè)設(shè)備系統(tǒng)，依靠高能量密度(HED)的表面處理通過分別變更材料近表層中的組織結(jié)構(gòu)或局部應(yīng)力來產(chǎn)生標(biāo)記。在作業(yè)過程中，信息是通過一個(gè)聚集的射束加到表面上的。該射束的功率密度水平經(jīng)過調(diào)整，能保證至少在表層中材料的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的改變。這種標(biāo)記可以通過對(duì)其磁學(xué)、電學(xué)或聲學(xué)特性的測(cè)量來進(jìn)行無損及無接觸的讀取，而標(biāo)記中所含的信息量(編碼)或標(biāo)記的位置(定域)則可用專門的電子儀器或測(cè)量系統(tǒng)來測(cè)定。
許多領(lǐng)域都使用標(biāo)記或標(biāo)記組，這些標(biāo)記或標(biāo)記組本身帶有信息，或以它們之間的相互關(guān)系帶有信息。例如汽車的序列號(hào)及底盤號(hào)、鈔票的序列及票號(hào)、測(cè)量距離的測(cè)量工具或標(biāo)尺上的長(zhǎng)度標(biāo)記。條形碼是標(biāo)記本身帶有信息的例子，而在用標(biāo)記來測(cè)量長(zhǎng)度的情況下信息便攜帶在標(biāo)記之間的距離上。這些標(biāo)記或是借助于外來物標(biāo)在基質(zhì)材料上來形成，例如油漆、銷子或圓球的位置，或是通過對(duì)載體材料的表面幾何形狀作目視可察的變更，如沖點(diǎn)、刻線等等。這些標(biāo)記通常都是適用的，使用者通過使用它們達(dá)到自己的目的；但是在有些情況下這些標(biāo)記是不適用的，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀妆粋卧臁?br> 發(fā)明的公開在許多情況下重要的一點(diǎn)是，信息不能被容易地讀取，也就是信息應(yīng)該是隱藏起來的。在另一些情況下，由于環(huán)境條件的原因(例如污染、腐蝕)傳統(tǒng)的視覺(光學(xué))讀取是不很可靠的。本發(fā)明的目標(biāo)是開發(fā)一種跟蹤金屬物體用的系統(tǒng)，通過向上述金屬物體引入或緊固一些符號(hào)、標(biāo)記然后讀取它們，并將讀取的信息與被記錄的數(shù)據(jù)作比較。該系統(tǒng)包括一個(gè)按規(guī)定圖樣向物體上施加信息的標(biāo)記裝置、記錄保持裝置以及一個(gè)從被標(biāo)記的物體上讀取信息用的裝置。
本發(fā)明更進(jìn)一步提供關(guān)于施加帶信息標(biāo)記的不同方法的資料，公開了讀取信息的方法及儀器，如在所附權(quán)利要求中限定的那樣。
發(fā)明簡(jiǎn)述通過對(duì)材料的近表層進(jìn)行高能量密度(例如激光)表面處理來制作已知特征的符號(hào)、標(biāo)記或標(biāo)記組。該標(biāo)記上帶有有助于識(shí)別的模擬或數(shù)字信息，被進(jìn)行了編碼(例如用條形碼表示序列號(hào))或測(cè)定其幾何位置(例如長(zhǎng)度測(cè)量中的距離單元)。該標(biāo)記可以是看不見的(例如被油漆覆蓋的，埋入塑料或紙中的，或甚至處于腐蝕表面下的)。該標(biāo)記可以用靜止的或運(yùn)動(dòng)的探頭在具有空氣隙或沒有任何空氣隙的情況下來讀取。該標(biāo)記的編碼信息可以用專門的電子裝置進(jìn)行解碼。所規(guī)定的間距可用專門的測(cè)量?jī)x器來測(cè)定。
本申請(qǐng)?zhí)岢鐾晟频亟鉀Q這些任務(wù)的適用方法，并編制成為系統(tǒng)。
在本申請(qǐng)所述的情況下，信息是由近表層中產(chǎn)生的材料結(jié)構(gòu)的殘余變化并通過其可識(shí)別的磁學(xué)、電學(xué)或聲學(xué)特征的可讀性來提供的。使用可按照掃描方式甚至隔著覆蓋層(油漆、腐蝕層)以無損、不接觸、不破壞或不明顯削弱信號(hào)的方法測(cè)出(讀取)的那種結(jié)構(gòu)變化是適合的。此結(jié)構(gòu)變化對(duì)于不同的材料可以是不同的(例如對(duì)于鋼材，組織結(jié)構(gòu)變化、殘余應(yīng)力變化，因而磁學(xué)結(jié)構(gòu)的變化都是適用的)。
信號(hào)標(biāo)記和讀取的物理學(xué)及構(gòu)造學(xué)原理隨著材料近表層中局部發(fā)生的結(jié)構(gòu)和/或殘余應(yīng)力狀態(tài)的改變，其磁學(xué)、電學(xué)及聲學(xué)性質(zhì)也呈現(xiàn)出相應(yīng)的局部偏離。
隨著在局部區(qū)域加入(或排出)熱能，結(jié)果在所有的固體材料中都可以引發(fā)出(在應(yīng)用條件下是殘留的)局部的材料蠕動(dòng)(塑性變形)及局部的殘余應(yīng)力變化。
如果該固體物質(zhì)可能存在幾種不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)(金相、晶粒、同素異構(gòu)形式)，那么以所需的能量密度進(jìn)行處理便可引發(fā)出各種局部的結(jié)構(gòu)變化。
眾所周知，可磁化材料的磁學(xué)、電學(xué)性質(zhì)如導(dǎo)磁率、矯頑力等取決于材料的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力。
因此，可磁化材料的局部應(yīng)力變化將導(dǎo)致局部的磁學(xué)性質(zhì)變化。
例如，對(duì)于低碳鋼(含碳量約0.1％)，屈服點(diǎn)附近的應(yīng)力狀態(tài)下的Barkhausen噪音(BN)可以達(dá)到無應(yīng)力狀態(tài)下實(shí)測(cè)值的一倍。
在可磁化材料中，局部地改變材料結(jié)構(gòu)(或在不可磁化材料中局部地改變磁性材料的結(jié)構(gòu))將導(dǎo)致局部地改變其磁學(xué)性質(zhì)。
例子對(duì)于含碳量0.2～0.8％的結(jié)構(gòu)鋼，用足夠高的功率密度的激光器進(jìn)行表面加熱處理，由于材料本身快速向內(nèi)傳熱，可以引發(fā)出區(qū)域性的馬氏體轉(zhuǎn)變。同樣條件下形成的馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)測(cè)得的磁性Barkhausen噪音只有基體材料的幾分之一，因此在Barkhausen噪音測(cè)量的基礎(chǔ)上可以容易地探測(cè)到退火區(qū)的幾何位置及尺寸。
例子在奧氏體不銹鋼中，局部性處理的結(jié)果產(chǎn)生了鐵磁性變化，結(jié)果出現(xiàn)清晰的可測(cè)量的磁性Barkhausen噪音值。
由上所述，根據(jù)磁學(xué)性質(zhì)的測(cè)量便可得出關(guān)于應(yīng)力狀態(tài)及其變化的推斷性結(jié)論，在此基礎(chǔ)上可以確定所作處理的位置及確鑿特征。
對(duì)于導(dǎo)電材料，以足夠的功率密度進(jìn)行處理，所得到的局部性材料結(jié)構(gòu)變化將引起局部性的電導(dǎo)率變化，因而可以確定所作處理的位置及確鑿特征。
組織結(jié)構(gòu)及機(jī)械應(yīng)力的變化會(huì)導(dǎo)致聲學(xué)特征的變化(音速下降)。
標(biāo)記的制作(在原料、半成品及成品上)標(biāo)記可以采用有特色的高能量密度(HED)工藝來制作。這包括使用激光、等離子體、離子、電子及聚焦光束(取決于所要求的幾何特征及材料)，但是任何其他方法，只要其功率密度能形成強(qiáng)烈的加熱或冷卻而能造成局部結(jié)構(gòu)變化的，都可以考慮。
附圖簡(jiǎn)要說明結(jié)合附圖及幾個(gè)非限制性的實(shí)例，將更詳細(xì)地公開本發(fā)明及其進(jìn)一步的特征、優(yōu)點(diǎn)、實(shí)施例及手段。附圖中


圖1所示為用激光束來制作標(biāo)記，通過一聚焦的激光束在工件的表面上運(yùn)動(dòng)使其發(fā)生溫度變化，此溫度變化足以造成局部的結(jié)構(gòu)變化(材料結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力)。
圖2表示一組可能的標(biāo)記的示意性結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)橢圓圍繞在一組標(biāo)注極限應(yīng)力峰(有可能使結(jié)構(gòu)破壞的應(yīng)力)位置的標(biāo)記周圍形成。
