RU1768961C - Способ определени толщины стенки стекл нной трубки и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени  - расширение технологических возможностей путем обеспечени  возможности измерени  толщины стенок трубок, перемещающихс  с из- менением ориентации своей оси. Осветительна  система, выполненна  а виде лазера 1 и объектива 2, формирует сход щийс  сферический источник света. Светоделительные пластины 3,4, зеркало 5 и уголковый отражатель 8 формируют два параллельных пучка света А и 5, которые освещают объект и эталонную пластинку 11 под углами а , аэт. При движении светоде- лительной пластинки 4 по направлению к уголковому отражателю 8 рассто ние между пучками А и Б, а также разность их оптического пути измен ютс  по зависимости. + с; AD(vt+c)(sin 2a /2(n2-sin2 а)}, где т - врем , v - скорость изменени , п - показатель преломлени  стенки трубки, и - угол между нормалью к поверхности трубки и ос ми пучков, ДО - рассто ние между ос 

Description

Фаг 1

ми пучков, AL - разность оптического пути первого и второго пучков, причем посто н- на  с определ етс  из условий д A Urn 2dmin Vn2 - s 11 n - &

ALmax 2 dmax Vn2 si3a+d , ГД6 6длина когерентности излучени , ALmin, ALmax - минимальное и максимальное значение разности оптического пути пучков, dmin, dmax минимальное и максимальное значени  толщины стенок трубки и регистрируют разность оптического пути пучков в момент максимального контраста интерференционных полос, по которой суд т об искомой величине. При этом углы а, 0 и св заны зависимостью tg 0(sin2 a/2(n - -sin2 a)}; tg 0(sin2 «31/2(n23T-sin2 аэт)). где п,

Пэт-показатели преломлени  стенки трубки и эталонной пластинки, угол 0отсчитываетс  от нормали к первой светоделительной пластинке к оси осветительной системы против часовой стрелки, а углы а ,#эт отсчитываютс  от нормали к оси установки трубки и поверхности эталонной пластинки к оптическим ос м, пересекающим их, по часовой стрелке. Рассто ние, пройденное пластинкой 4 за врем  между по влением импульсов с блоков 7,12 измерени  контраста интерференционных полос от контролируемой трубки и эталонной плоскопараллельной пластинки 11, фиксируетс  в счетчике 14, 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении стекл нных трубок.

Цель изобретени  - расширение области использовани  за счет обеспечени  возможности измерени  толщины стенок трубок, перемещающихс  с изменением ориентации своей оси,

На фиг.1 представлена схема образовани  интерференционной картины при освещении стекл нной трубки; на фиг.2 - оптическа  схема устройства дл  определени  толщины стенок стекл нных трубок.

Стенка трубки освещаетс  двум  параллельными , сход щимис , сформированными путем разделени  излучени  полупроводникового лазера пучками А, Б когерентного света (фиг.1), которые ориентированы к нормали, опущенной на ось трубки, под углом ее. Блики света а,а , б,б , отраженные от обеих поверхностей трубки, интерфериру  попарно между собой, образуют сложную интерференционную картину . Если одновременно измен ть рассто ние между ос ми пучков А и Б и разность их оптического пути по зависимости

AL vt+c;(1)

sin 2 а

AD(vt+c)

(2)

2 (n2-sin2«) где t - врем ,

v- скорость изменени , D - рассто ние между ос ми пучков, разность оптического пути пучков Б и А и посто нна  с определ етс  из условий

dmin-б; (3)

AU

+ 5, (4)

где д- длина -когерентности излучени .

ALrrin, ALmax минимальное и максимальное значени  разности оптического пути пучков,

dmini dmax - минимальное и максимальное значени  толщины стенки, то в момент времени, когда оси пучков б и а сольютс , разность их оптического пути станет равной нулю. Услови  (3) и (4) определ ют границы

измерени  разности оптического пути пучков А и Б.