圖3表示通過Barkhausen噪音測(cè)量對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的構(gòu)件涂漆表面上的標(biāo)記進(jìn)行讀取時(shí)，可能采取的測(cè)量方案。
圖4表示檢測(cè)通量(例如測(cè)量磁性Barkhausen噪音)用的感應(yīng)探頭的可能構(gòu)造方案。
圖5表示一由可作用兩個(gè)獨(dú)立的測(cè)量通道來讀取的調(diào)整條及數(shù)據(jù)條組成的桿條系統(tǒng)，而且圖中的信號(hào)分布為從整理過的信號(hào)產(chǎn)生的。
圖6表示鐵路軌道鋼軌中可能采用的距離測(cè)量方案。
圖7所示為借助于超聲波，對(duì)組織結(jié)構(gòu)修改所制成的標(biāo)記進(jìn)行識(shí)別及測(cè)定。
圖8表示以按半徑方向放置的調(diào)整條及數(shù)據(jù)條制成的一組標(biāo)記，及適于對(duì)該標(biāo)記進(jìn)行讀取的回轉(zhuǎn)式磁頭偶。
圖9表示雜散通量測(cè)量的方框圖。
圖10表示一雜散通量測(cè)量的特征測(cè)量參數(shù)簡(jiǎn)圖。
圖11表示由標(biāo)記上形成的通量密度在圖9所示測(cè)量裝置的探頭上引起的感應(yīng)電壓簡(jiǎn)圖。
圖12表示當(dāng)探頭的氣隙寬度與標(biāo)記寬度為可比量時(shí)，三個(gè)不同距離的標(biāo)記在圖9所示測(cè)量裝置的探頭上引起的感應(yīng)電壓簡(jiǎn)圖。
優(yōu)選實(shí)施例詳述在對(duì)發(fā)明進(jìn)行描述的過程中給出了幾個(gè)實(shí)例，這些實(shí)例的給出是建立在本發(fā)明基礎(chǔ)上的，并考慮到相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人員對(duì)這些實(shí)例的理解將能把發(fā)明付諸實(shí)際應(yīng)用。
高能量密度的熱傳送系統(tǒng)可以有利地用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例。這里包括用合適的元件有選擇地定向并聚焦而具有嚴(yán)格尺寸的各種射線束，特別是光束，這種光束通常以熱處理方式用在冶金作業(yè)(切割、冶煉、退火)中。熱傳送也可以以排出熱量、局部冷卻的方法來實(shí)施，例如通過建起一個(gè)熱橋或?qū)⒗鋮s介質(zhì)的密集射流射到表面上。高能量密度作業(yè)工藝的功率密度(P)及有效直徑(d)的特征數(shù)據(jù)為激光P＝103～108W/mm2，d＝10-3～100mm；電子束P＝103～107W/mm2，d＝10-3～100mm；等離子電弧P＝103～104W/mm2，d＝100～101mm.
在高能量密度(例如激光)表面處理的情況下，聚焦了的高能量密度射束到達(dá)材料表面的結(jié)果，使其獲得熱量而以約107K/s的速率達(dá)到作為材料特征的相變溫度(取決于表面處理的類型，有的甚至可以熔化)。由于射束與待處理工件之間存在如圖1中箭頭303所示的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故相對(duì)于工件上的一個(gè)點(diǎn)來說，熱量輸入在快速升溫之后便停止了。由于溫升是作用在一個(gè)與聚焦射束101的大小等比量的很小的體積內(nèi)的，所以熱量輸入終止之后，周圍的大體積基體材料立刻從處理部位上取走熱量，造成一個(gè)與加熱速率幾乎等同的冷卻速率。結(jié)晶材料有一個(gè)特性，當(dāng)它從高于其相變溫度的溫度上冷卻時(shí)它的組織結(jié)構(gòu)要發(fā)生變化，這就引起其晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的變化。
在點(diǎn)狀加熱的情況下，工件的未加熱部分可看成為半無限空間，在這個(gè)半空間的所有方向上排出的熱量相同。因此作為標(biāo)記102的退火區(qū)域，其橫截面理論上是半圓形的。按照規(guī)定位置置位的多個(gè)標(biāo)記102稱之為標(biāo)記群201(圖2)。
由退火區(qū)所造成的局部?jī)?nèi)應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)該用適當(dāng)?shù)难b置保護(hù)起來，以防應(yīng)力的衰變或削弱，同時(shí)結(jié)構(gòu)也須進(jìn)行保護(hù)，以防止退火區(qū)所可能造成的應(yīng)力集中為害。一種解決方法是將標(biāo)記102或標(biāo)記群201從應(yīng)力觀點(diǎn)上與外界劃清界限，具體做法是將其放在退了火的應(yīng)力分界封閉曲線202內(nèi)。圖2中圍繞在標(biāo)記群201周圍的橢圓是這種解決方法的范例。
用激光束(或其他工具如電子束)標(biāo)記，所采用的工藝數(shù)據(jù)與許多參量有關(guān)。通常這些數(shù)據(jù)需根據(jù)使用情況通過預(yù)先的工藝試驗(yàn)來確定。
激光表面處理的作用大小很大程度上受表面對(duì)射束的吸收能力及激光波長(zhǎng)的影響。處理所使用的激光波長(zhǎng)可從供選購(gòu)的產(chǎn)品集(available selection)中選擇。當(dāng)波長(zhǎng)給定以后，增加吸收作用，則用相同功率的激光可使更大體積的材料轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)；反之，標(biāo)記相同深度的標(biāo)記只需較小功率的激光。
例如激光工藝數(shù)據(jù)(射束功率、照射光斑尺寸、射束相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等)受材料性質(zhì)、質(zhì)量(成分、表面粗糙度、對(duì)射束的吸收能力等)及激光束性質(zhì)(波長(zhǎng)、模式結(jié)構(gòu)等)的影響。根據(jù)標(biāo)記制備的實(shí)際情況可判定將會(huì)出現(xiàn)的變化類型(例如僅僅是組織結(jié)構(gòu)變化還是熔化，或是否會(huì)由于處理而發(fā)生殘余應(yīng)力變化)。標(biāo)記的耐用時(shí)間取決于標(biāo)記的制備方法(例如部分殘余應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間而衰減)。
為了提高可靠性，標(biāo)記垂直于線條方向的橫截面應(yīng)該盡可能地類似于半圓形。
例如標(biāo)記的形狀(深度)-從抗腐蝕觀點(diǎn)來看(對(duì)鐵路鋼軌)，標(biāo)記應(yīng)該安置得盡可能地深，標(biāo)記群的距離必須按已知溫度(例如20℃)下給定的距離(例如840mm)來構(gòu)成。
-當(dāng)標(biāo)記是用于給汽車車身簿鋼板編號(hào)時(shí)，標(biāo)記必須是耐久的，但須用不破壞表面質(zhì)量的方法來制備，而且應(yīng)該在加工的預(yù)備階段里制備，這樣便可在隨后的加工階段中、生產(chǎn)管理中、材料轉(zhuǎn)運(yùn)或質(zhì)量保證中使用這些標(biāo)記。標(biāo)記施加位置的確定要看標(biāo)記是在生產(chǎn)過程的哪一步中標(biāo)入的如果在冷沖壓之前標(biāo)入，則要標(biāo)在后續(xù)工序較少施加應(yīng)力的平板上；如果是在冷沖壓之后標(biāo)入，則要標(biāo)在構(gòu)件較少承受載荷的地方(零應(yīng)力區(qū))。
在材料的制造過程中制備標(biāo)記標(biāo)記不但可在載體材料制成以后制備，也可在載體材料制造過程中制備。這時(shí)標(biāo)記的制備不是通過局部的能量輸入，而是用相應(yīng)的局部能量排出，亦即局部冷卻方法(例如用液體射流噴射)。
例如在鑄造的時(shí)候增加排熱量的結(jié)果，球狀石墨構(gòu)造便會(huì)發(fā)展而替代片狀石墨構(gòu)造。局部排熱可以通過在與鑄造產(chǎn)品適當(dāng)位置(例如在所謂突出部上)對(duì)應(yīng)的鑄模內(nèi)建立熱橋(heat bridges)的方法來達(dá)到。
雖然存在一定的局限性，在熱軋的時(shí)候也有可能應(yīng)用選擇性排熱法在輥壓產(chǎn)品上標(biāo)記。
在用快速冷卻方法來生產(chǎn)金屬—玻璃帶材的時(shí)候，將冷卻筒制成由不同傳熱性能的幾段組成，因而具有可選擇的不同的冷卻性能。
通過使用引入待標(biāo)記材料中的標(biāo)記載體材料來制備標(biāo)記工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中使用復(fù)合材料。對(duì)于這種材料，其中的所有或大部分組分對(duì)本申請(qǐng)的標(biāo)記和讀取系統(tǒng)都將是不可能應(yīng)用或難于應(yīng)用的，但是復(fù)合材料有可能包含某個(gè)可以應(yīng)用本方法的組分(例如某類型的增強(qiáng)纖維)。標(biāo)記可以在這種適用組分引入復(fù)合材料之前制備，或在某些情況下可在引入之后再制備。這種材料的例子如金屬絲增強(qiáng)塑料、金屬絲增強(qiáng)紡織品、金屬絲紙。如有必要，也可在復(fù)合材料中故意加入一種適于標(biāo)記的組分(例如帶有適于標(biāo)記的金屬絲的紙幣)。
按照同樣原理，此方法也可用于生物材料。
從標(biāo)記制備標(biāo)記群根據(jù)使用情況的不同，可以通過不同的途徑來將標(biāo)記102排列成標(biāo)記群201。
使用所謂調(diào)整條503(見圖5)來減輕被存儲(chǔ)信息讀取的困難。該調(diào)整條503保證在手工移動(dòng)探頭的情況下，不會(huì)由于探頭運(yùn)動(dòng)速度的不穩(wěn)定而導(dǎo)致誤讀，即信號(hào)丟失。
圖5表示它的一個(gè)可能的實(shí)施例。
圖5所示的桿條系統(tǒng)由調(diào)整條與數(shù)據(jù)條組成，與兩個(gè)獨(dú)立的測(cè)量通道一起使用。標(biāo)記102以與數(shù)據(jù)條504相一致的間隔排列來組成調(diào)整條503，并由第一探頭501來測(cè)量，數(shù)據(jù)條504由第二探頭502來測(cè)量。圖5中的電壓分布505乃是將探頭501及502上所感應(yīng)的電壓相加而得到的。在此基礎(chǔ)上，原始信息的重建電平在圖5中表示為506-調(diào)整條及數(shù)據(jù)條都不存在，507-探頭在兩調(diào)整條之間，508-探頭在調(diào)整條上，509-探頭在兩條數(shù)據(jù)條及調(diào)整條之間，510-探頭在數(shù)據(jù)條及調(diào)整條上。
數(shù)據(jù)條的存在與否(YES/NO，1/0)可在調(diào)整條上測(cè)得信號(hào)的基礎(chǔ)上來判定，如果調(diào)整條存在而數(shù)據(jù)條不存在則信息為0，若調(diào)整條存在數(shù)據(jù)條也存在則信息為1。
為了實(shí)施一維幾何測(cè)量(沿一條直線)，可以使用由兩條或更多條按與待測(cè)距離602垂直的方向伸展的標(biāo)記102組成的標(biāo)記群201。
對(duì)于傳統(tǒng)的條碼系統(tǒng)，標(biāo)記群201的尋找及讀取是與方向有關(guān)的，如果桿條所伸展的方向與位移方向之間所夾的角度與90度不一致，則標(biāo)記的易讀性由于角度誤差而變壞。
如圖8所示，如果將標(biāo)記102如一些徑向條圍繞一個(gè)中心間隔以預(yù)定的角度來排列，并以回轉(zhuǎn)探頭來讀??；那么不管探頭從哪個(gè)方向接近標(biāo)記群201，只要感受到它的任何一個(gè)要素，便可保證適當(dāng)?shù)膶?duì)準(zhǔn)。而在感受到所有的標(biāo)記之后，只要使調(diào)整條503之間的間隔都相等，便保證了對(duì)準(zhǔn)中心的幾何測(cè)量條件，此時(shí)便可讀取被編碼的信息。
為了實(shí)施平面的多維測(cè)量，可以使用包含至少兩個(gè)標(biāo)記102的標(biāo)記群201。圖8所示為一優(yōu)選的配置方案。
此時(shí)標(biāo)記的讀取不是依靠沿直線運(yùn)動(dòng)的探頭而是由回轉(zhuǎn)探頭進(jìn)行，而且如圖8所示排列的標(biāo)記群，可用在予定回轉(zhuǎn)半徑上運(yùn)動(dòng)的探頭501及502來讀取。根據(jù)兩個(gè)探頭所測(cè)得的電壓之和所進(jìn)行的信息重建，與上面關(guān)于圖5的敘述相同。用按較大半徑回轉(zhuǎn)并幫助與調(diào)整條相交的測(cè)量探頭501來接近標(biāo)記群并幫助與標(biāo)記群對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)中心是否準(zhǔn)確，可以調(diào)整條所產(chǎn)生的信號(hào)周期是否均勻來鑒定。探頭502用來讀取位于調(diào)整條里邊的數(shù)據(jù)條上的信息。
標(biāo)記群201上測(cè)得的物理特征在相對(duì)位移303的作用下將給出一個(gè)電壓?？梢砸栽撾妷捍嬖谂c否或是該電壓的某一個(gè)特征值，例如峰值點(diǎn)或拐點(diǎn)的隨后位置(sequent position)，存在與否來給標(biāo)記102賦值；或是對(duì)處于半值位置的那些點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的值，取其算術(shù)平均值作為標(biāo)記群的測(cè)量結(jié)果。
標(biāo)志(標(biāo)志及標(biāo)記)的讀取原理所有適于對(duì)結(jié)構(gòu)變化的位置及大小進(jìn)行測(cè)定的方法都可考慮用來對(duì)標(biāo)記進(jìn)行讀取。從實(shí)踐觀點(diǎn)來看，則可采用適于進(jìn)行快速掃描讀取的方法。這些方法基本上分別以測(cè)量磁學(xué)、電學(xué)及聲學(xué)性能的變化為基礎(chǔ)進(jìn)行運(yùn)作。
最常用的有Barkhausen噪音、雜散磁通量、渦流電流、超聲等測(cè)量方法。
這些方法的共同特征為它們適于以不接觸的掃描方式來指示局部區(qū)域的磁性、導(dǎo)電性或聲學(xué)性質(zhì)的變化。
在使用這些方法的之前，已經(jīng)用前面講過的標(biāo)記技術(shù)在規(guī)定的位置上按規(guī)定的幾何關(guān)系預(yù)制了一些結(jié)構(gòu)變化。這些結(jié)構(gòu)變化相應(yīng)地造成了一些磁、電及聲學(xué)性能的變化，可以借助于上面列出的方法來測(cè)定，從而有可能來確定這些標(biāo)記的位置、幾何關(guān)系及它們所含的信息(甚至對(duì)于光學(xué)上不可見的標(biāo)記，通過測(cè)量也可使其再現(xiàn))。
用超聲方法識(shí)別金屬材料結(jié)構(gòu)變化的位置及大小的測(cè)量方案圖7表示超聲波從組織結(jié)構(gòu)變化所形成的標(biāo)記102的界面上反射的情況，而且基體材料103是適于對(duì)標(biāo)記進(jìn)行辨識(shí)及確定的。
超聲波702也適于指示局部結(jié)構(gòu)變化(界面、邊界)。組織結(jié)構(gòu)變化所形成的標(biāo)記102和基體材料103之間存在一個(gè)界面，從該界面反射出來的超聲波702可以從邊界回聲或來自任何其他反射表面的回聲中分離出來。因此，用超聲波發(fā)生頭及檢測(cè)頭701，根據(jù)聲程的不同便可測(cè)定響應(yīng)信號(hào)703，因而能夠識(shí)別出標(biāo)記102并確定其位置。
用無接觸的Barkhausen噪音測(cè)量方法辨識(shí)磁性材料的結(jié)構(gòu)變化及近表層內(nèi)應(yīng)力變化的位置及大小的測(cè)量方案眾所周知，當(dāng)磁性材料的磁極性改變符號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生所謂磁性Barkhausen噪音，該噪音的一些性質(zhì)(例如噪音的均方根值)取決于被檢測(cè)材料的結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)(Pashley，R.L.“Barkhausen effect-anindication of stress”，Materials Evaluation，vol.28，No.7，pp.157～161，1970)。