Учитыва , что регистраци  излучени , отраженного от стенки трубки, ведетс  во всей угловой апертуре, лежащей в плоскости , проход щей через ось трубки в и освещающие пучки, сигнал на выходе регистратора будет определ тьс  только интерференцией лучей б и а в момент их совпадени , поскольку интерференционна 

картина, образованна  в этот момент времени , характеризуетс  полосой с бесконечной шириной, в отличие от картин, образованных лучами аи б . а и б .а и а , б и б , а и б и б , а , когда они разнесены

в пространстве, которые всегда представл ют собой полосы Юнга и интегрируютс  фотоприемником регистратора. Таким образом, несмотр  на по вление контрастных полос, образованных интерференцией

этих лучей, сигнал на выходе фотоприемника будет отсутствовать, кроме того, разность оптического пути пучков не зависит от положени  в пространстве трубки, при условии , что угол а не измен етс .

Устройство содержит осветительную

систему, выполненную в виде последовательно установленных полупроводникового лазера 1 и объектива 2, светоделительные

пластинки 3 и 4, ориентированные под углом к оптической оси осветительной систе- мы, и зеркало 5, ориентированное перпендикул рно той же оси; перед поверхностью пластинки 4, обращенной кзеркалу

5,расположена ось 6 установки стекл нной трубки, лежаща  в плоскости, проход щей через ось осветительной системы и нормаль к пластинке 4, проход щей через точку пересечени  светоделительной пластинки 4с осью осветительной системы, нормаль к оси

6,лежаща  в указанной плоскости, ориентирована под углом а к оптической оси, симметричной оси осветительной системы относительно нормали, опущенной в точку пересечени  пластинки 4 с осью осветительной системы, перед осью 6 на рассто нии от нее, большем внешнего радиуса стекл нной трубки на оси симметричной оптической оси, пересекающей ось 6, относи- тельно нормали к оси установки трубки, котора  пересекает оптическую ось, проход щую через ось 6, на рассто нии от нее, равном внешнему радиусу трубки, установлен блок 7 измерени  контраста интерфе- ренционных полос, входным окном обращенной к оси установки трубки со стороны пластинки 4, обращенной к осветительной системы, на оси симметричной оси осветительной системы относительно нор- мали, опущенной в точку пересечени  пластинки 4 и оптической оси осветительной системы, установлен уголковый отражатель

8, обращенный отражающей поверхностью к пластинке 4, причем оптический путь от его вершины до точки пересечени  пластинки 4 с осью осветительной системы равен оптическому пути от той же точки до зеркала 5, пластинка 4 установлена с возможностью перемещени  по направлению к отражате- лю 8. снабжена приводом 9 и блоком 10 измерени  этого перемещени  со стороны пластинки 3, обращенной к пластинке 4, установлена эталонна  пластинка 11 таким образом, что ее пересекает оптическа  ось, симметрична  оси осветительной системы относительно нормали к пластинке 3, опущенной в точку пересечени  ее с осью осветительной системы, нормаль к пластинке 11 ориентирована под углом аэт к оптиче- ской оси, пересекающей ее, перед пластинкой 11 установлен блок 12 измерени  контраста интерференционных полос, обращенный входным окном к эталонной пластинке 11 и расположенный на оси, симметричной оптической оси, пересекающей пластинку 11, относительно нормали, опущенной в точку их пересечени , выходы блоков 7 и 12 подключены ко входу блока

13 измерени  временных интервалов, выход которого соединен с установочным входом счетчика 14, счетный выход которого соединен с выходом блока 10. угол 0 между нормально к пластинке 4 и осью осветительной системы и угол а св заны между собой соотношением

tg0 . Sifl2«tg0

2 (n2 - sin2a) sin 2оьт

2 (n|T - ) где п, Пэт показатели преломлени  стенки трубки и эталонной пластинки, угол 0 отсчитываетс  от нормали к пластинке 4 к оси осветительной системы против часовой стрелки, а углы а,«эт отсчитываютс  от нормали к оси 6 и пластинке 11 к оптическим ос м, пересекающим их по часовой стрелке.

Устройство работает следующим образом .

Осветительна  система, выполненна  в виде полупроводникового лазера 1 и объектива 2, формирует сход щийс  сферический источник света. Светоделительна  пластинка 4 делит его на два пучка. При помощи зеркала 5 и уголкового отражател  8 формируютс  два параллельных пучка света А и Б, которые освещают объект и эталонную пластинку 11 под углами а ,аЭт относительно нормали к ним. При движении светоделительной пластинки 4 по направлению к уголковому отражателю 8 посредством электромеханического привода 9 рассто ние между пучками А и Б, а также разность их оптического пути измен ютс . При смещении пластинки 4 по направлению к осветительной системе на величину Дл рассто ние между пучками AD и разнос их оптического пути AL измен ютс  следующим образом:

sin2©, AL 4Ahcos20, т.е.