眾所周知，激光退火引發(fā)出來的殘余應(yīng)力變化及材料結(jié)構(gòu)變化可以通過Barkhausen噪音測(cè)量來檢測(cè)(Altpeter I.，Meyendorf N.“Microscopic techniques for non-destructive characterization ofmaterials structures and measurement of local residual stresses withhigh resolution”，Proc.of 6th ECNDT Nice，Tome 1，pp.531～535，1994)。
眾所周知，磁性Barkhausen噪音測(cè)量可以以靜態(tài)的及對(duì)表面進(jìn)行掃描兩種模式來實(shí)施(Titto S.I.“Barkhausen noise Method forStress and Detecting in hard steel”，美國(guó)專利No.4,634,976，1987.1.6)。
眾所周知，進(jìn)行磁性Barkhausen噪音測(cè)量時(shí)，測(cè)頭無須與被測(cè)材料直接接觸，測(cè)量結(jié)果可以用測(cè)頭與材料表面之間的距離來進(jìn)行修正。如果測(cè)量是在一個(gè)特定的氣隙厚度下進(jìn)行的，則所得結(jié)果與氣隙的尺寸無關(guān)(METALELKTROKftSTRESSTEST 20.04 User Guide，1995)。
因此，本申請(qǐng)中用激光表面處理方法制作的標(biāo)記可以用磁性Barkhausen噪音測(cè)頭無接觸地讀取(圖3)。
在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，Barkhausen噪音測(cè)頭可以直接加到或通過一個(gè)氣隙或漆層加到目的物302上，該目的物上的標(biāo)記304帶有信息。測(cè)頭301可以按箭頭303所示的方向作相對(duì)于標(biāo)記304的移動(dòng)，在條形標(biāo)記的情況下就是按與桿條正交的方向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
磁性Barkhausen噪音測(cè)量市場(chǎng)上有磁性Barkhausen噪音測(cè)量?jī)x器出售(例如美國(guó)AST公司的 STRESSCAN型或METALELEKTRO匈牙利公司的STRESSTEST型)。
測(cè)量的原理為對(duì)材料作用一個(gè)頻率為10～100Hz的磁極性改變的正弦波交變激勵(lì)磁場(chǎng)，來激發(fā)起高頻電磁響應(yīng)信號(hào)的發(fā)射。響應(yīng)信號(hào)通常用一個(gè)測(cè)量線圈來檢測(cè)，信號(hào)典型地在幾百Hz到幾百kHz的頻帶內(nèi)交變。
適用于Barkhausen噪音測(cè)量的器件的構(gòu)造可在先前的專利(WO96/35974)中找到。
適于該任務(wù)的檢測(cè)器的構(gòu)造導(dǎo)磁鐵心402在朝向待檢測(cè)的基體材料103的一邊是開口的。部分磁通量線離開通量導(dǎo)體通過待測(cè)材料而封閉起來。待測(cè)材料被磁通量線通過的那一部分表面稱為檢測(cè)器的視野。視野的尺寸分別與通量導(dǎo)體的寬度、通量導(dǎo)體中的間隙寬度成正比，并與探頭和待測(cè)材料間的距離及待測(cè)材料和通量導(dǎo)體的磁學(xué)性能有關(guān)。
圖4表示幾種探頭的構(gòu)造探頭由鐵心402及位于鐵心402上的線圈401組成，可能的方案如下403-使用磁帶錄音頭鐵氧體芯子的探頭，404-使用開槽圓環(huán)鐵氧體芯子的探頭，405-使用磁帶錄音頭的一半的鐵氧體芯子的探頭，406-使用U形鐵氧體芯子的探頭。鐵心的材料為高頻、低Barkhausen噪音、軟磁性鐵氧體，例如鐵粉芯或毫微—結(jié)晶材料。
用檢測(cè)器來測(cè)定單獨(dú)的一條退火標(biāo)記上的磁性Barkhausen噪音相對(duì)于標(biāo)記位置及大小的分布，該分布的測(cè)量精度與檢測(cè)器視野的特征尺寸和標(biāo)記的特征尺寸二者之比有關(guān)，亦即與檢測(cè)器視野的特征尺寸和標(biāo)記上測(cè)到的磁性Barkhausen噪音特征位置分布二者之比有關(guān)。檢測(cè)器視野的特征尺寸不可能無限地減小，這是因?yàn)闄z測(cè)器的視距，亦即檢測(cè)器仍能看到材料時(shí)的氣隙厚度與視野中的較小尺寸是同一數(shù)量級(jí)的。
通量導(dǎo)體鐵心402中的間隙的典型尺寸為零點(diǎn)幾毫米，鐵心的寬度為幾毫米。
激勵(lì)方向選擇以專利WO96/35497所述作為基礎(chǔ)來選擇激勵(lì)方向；所不同的是以激光退火方法制作的桿條其周圍應(yīng)力狀態(tài)的特征為，其主應(yīng)力方向與桿條的兩個(gè)幾何方向一致。因此在實(shí)踐中，激勵(lì)方向選為與退火桿條平行。
激勵(lì)水平的優(yōu)化激勵(lì)水平的優(yōu)化按專利WO 96/35947進(jìn)行，所不同的是取材料的幾個(gè)規(guī)定點(diǎn)(包括基體材料及退火桿條)上的測(cè)量結(jié)果的平均值作為該材料的優(yōu)化激勵(lì)水平。
掃描速度根據(jù)極性改變頻率來確定已知Barkhausen噪音測(cè)頭的掃描速度范圍[3]用無接觸的雜散通量測(cè)量方法識(shí)別磁性材料的結(jié)構(gòu)變化及近表層內(nèi)應(yīng)力變化的位置及大小的測(cè)量方案眾所周知，經(jīng)激光束處理而成的桿條其相對(duì)導(dǎo)磁率及磁化曲線是不同于基體材料的。
進(jìn)一步還知道，在激光束處理?xiàng)U條的邊緣上，由于磁偏和/或殘余磁化而形成的磁通量分布可以用一個(gè)磁性探頭來檢測(cè)并定位。這種探頭的作用原理可以是磁感應(yīng)(線圈)、霍爾效應(yīng)、磁阻變化、磁芯諧振。
用磁感應(yīng)原理測(cè)量雜散磁通量的方法來讀取標(biāo)記眾所周知，線圈所環(huán)繞的磁通量隨時(shí)間的變化可以在線圈上感應(yīng)產(chǎn)生電壓。該電壓的大小與通量變化速率及線圈的匝數(shù)成正比。
帶有鐵心的感應(yīng)線圈更適于檢測(cè)雜散磁通量。檢測(cè)表面由鐵心的形狀及氣隙的寬度來確定。
進(jìn)行感應(yīng)檢測(cè)時(shí)所需的磁通量隨時(shí)間的變化可由線圈或被測(cè)體積作圓環(huán)形運(yùn)動(dòng)、連續(xù)的直線運(yùn)動(dòng)或通過磁場(chǎng)連續(xù)地隨時(shí)間而變化來產(chǎn)生。
圖9所示為一可能的測(cè)試方案筒圖。
用一個(gè)帶鐵心的螺旋線圈902來使試樣103磁化，線圈902可以與激勵(lì)單元901相連而以直流或交流電壓來勵(lì)磁；但也可以用一個(gè)磁性物體來替代螺旋線圈。當(dāng)沿著箭頭303作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)便可用一個(gè)帶開口鐵心的探頭406來檢測(cè)信號(hào)。
接受到的信號(hào)102通過一系列的具有合適選定參數(shù)的放大器903、905以及濾波器904后，再通過一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換裝置906而數(shù)字化，該數(shù)字值隨后被所連接的個(gè)人計(jì)算機(jī)采集并測(cè)定。
探頭中感應(yīng)信號(hào)的生成在測(cè)量過程中引起磁化的勵(lì)磁線圈902與探頭406之間的距離恒定。因此在均勻而相對(duì)靜止的磁場(chǎng)中，探頭產(chǎn)生一個(gè)常值的感應(yīng)電壓。從磁學(xué)方面看，試樣相對(duì)于探頭所作的運(yùn)動(dòng)303使基體材料103上所有的點(diǎn)都同樣的磁化及去磁，因此磁場(chǎng)是相對(duì)地均勻而且各向同性的，并且這種均勻性在所存在的磁通分布1101中沒有發(fā)生變化，所以在探頭406上所感應(yīng)的電壓是恒定的。
由于試樣中的退火桿條的磁學(xué)(或電學(xué))性質(zhì)與基體材料不同，因此試樣具有不均勻的磁學(xué)(或電學(xué))性質(zhì)，這種不均勻的磁(或電)性質(zhì)會(huì)改變磁場(chǎng)(磁通量1101)。如此產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化在探頭406內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電壓。
在具有不同磁性的材料組成的物體中，探頭406所感應(yīng)的信號(hào)也包括由兩種不同性質(zhì)材料的邊界處產(chǎn)生的磁通量變化1101引起的作用。
對(duì)檢測(cè)信號(hào)有影響的參數(shù)可通過一系列與所給定任務(wù)相應(yīng)的測(cè)試來優(yōu)化。圖10示范了這一測(cè)試，圖中標(biāo)號(hào)所指的是103-基體材料，102-標(biāo)記，1004-標(biāo)記的寬度，1006-探頭406的氣隙寬度，1005-探頭到基體材料103表面的距離，1002-勵(lì)磁線圈902到基體材料103表面的距離，1007-激勵(lì)電流強(qiáng)度，1003-勵(lì)磁線圈902到探頭406的距離，303-相對(duì)位移速度。
探頭所感應(yīng)的電壓取決于基體材料及激光退火桿條、激光退火桿條寬度(1004)、探頭的氣隙寬度(1006)、探頭到試樣表面的距離(1005)、勵(lì)磁線圈到試樣表面的距離(1002)、激勵(lì)電流強(qiáng)度(1007)、勵(lì)磁線圈到探頭的距離(1003)、相對(duì)速度的大小(303)。這些參數(shù)設(shè)定好后，信噪比可以達(dá)到7。
在上述參數(shù)情況下，如果具有不同性質(zhì)的桿條的寬度比檢測(cè)器視野大一個(gè)數(shù)量級(jí)，則可測(cè)到如圖11所示的曲線；如果檢測(cè)器的視野與桿條寬度是同比量的，則在一或二條桿條上生成的信號(hào)形狀如圖12所示。
本發(fā)明的幾個(gè)具有特征的應(yīng)用
1.用于汽車序號(hào)的不可見標(biāo)記及快速無損地讀取標(biāo)記直到現(xiàn)在，汽車的序號(hào)(發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)、底盤號(hào)等)通常都是由制造者用機(jī)械方法施加的，例如采用蓋章、鉚上一塊號(hào)碼牌，有時(shí)用涂漆方法。近來，有用激光加上可讀的數(shù)字，或是在隱蔽而難以接近的地方用激光打上一系列的孔作為標(biāo)記。這些標(biāo)記的基本特征是可以用視覺來讀取。有些制造者還引入了電子編碼。
搜集到的偷竊行為的經(jīng)驗(yàn)表明，以上這些標(biāo)志、標(biāo)記都能以最小的代價(jià)輕易地加以改寫，而改寫的標(biāo)記可能與原標(biāo)記視覺混淆(雖然存在核實(shí)原標(biāo)記的方法)。
其它可以使用的方法還有，例如較易被置換的條形碼粘貼物，在強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)被破壞、丟失或在某些情況下可被改寫的磁性標(biāo)記。
本發(fā)明的方法較其它已知方法更可靠。標(biāo)記系統(tǒng)通過適當(dāng)?shù)馗牟牧系慕Y(jié)構(gòu)或內(nèi)應(yīng)力來產(chǎn)生并儲(chǔ)存信息，因而沒有用視覺來讀取標(biāo)記的必要性。但是有些材料由于會(huì)局部地改變顏色因而標(biāo)記是可視的。由于讀取探頭可以通過空氣隙甚至通過漆層來感受標(biāo)記所包含的信息，故標(biāo)記可以以無損的方式讀取。然而在這種情況下標(biāo)記的位置還應(yīng)該是已知的，以將測(cè)試時(shí)間控制在合理的水平上。
在產(chǎn)品制造過程中，在產(chǎn)品上任意選定的習(xí)慣部位上(或甚至在底盤的所有部件上)用激光束施加由條形碼標(biāo)記(標(biāo)記群)組成的順序標(biāo)記，該條形碼不必是肉眼可見的。以激光束工藝制成的標(biāo)記(桿條)的深度根據(jù)具體目的選定，一般約為零點(diǎn)幾毫米。這種標(biāo)記的施加不比傳統(tǒng)方法(如蓋數(shù)字印章)更昂貴，而且由于激光標(biāo)記工藝可以容易地插入到生產(chǎn)線中，還能給質(zhì)量控制帶來好處，所以不會(huì)給已經(jīng)成熟運(yùn)行的生產(chǎn)環(huán)境帶來問題。標(biāo)記還可攜帶臨時(shí)的生產(chǎn)信息，底盤及部件的數(shù)字標(biāo)記被計(jì)算機(jī)捕捉后，便對(duì)計(jì)算機(jī)集成制造(CIM)系統(tǒng)提供邦助，因而同時(shí)可以提高生產(chǎn)管理效果。
根據(jù)用冷標(biāo)方法制得的底盤零件的編號(hào)，可以編纂出每輛汽車的零件清單并加以保存，而且隨后的零件更換便可在買賣雙方的監(jiān)督下進(jìn)行。這套系統(tǒng)也可作為裝配管理的基礎(chǔ)。
對(duì)于含碳量0.1％的軋制不銹鋼深沖簿鋼板，標(biāo)記的制作推薦采用類似于TEM00模式結(jié)構(gòu)的二氧化碳激光器，散焦2～3毫米亦即亮點(diǎn)的直徑選擇為2～3毫米(焦點(diǎn)落入材料內(nèi)部)，激光功率P＝300～400W，掃描速度約33～50毫米/秒。掃描速度的減少、激光功率的增加、材料吸收能力的增加，相應(yīng)地都使結(jié)構(gòu)更改的深度增加，同時(shí)也出現(xiàn)材料表層熔化的危險(xiǎn)性。雖然聚焦直徑的減少會(huì)使處理的概率深度減小，但減小聚焦光斑直徑而同時(shí)維持功率水平不變，則將對(duì)結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生同樣的效果。
所用的器件可以是半導(dǎo)體激光器或其它輻射出密集光線的器件。
使用可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行調(diào)控的激光束對(duì)材料進(jìn)行局部“退火”，造成一條寬度約1毫米深度零點(diǎn)幾毫米(0.4～0.5mm)的局部的結(jié)構(gòu)變化或殘余內(nèi)應(yīng)力變化，從而制成標(biāo)記。這樣制成的標(biāo)記易于用無損方法讀取。讀取器件適于用掃描方式通過一個(gè)很小的氣隙來讀取漆層或腐蝕表面下標(biāo)記所攜帶的信息。
標(biāo)記的讀取可以使用比較簡(jiǎn)單的器件來實(shí)施，例如采用具有小氣隙的Barkhausen噪音讀出器，或回轉(zhuǎn)式雜散通量檢測(cè)器以掃描模式進(jìn)行測(cè)量?？梢詫⒋判訠arkhausen噪音或雜散通量讀取探頭裝在輕巧的可移動(dòng)的支架上或甚至手動(dòng)的進(jìn)行掃描。因?yàn)樗褂玫钠骷芎?jiǎn)單，這就使其可在公路上、或越境點(diǎn)進(jìn)行快速而可靠的檢測(cè)。讀取器件操作簡(jiǎn)單，且可以相對(duì)較低的花費(fèi)制成流動(dòng)的式樣。
實(shí)例基于磁性Barkhausen噪音原理進(jìn)行測(cè)量，所選參數(shù)如下基體材料含碳量0.1％的鋼材退火條組織馬氏體的體積比率20％退火條寬度圖10中的1004＝0.8mm勵(lì)磁1kHz正弦波磁場(chǎng)強(qiáng)度0.4kA/m探頭匝數(shù)300匝信號(hào)濾波32kHz～250kHz信號(hào)放大104
A/D轉(zhuǎn)換12bit測(cè)量探頭速度0.005m/s信噪比6.5實(shí)例基于雜散通量測(cè)量原理，所選參數(shù)按圖10符號(hào)為基體材料含碳量0.1％的鋼材退火條組織馬氏體的體積比率20％探頭氣隙寬度1006＝0.4mm探頭到試樣表面的距離1005＝0.8mm勵(lì)磁線圈到試樣表面的距離1002＝8.0mm激勵(lì)電流強(qiáng)度1007＝0.35A(0.2kA/m)勵(lì)磁線圈到探頭的距離1003＝7mm相對(duì)速度303＝20m/s信噪比5.0在生產(chǎn)線中，所有可以(應(yīng)該)作標(biāo)記的部件如底盤、乘客艙、箱包艙、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車門等，可以分別地施加標(biāo)記。此方法不但可以用來施加標(biāo)記，而且因?yàn)槠嚨母鞣N部件能夠互相配成一套，所以還能實(shí)施質(zhì)量證明。若想要將標(biāo)記消除(刪除或涂改)就必須將構(gòu)件的溫度提高到相變溫度以上，這對(duì)于常用的車身及底盤材料來說就意味著要升至幾百攝氏度，這樣做除非損壞漆層或裝潢否則實(shí)際上是不可能的。因此，即使在傳統(tǒng)材料的情況下也不可能用簡(jiǎn)單的方法來對(duì)標(biāo)記所含的信息事后進(jìn)行置換。