Ј-че.

Если прин ть во внимание соотношение между углами ©и а. получим

. 2 (rr-sin2a)

Таким образом, закон изменени  AL и AD во времени, при котором лучи б и а (фиг.1) сливаютс , в момент, когда разность их оптического пути становитс  равной нулю , выполн етс  При этом блок 7 измерени  контраста интерференционных полос зафиксирует максимальную величину и выдаст импульс в блок 13 измерени  временных интервалов. В блоке 7 происходит детектирование синусоидального сигнала с выхода фотоприемника блока, дифференцирование его и ограничение посредством компаратора по определенному уровню, причем сигнал в блоке 13 формируетс  по заднему фронту импульса с выхода компаратора. Синусоидальный сигнал с выхода фотоприемника блока 7 получаетс  за счет гетеродинной схемы интерферометра (разность оптического пути пучков непрерывно измен етс ). Схема, измер юща  разность оптического пути пучков б и а в момент максимального контраста интерференционной картины на выходе блока 7, состоит из измерител  10 перемещени  светоделительной пластинки 4, светодели- тельной пластинки 3, эталонной пластинки 11, блока 12 измерени  контраста интерф- ференционных полос, блоков 13 и 14. В счет- чике 14 фиксируетс  рассто ние, пройденное пластинкой 4, за врем  между по влением импульсов с блоков 7 и 12. Поскольку толщина и показатель преломлени  пластинки 11 известны, по вление импульса с блока 12 однозначно определ ет разность оптического пути пучков б и а1 в этот момент времени, а изменение его до по влени  импульса с блока 7 фиксируетс  в счетчике 14. В блоке 13 происходит запуск и срыв двух ждущих мультивибраторов импульсами , поступающими на их входы. Блок 12 аналогичен блоку 7.

Толщина стенки трубки рассчитываетс  по формуле

d d3TVn2T-sin2a3T

2 Ah cos2©

Vn2- sin2 a Vn2 - sin2 a

где Пэт-показатель преломлени  эталонной пластинки, а знаки + или - определ ютс  очередностью прихода импульсов с блоков 7 и 12 (+ - если первым срабатывает мультивибратор , соединенный запускающим входом с блоком 12, а - наоборот).

Начало движени  пластинки 4 отстоит от места установки на величину, равную

, (условие (3)),а конечна  точка оп4 cos2 0

редел етс  условием (4).

Использование операции изменени  рассто ни  и разности оптического пути между зондирующими объект пучками по определенному закону позвол ет устранить неоднозначность измерений, св занную с использованием когерентного источника света, сократить габариты, вес и потребление энергии, а также обеспечивает измерени  в реальных услови х технологического процесса, характеризуемых изменением

5

положени  и ориентации оси стекл нной трубки.

Claims (2)

1. Способ определени  толщины стенки

стекл нной трубки, заключающийс  в том, что раздел ют когерентное излучение сферического источника света на два пучка, на- правл ют один из пучков на стенку контролируемой трубки так, что ось пучка

0 расположена в плоскости, проход щей через ось трубки, совмещают пучок, отраженный от стенки трубки, с вторым пучком, измер ют контраст образованных при этом интерференционных полос и по результа5 там измерений суд т о толщине контролируемой стенки, отличающийс  тем, что, с целью расширени  области использовани  за счет обеспечени  измерени  стенок трубок, перемещающихс  с изменением

0 ориентации оси, направл ют второй пучок на стенку контролируемой трубки так, что ось второго пучка лежит в плоскости, проход щей через ось трубки, ориентирована па- раллельно оси первого пучка и не

5 пересекает нормаль, опущенную со стороны освещени  в точку пересечени  первого луча с внешней поверхностью трубки, но измен ют рассто ние между ос ми лучков и разность их оптического пути по зависимо0 сти + с ;

AD(vt+c) /Jn2a2 , 2 (n2 - sin2a) где t - врем ;

v- скорость изменени ;

n - показатель преломлени  стенки трубки;

а- угол между нормалью к поверхности трубки и ос ми пучков;

ДО - рассто ние между ос ми пучков;

AL - разность оптического пути первого и второго пучков, причем посто нна  с определ етс  из условий:

д Д Uin 2 Vn2 sin2 a . dmm - б

A Uax 2 Vn2 sjn2a dmax + 5,

где д-длина когерентности излучени ;

ALmin, Almax минимальное и максимальное значение разности оптического пути пучков;

dmin, dmax - минимальное и максимальное значени  толщины стенок трубки, регистрируют разность оптического пути пучков в момент максимального контраста интерференционных полос и по зарегистрированному значению суд т об искомой величине .