用精良的激光技術(shù)來對(duì)已裝配好并最終修飾好的汽車進(jìn)行信息修改，這是昂貴而難辦的事，而且事后可能暴露(如對(duì)犯罪行為來說)。其部分原因在于這樣做會(huì)改變終飾狀態(tài)，部分在于標(biāo)記的特征與所使用的激光的類型及時(shí)間有關(guān)，因而標(biāo)記的深部形狀有所變化。所以雖然施加標(biāo)記并沒有給生產(chǎn)線增加多少花費(fèi)，但事后修改的費(fèi)用卻很大，因此修改幾乎是沒有意義的。
標(biāo)記是耐久的，因?yàn)橐淖儤?biāo)記就必須將構(gòu)件升溫到標(biāo)記引入時(shí)的溫度—也就是高于相變溫度。
系統(tǒng)的要點(diǎn)-用來施加標(biāo)記的激光標(biāo)記器件(插入所有待標(biāo)記部件的生產(chǎn)線中)，-選擇標(biāo)記標(biāo)入的約定位置，-選擇各部件施加標(biāo)記的工藝數(shù)據(jù)，-與標(biāo)記內(nèi)容對(duì)應(yīng)的編碼系統(tǒng)，-用于標(biāo)記解碼的磁性Barkhausen噪音或雜散通量讀取探頭(放在生產(chǎn)管理或標(biāo)記驗(yàn)證的每一個(gè)解碼點(diǎn)上)，-探頭須布置在標(biāo)記約定位置上，-進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)并對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行譯碼。
該方法所帶來的利益制造商會(huì)對(duì)一個(gè)更可靠的反偷竊的標(biāo)記感興趣，這可能代表著一種銷售利益，因?yàn)橐环N更可靠的標(biāo)記允許你在競(jìng)爭(zhēng)中提高價(jià)格。
保險(xiǎn)公司將因?yàn)闃?biāo)記不能輕易地修改因而汽車保險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)降低。
如果制造商愿意采用所述的標(biāo)記系統(tǒng)，這表示有了新的辨認(rèn)二手車零件的可能性。
2.使用本發(fā)明方法測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)(橋梁、鐵路鋼軌、建筑物構(gòu)件等)的變形，或在限定變形的情況下測(cè)量其殘余應(yīng)力用本發(fā)明方法來控制構(gòu)件由于機(jī)械應(yīng)力和/或溫度變化造成的尺寸變化是特別有利的，因?yàn)闃?biāo)記是標(biāo)入材料中的。在已知溫度下，在無應(yīng)力狀態(tài)下以已知的間距所作的標(biāo)記，它們之間的實(shí)際距離在任何時(shí)候都因機(jī)械應(yīng)力和/或溫度的變化而變化。如果這兩種原因的變化同時(shí)發(fā)生，則機(jī)械應(yīng)力可作為所測(cè)得的實(shí)際距離的函數(shù)而計(jì)算出，這里溫度的影響通過熱膨脹系數(shù)及彈性系數(shù)考慮進(jìn)去。
鐵路鋼軌的中性溫度測(cè)量對(duì)于焊接軌道，枕木通過軌道緊固件阻止鋼軌發(fā)生位移。鋼軌被夾緊以后，溫度的任何變化都將因其膨脹受到約束而在鋼軌中造成應(yīng)力。這種應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。在鋼軌的測(cè)試截面上，其熱應(yīng)力為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度稱為中性溫度。如果在已知溫度下，在已知其熱應(yīng)力狀態(tài)的鋼軌上標(biāo)入一對(duì)標(biāo)記，而且立即以足夠高的精度測(cè)出兩個(gè)標(biāo)記之間的距離，那么以后便可在任何時(shí)候確定當(dāng)時(shí)的熱應(yīng)力狀態(tài)，也就確定了這段鋼軌的中性溫度。
焊接鐵道中的鋼軌由于熱膨脹受到限制而造成的熱應(yīng)力可以通過測(cè)量標(biāo)記間的距離、測(cè)量時(shí)的溫度、標(biāo)記的原始距離及對(duì)應(yīng)的溫度四者來確定。而中性溫度可由熱應(yīng)力計(jì)算得出。
測(cè)量程序包括-在無應(yīng)力或應(yīng)力狀態(tài)已知的鋼軌上，在已知溫度下，在已知距離上制作標(biāo)記，-鋼軌處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，在已知溫度下測(cè)量標(biāo)記間的距離。
眼下流行的做法，標(biāo)記是粘貼、鉆孔或沖壓在鋼軌上的一些點(diǎn)，這些點(diǎn)之間的距離通過手工來機(jī)械地測(cè)量。
新的測(cè)量方法的基礎(chǔ)是，在鋼軌的適當(dāng)部位用結(jié)構(gòu)變化的方法來制作耐久性的標(biāo)記，并通過不直接接觸的較現(xiàn)有方法更精確的方法來測(cè)量這些標(biāo)記的位置及標(biāo)記之間的距離。
可以用激光表面處理方法在現(xiàn)有知識(shí)的基礎(chǔ)上來制作標(biāo)記。
實(shí)際上，制作的不是一個(gè)標(biāo)記，而是一群標(biāo)記。標(biāo)記群的位置應(yīng)該與鋼軌的生產(chǎn)標(biāo)志相接，以便目視尋找。
標(biāo)記由幾條用激光束制成的長(zhǎng)度為幾毫米的平行桿條組成。
例子在含碳量0.45～0.6％的鋼中以激光退火方法制作標(biāo)記，推薦使用TEM00模式結(jié)構(gòu)的二氧化碳激光器，設(shè)定散焦3～6mm(焦點(diǎn)在材料表面外)，功率P＝300～400W，最小掃描速度200～300mm/min。
降低掃描速度，增加激光功率及材料的吸收能力，都會(huì)使結(jié)構(gòu)修改的深度增加，同時(shí)也出現(xiàn)表層熔化的危險(xiǎn)性。雖然聚焦直徑的減小會(huì)使處理的概率深度減小，但減小聚焦點(diǎn)直徑而同時(shí)保持功率水平不變，則將對(duì)結(jié)構(gòu)變化起同樣的作用。
激光束處理對(duì)處理位置上的材料的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，這種修改可以通過例如基于Barkhausen噪音測(cè)量原理的方法，根據(jù)噪音值的變化來定位。該噪音值是與位置相關(guān)的。標(biāo)記之間的距離是預(yù)定的，并根據(jù)讀取探頭及其它方面的要求而經(jīng)過優(yōu)化。標(biāo)記(桿條)的數(shù)量應(yīng)該多于兩個(gè)，以增加位置讀取的測(cè)定精度。最簡(jiǎn)單的是等距離的標(biāo)記。標(biāo)記群在軌道上指明了一個(gè)可測(cè)定的幾何位置。例如一個(gè)由三條標(biāo)記組成的標(biāo)記群，其對(duì)稱軸線可以用作測(cè)定長(zhǎng)度的基準(zhǔn)線。根據(jù)具體目的不同，該幾何位置可以是標(biāo)記群的起始點(diǎn)、終了點(diǎn)或中間點(diǎn)。
基于磁性Barkhausen噪音原理來讀取標(biāo)記，用以下參數(shù)對(duì)于信號(hào)的制作與讀取是有利的基體材料含碳量0.5％的鋼材退火條組織馬氏體的體積比率50％退火條寬度圖10中的1004＝1.0mm讀取時(shí)的勵(lì)磁1kHz正弦波磁場(chǎng)強(qiáng)度1.0kA/m探頭匝數(shù)300匝信號(hào)濾波32kHz～250kHz信號(hào)增益105A/D轉(zhuǎn)換12bit測(cè)量探頭速度0.005m/s信噪比7.5如果標(biāo)記的讀取是基于雜散通量測(cè)量原理，則用以下參數(shù)對(duì)標(biāo)記的制作與讀取是有利的(參數(shù)符號(hào)按圖10)基體材料含碳量0.5％的鋼材退火條組織馬氏體的體積比率50％退火條寬度1004＝1.0mm探頭氣隙寬度1006＝0.4mm探頭到試樣表面的距離1005＝0.8mm勵(lì)磁線圈到試樣表面的距離1002＝10.0mm激勵(lì)電流強(qiáng)度1007＝1.0A(0.6kA/m)勵(lì)磁線圈到探頭的距離1003＝10.0mm
相對(duì)速度303＝15m/s信噪比7.0標(biāo)記組必須位于與被標(biāo)物體的溫度相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)距離上，對(duì)于鋼軌已經(jīng)焊接在軌道里，標(biāo)記組要位于與兩個(gè)標(biāo)記間的那段鋼軌的中性溫度(已知的或計(jì)算得出的)相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)位置上。
鋼軌的規(guī)定溫度是這樣的一個(gè)溫度(例如20℃)，在該溫度下，無應(yīng)力狀態(tài)鋼軌上的標(biāo)記群的距離是一個(gè)定值(例如，870mm)。此距離稱為規(guī)定距離。
修正距離是標(biāo)記組之間的這樣的一個(gè)距離，同屬于它的二組標(biāo)記必須按照標(biāo)記所處的鋼軌段的溫度來形成它；或當(dāng)鋼軌已經(jīng)焊入軌道中時(shí)，按照不同于規(guī)定溫度的中性溫度來形成這個(gè)距離。當(dāng)鋼軌處于自由狀態(tài)時(shí)，修正距離可由標(biāo)記所在處的鋼軌溫度計(jì)算得出；當(dāng)鋼軌已焊入軌道時(shí)則可由其中性溫度及軌材的熱膨脹系數(shù)算出。
激光所引起的局部材料結(jié)構(gòu)變化部分，其在與桿條垂直方向的截面形狀應(yīng)是一個(gè)半圓(圖1)，由于腐蝕的存在，結(jié)構(gòu)變化部分應(yīng)該盡可能地深(例如0.5mm)，以保證長(zhǎng)期可讀取。
標(biāo)記群在鋼軌上的位置應(yīng)該選擇在受鋼軌彎曲影響最小，以及手動(dòng)測(cè)量設(shè)備及車載測(cè)量設(shè)備都可以讀取的地方。為此，作為例子，標(biāo)記群適宜的位置是在鋼軌的頭部?jī)蓚?cè)，低于車輪接觸點(diǎn)的地方。圖6所示為鐵路鋼軌601距離測(cè)量的可能布局。圖中標(biāo)記群201位于鋼軌兩側(cè)沿頭部下緣的地方。標(biāo)記群602的距離是同屬一個(gè)標(biāo)記群的兩個(gè)特征點(diǎn)(例如中點(diǎn))之間的距離。
由鋼軌彎曲導(dǎo)致長(zhǎng)度變化的效應(yīng)可以通過測(cè)量標(biāo)在鋼軌兩邊的標(biāo)記群來進(jìn)行修正。
標(biāo)記的位置可用無接觸的方法來測(cè)定。包括手工及車載在內(nèi)的許多技術(shù)解決方案可以用來實(shí)施標(biāo)記距離的測(cè)量。
手工讀取手工讀取器件包括兩個(gè)沿著一條直線運(yùn)動(dòng)的探頭，兩個(gè)探頭之間的距離是已知的。按照制作標(biāo)記時(shí)所用的工藝規(guī)程(指標(biāo)記群與生產(chǎn)標(biāo)志間的相對(duì)位置)將手工測(cè)量器件裝到與之對(duì)應(yīng)的位置上。測(cè)量探頭沿一條直線運(yùn)動(dòng)以測(cè)量磁性性質(zhì)的分布，根據(jù)此分布便可確定分布中幾個(gè)特征點(diǎn)之間的距離。知道了該距離以及軌材的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量及溫度之后便可確定中性溫度。
流動(dòng)的或掃描的讀取裝在一個(gè)支架上沿著鐵路軌道運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)讀取器件包括兩個(gè)測(cè)量探頭。這兩個(gè)測(cè)量探頭位于一條直線上，并與鋼軌的標(biāo)記所在表面接近。探頭間的距離是已知的。
在支架沿著一條直線運(yùn)動(dòng)的過程中，測(cè)量探頭讀取磁學(xué)特征的分布。根據(jù)此分布便可確定分布中幾個(gè)特征點(diǎn)之間的距離。知道了該距離以及軌材的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量及溫度之后便可確定中性溫度。
測(cè)量方法的精度評(píng)估根據(jù)我們的現(xiàn)有認(rèn)識(shí)，考慮了所有列舉的因素，手工測(cè)量方法的中性溫度測(cè)定的精度為1～2℃；而流動(dòng)測(cè)量方法，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度不超過15m/s時(shí)的精度估計(jì)為2～3℃。
標(biāo)記可以在一根新的鋼軌即所謂長(zhǎng)軌上，或是一段切割好的將要嵌入的鋼軌上，用固定設(shè)備來制作；或在已經(jīng)嵌入軌道中的鋼軌上以流動(dòng)設(shè)備來制作。
3.鈔票和文件上的不可見標(biāo)記，以及該標(biāo)記的快速、無損讀取眾所周知，在鈔票、證券等的制造中使用一種所謂金屬絲紙。這是很有意義的，因?yàn)榻饘俳z紙的生產(chǎn)及分配是受到限制的，因此很難偽造。紙張中的金屬絲攜帶有一些與印在紙張上的內(nèi)容有關(guān)的信息(例如發(fā)行銀行的名稱)。
使用本專利申請(qǐng)的方法有可能在金屬絲上制作一系列與印在紙上的內(nèi)容有關(guān)的標(biāo)記，例如對(duì)于貨幣來說，幣值、系列及序列號(hào)。
標(biāo)記可以在金屬絲加入紙張之前加到金屬絲上，但也可以結(jié)合印在各張紙上的內(nèi)容單張地加到金屬絲上。
用激光退火方法可以對(duì)均質(zhì)的金屬絲進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)修改。例如，用TEM00模式結(jié)構(gòu)的二氧化碳激光器，設(shè)置為3～6mm散焦(聚焦點(diǎn)在材料表面之上)，以P＝100W的功率，最小掃描速度200～300mm/min對(duì)鐵-硼-硅玻璃金屬進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)修改。
在玻璃金屬制造過程中用改變冷卻筒排熱速度的方法來標(biāo)入標(biāo)記。這種情況下，冷卻筒帶有系統(tǒng)的幾何圖形(0.5mm寬的結(jié)晶粘合劑適于用來形成標(biāo)記)，因而玻璃金屬條包含有相同的標(biāo)記。這種標(biāo)記在隨后將金屬條加到紙張中去的工藝過程中不會(huì)發(fā)生變化。紙張不會(huì)由于向金屬輸入能量或金屬中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化而破壞。
對(duì)已經(jīng)制成的紙張中的金屬絲標(biāo)入標(biāo)記應(yīng)當(dāng)采用不會(huì)損壞紙張的方法。為此要采用這樣的材料，該材料可以通過阻止金屬絲吸收所輸入能量的途徑而能在較低溫度下使其相變而不會(huì)損壞紙張。例如，一種所謂無定形金屬(金屬玻璃)或非結(jié)晶金屬可以在低于紙張閃點(diǎn)的較低溫度下發(fā)生結(jié)構(gòu)變化(結(jié)構(gòu)松弛及結(jié)晶化)，而且這種變化是不可逆的。其所需的能量可用例如電子束來輸入。所輸入的能量完全被金屬絲所吸收(例如對(duì)Fe80B20玻璃金屬，電子束的能量密度為1200～1700W/cm2，輻照時(shí)間為100～102秒)，因此允許標(biāo)入獨(dú)自的符號(hào)。
寫入金屬絲中的信息可用前面敘述過的磁學(xué)性質(zhì)測(cè)量方法中的一種來讀取。
如果使用基于磁性Barkhausen噪音測(cè)量原理的方法來讀取標(biāo)記，用以下參數(shù)對(duì)于標(biāo)記的制作與檢測(cè)是有利的基體材料Fe80B20玻璃金屬(無定形)退火條組織結(jié)構(gòu)松弛溫度約220℃勵(lì)磁1kHz正弦波磁場(chǎng)強(qiáng)度0.05kA/m探頭匝數(shù)300匝信號(hào)濾波32kHz～250kHz信號(hào)增益105A/D轉(zhuǎn)換12bit測(cè)量探頭速度0.005m/s信噪比5.5
如果標(biāo)記的讀取是基于雜散通量測(cè)量原理，用以下參數(shù)對(duì)標(biāo)記的制作與讀取是有利的(參數(shù)符號(hào)按圖10)基體材料Fe80B20玻璃金屬(無定形)退火條結(jié)構(gòu)松弛溫度約220℃退火條寬度1004＝0.4mm探頭氣隙寬度1006＝0.4mm探頭到試樣表面的距離1005＝0.5mm勵(lì)磁線圈到試樣表面的距離1002＝5.0mm激勵(lì)電流強(qiáng)度1007＝0.05A(0.06kA/m)勵(lì)磁線圈到探頭的距離1003＝10.0mm相對(duì)速度303＝10m/s信噪比6.5總結(jié)*本發(fā)明提供一種在固體材料制成的物體的表面層中寫入及檢索信息的方法及設(shè)備系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，信息是用一股密集的射束射向表面而寫入的，該射束具有經(jīng)過選擇的功率密度，至少能使材料的表層結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性變化，射束的功率密度選為小于能產(chǎn)生明顯變形的射束功率密度；但是大到足以在與射束直徑等量級(jí)的范圍內(nèi)使材料產(chǎn)生可以與通常存在于材料中的固有的結(jié)構(gòu)不均勻相比擬的不均勻性。