2. Устройство дл  определени  толщины стенки стекл нной трубки, содержащее

последовательно установленные осветительную систему, выполненную в виде полу- проводникового лазера и объектива, установленных относительно друг друга на рассто нии, не равном фокусу объектива, светоделительную пластинку, предназначенную дл  установки так, что нормаль к ней ориентирована под углом к оптической оси осветительной системы, ось установки трубки , размещенную в плоскости, проход щей через оптическую ось осветительной системы , и нормаль, опущенную в точку пересечени  светоделительной пластинки с осью осветительной системы, и предназначенную дл  установки так, что нормаль к оси установки трубки в указанной плоскости ориентирована под углом о. к оптической оси, симметричной оси осветительной системы относительно нормали, опущенной в указанную точку пересечени , и блок измерени  контраста интерференционных полос , установленный перед осью установки трубки так, что входное окно блока обращено к оси установки трубки, на рассто нии от нее, большем максимального размера зоны измерени  на оси, симметричной оптической оси относительно нормали к оси установки трубки и пересекающей указанную ось на рассто нии от оси установки трубки, равном максимальному размеру зоны измерени , отличающеес  тем, что, с целью расширени  технологических возможностей устройства, оно снабжено плоским зеркалом , уголковым отражателем, второй светоделительной пластиной, эталонной плоскопараллельной пластинкой, вторым блоком измерени  контраста интерференционных полос, блоком формировани  временных интервалов, измерителем перемещений и счетчиком, плоское зеркало установлено за первой светоделительной пластинкой так, что нормаль к его поверхности ориентирована параллельно оптической оси осветительной системы, плоскость установки оси трубки расположена по отношению к первой светоделительной пластинке с той же стороны, что и плоское зеркало, уголковый отражатель установлен с противоположной стороны первой светоделительной пластинки так, что его отражающа  поверхность обращена к пластинке, оптическа  ось совпадает с осью, симметричной оси осветительной системы относительно нормали к светоделительной пластинке, опущенной в точку пересечени  ее с осью осветительной системы, а оптический путь

от вершины уголкового отражател  до точки пересечени  оси осветительной системы со светоделительной пластинкой ровен оптическому пути от этой точки до плоского зеркала , светоделительна  пластинка установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещени  по направлению к уголковому отражателю и св зана с измерителем перемещений, втора  светоделительна  пластинка установлена между осветительной системой и первой светоделительной пластинкой под углом к оптической оси осветительной системы, эталонна  плоскопараллельна  пластинка установлена по отношению к второй светоделительной пластинке с той же стороны, что и перва  светоделительна  пластинка, и ориентирована так, что оптическа  ось, ориентированна  симметрично оптической оси

осветительной системы относительно нормали , опущенной в точку пересечени  указанной оси с второй светоделительной пластинкой, образует угол аэт с нормалью к эталонной пластинке, второй блок измерени  контраста интерференционных полос расположен по отношению к эталонной плоскопараллельной пластинке со стороны ее поверхности, обращенной к второй светоделительной пластинке, на оси, симметричной

оптической оси, образующей угол «Эт с нормалью к эталонной пластинке, выходы блоковизмерени контраста интерференционных полос подключены к входам блока формировани  временных интервалов , выход которого подключен к установочному входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом блока измерени  перемещений, углы сг.йэт и ©св заны зависимост ми

sin 2 а

tg0 tg©

2 (n2-sin2«) sin 2 «Эт

:„2,

2 (Пэт- )

где п. пэт - показатели преломлени  стенки

трубки и эталонной пластинки;

угол ©отсчитываетс  от нормали к первой

светоделительной пластинке к оси осветительной системы против часовой стрелки, а углы а , б. эт отсчитываютс  соответственно от нормали к оси установки трубки и от нормали к поверхности эталонной пластинки к оптическим ос м, пересекающим их, по часовой стрелке.

44

I