*本發(fā)明可用于其結(jié)構(gòu)和內(nèi)應(yīng)力可以通過高能量密度的處理進(jìn)行更改(在處理部位)的所有材料(優(yōu)選的是可用激光進(jìn)行局部處理的鐵磁性材料)(圖1)。
*根據(jù)本發(fā)明，用高能射束處理過的表面上的標(biāo)記或標(biāo)記群包括一系列的小斑點(diǎn)、桿條或它們的復(fù)合，被安排來攜帶所要求的信息，特別是用于標(biāo)入單件號(hào)或系列號(hào)的條碼系統(tǒng)；或按照給定的尺寸標(biāo)在給定的地點(diǎn)以指明幾何位置或地點(diǎn)，特別是供長(zhǎng)度測(cè)量用的標(biāo)志或標(biāo)記群(圖2)。
*標(biāo)記或標(biāo)記要素的深度(從表面向材料內(nèi)部)尺寸或其它尺寸取決于表面處理的特性，這些尺寸應(yīng)根據(jù)被標(biāo)標(biāo)記的結(jié)構(gòu)及所含信息的特征來選擇，以保證所要求的耐久性及可靠性，即使標(biāo)記是處于附加的包覆層、漆層以及輕度的表面腐蝕層之下。
*標(biāo)記及標(biāo)記系統(tǒng)可以用所有適于檢測(cè)材料結(jié)構(gòu)變化的大小及位置的方法來讀取，特別是通過磁學(xué)及電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量原理，以無接觸、無損壞的方式(以靜止或掃描模式)來讀取(圖3)。
*只能通過能夠引起材料特征結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變或應(yīng)力松弛的處理，才能對(duì)標(biāo)記及標(biāo)記要素進(jìn)行事后的刪除或涂改。
權(quán)利要求
1.一種通過施加信息到一金屬物體中，并且隨后讀取引入其中的信息及將其與被存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的跟蹤金屬物體用的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一按照規(guī)定圖樣將信息施加到該物體上用的裝置；存儲(chǔ)裝置，以及一從被標(biāo)記物體中讀取信息用的裝置，其中施加信息的裝置包括一些適于按規(guī)定的圖樣實(shí)施局部熱能傳送的元件，以便通過將待標(biāo)記物體的表面層永久改變到規(guī)定的深度而產(chǎn)生標(biāo)記；讀取信息的裝置包括一適于激勵(lì)被標(biāo)記物體的表面層至少達(dá)到該標(biāo)記的深度的激勵(lì)裝置，一用于檢測(cè)通過上述激勵(lì)在被標(biāo)記物體中產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)的檢測(cè)單元，以及一從上述響應(yīng)信號(hào)的局部不均勻性引起的偏差重建信息用的單元。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于所述標(biāo)記裝置包括一個(gè)能量束發(fā)生裝置，其中所述能量束的能量密度及射束尺寸足以在被標(biāo)記物體表層中至少造成一永久性的變化，在上述激勵(lì)產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)中引起可檢測(cè)到的不均勻性，通過比較所述響應(yīng)信號(hào)中存在的不均勻性與未經(jīng)處理狀態(tài)下的響應(yīng)信號(hào)，并從被檢測(cè)的不均勻性重建信息。
3.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于所述標(biāo)記裝置包括一些適于按照標(biāo)記的圖樣從待標(biāo)記物體的表面局部排出熱量的元件。
4.如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于所述排熱元件被包括在對(duì)該物體進(jìn)行加工并與待標(biāo)記物體的表面相接觸的設(shè)備部分中。
5.如權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于所述讀取裝置包括一個(gè)磁激勵(lì)單元，一個(gè)感受被標(biāo)記物體因響應(yīng)激勵(lì)而發(fā)出的響應(yīng)信號(hào)的檢測(cè)單元，以及一個(gè)從所檢測(cè)到的響應(yīng)信號(hào)的變化來重建該標(biāo)記所攜帶的信息的單元。
6.如權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其特征在于所述檢測(cè)單元包括一個(gè)用來檢測(cè)來自被標(biāo)記物體表面的磁通量的傳感器單元。
7.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其特征在于所述激勵(lì)單元產(chǎn)生一交變的通量，以及所述的檢測(cè)單元連有一個(gè)Barkhausen噪音檢測(cè)單元。
8.如權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于所述讀取裝置包括一個(gè)適于與被標(biāo)記物體聲學(xué)耦合的超聲波發(fā)生器，一個(gè)用來檢測(cè)被標(biāo)記物體的響應(yīng)信號(hào)的單元，以及一個(gè)用來根據(jù)響應(yīng)信號(hào)的不均勻性重建所述標(biāo)記攜帶的信息的單元。
9.如權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于在所述的標(biāo)記裝置上連有一個(gè)距離調(diào)整器，用來按照預(yù)定的相互間距施加多于一個(gè)的標(biāo)記，并且上述讀取裝置被固定在測(cè)量標(biāo)記間距的裝置上。
10.如權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其特征在于所述讀取裝置包括至少兩個(gè)檢測(cè)單元，其間的距離符合所述的預(yù)定間距。
11.如權(quán)利要求1至10的任意系統(tǒng)，其特征在于金屬物體附加在非金屬物體上。
12.如權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其特征在于金屬物體被合并到所述非金屬物體中以標(biāo)入信息。
13.如權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其特征在于所述金屬物體在標(biāo)入信息以后提供一個(gè)涂層。
全文摘要
本發(fā)明的主題為在固體物質(zhì)制成的物體的表層中加入并檢索信息用的方法及裝置系統(tǒng)。信息是用射向該表面的聚集射束加入的,聚集射束的功率密度經(jīng)過選擇足以至少在材料的表層引起永久性結(jié)構(gòu)改變。選擇的方法為使射束的功率密度大到足以在與射束直徑等量級(jí)的范圍內(nèi)使材料產(chǎn)生可與通常存在于材料中的結(jié)構(gòu)不均勻可比量的不均勻性,但又不造成明顯的變形。本發(fā)明適用于其結(jié)構(gòu)或內(nèi)應(yīng)力情況可以通過高能量密度的處理進(jìn)行修改(在處理部位)的材料(特別是可用激光進(jìn)行局部處理的鐵磁性材料)。
文檔編號(hào)G06K1/00GK1265212SQ9880766
公開日2000年8月30日 申請(qǐng)日期1998年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月28日
發(fā)明者喬那斯·比琳, 羅伯特·凱塞扎蒂, 彼得·莫爾那, 吉奧吉·波斯蓋, 阿古斯·薩茲莫斯, 賈諾斯·塔克斯 申請(qǐng)人:匈牙利國(guó)家鐵路局