RU2073200C1

RU2073200C1 - Optico-electronic measuring device

Info

Publication number: RU2073200C1
Application number: RU92011564A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Шилин
Original assignee: Волгоградский Политехнический Институт
Priority date: 1992-12-11
Filing date: 1992-12-11
Publication date: 1997-02-10

Abstract

FIELD: measurement technology; applicable in technological process of manufacture of large-size parts. SUBSTANCE: optico-electronic-measuring device has objective lens 3, light guide unit 4 containing calibrating light guide 5 passing through modulator 6 of luminous flux connected with generator 7 of alternating voltage, photoconverter 8, photocurrent amplifier 9, unit 10 of automatic regulation of amplification (frequency-dependent), low-pass filter 11 and indicator 12. Device has no mechanical members, and photoconverter is not sensitive to brightness variation due to presence of automatic regulation. EFFECT: higher accuracy and reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для определения геометрических параметров деталей, и может быть использовано в машиностроении при производстве крупногабаритных деталей. The invention relates to instrumentation, in particular to devices for determining the geometric parameters of parts, and can be used in mechanical engineering in the manufacture of large parts.

Известны оптико-электронные измерительные устройства со сканированием изобретения кромки изделия (Зарезанков Г.Х. Фотоэлектронные приборы автоматического контроля размеров проката, М. Металлургиздат, 1962 г. с. 37), которые преобразуют положение кромки детали относительно оптической оси в широтно-импульсный сигнал, длительность которого пропорциональна этому положению. Широтно-импульсное преобразование сигнала используется для исключения влияния различных амплитудных факторов на точность измерения. Эти устройства содержат оптическую систему, сканирующее устройство, электронный блок обработки информации с фотопреобразователем и индикатор отклонения размера. Known optical-electronic measuring devices with scanning the invention of the edge of the product (Zarezankov G.Kh. Photoelectronic devices for automatic control of the dimensions of rolled products, M. Metallurgizdat, 1962, p. 37), which convert the position of the edge of the part relative to the optical axis into a pulse-width signal, the duration of which is proportional to this position. The pulse-width conversion of the signal is used to exclude the influence of various amplitude factors on the measurement accuracy. These devices include an optical system, a scanning device, an electronic information processing unit with a photoconverter and a size deviation indicator.

Недостатком этих устройств является сложность механической конструкции блока сканирования, который определяет закон сканирования, а следовательно и точность измерения. The disadvantage of these devices is the complexity of the mechanical design of the scanning unit, which determines the law of scanning, and therefore the measurement accuracy.

Из известных оптико-электронных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения угловых координат точечного источника излучения (Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов, Л. Машиностроение, 1983 г.с. 115-118). Это устройство содержит прерыватель светового потока, выполненный в виде двух модуляторов с различными частотами модуляции, избирательный усилитель фототока с блоком автоматической регулировки усилия, настроенным на частоту первого модулятора, и избирательный электрический фильтр, подключенный к усилителю фототока и настроенный на частоту второго модулятора. Of the known optoelectronic devices, the closest in technical essence is a device for measuring the angular coordinates of a point radiation source (Miroshnikov M.M. Theoretical Foundations of Optoelectronic Devices, L. Mashinostroenie, 1983, pp. 115-118). This device contains a light flux chopper made in the form of two modulators with different modulation frequencies, a selective photocurrent amplifier with an automatic force control unit tuned to the frequency of the first modulator, and a selective electric filter connected to the photocurrent amplifier and tuned to the frequency of the second modulator.

Данное оптико-электронное устройство имеет низкий технический уровень, обусловленный сложностью механической конструкции, так как оно содержит для вращающихся модулятора, которые являются источником погрешностей, обусловленных предельной технологической точностью их изготовления. Кроме того, это устройство не может быть использовано для измерения размеров деталей без дополнительных изменений, обусловленных измерением положения границы протяженной детали, а не точечного объекта. This optoelectronic device has a low technical level, due to the complexity of the mechanical design, as it contains for rotating modulators, which are a source of errors due to the extreme technological accuracy of their manufacture. In addition, this device cannot be used to measure the dimensions of parts without additional changes due to the measurement of the position of the boundary of the extended part, and not a point object.

В этой связи важнейшей задачей является создание нового оптико-электронного измерительного устройства без механических подвижных и вращающихся деталей с автоматической компенсацией погрешностей от влияния различных внешних факторов на точность измерения. In this regard, the most important task is to create a new optical-electronic measuring device without mechanical moving and rotating parts with automatic compensation of errors from the influence of various external factors on the measurement accuracy.

Техническим результатом заявленного оптико-электронного измерительного устройства является повышение точности измерения за счет исключения механических подвижных и вращающихся деталей. Это исключение также повышает надежность работы оптико-электронного измерительного устройства и всего технологического оборудования для производства крупногабаритных деталей, уменьшает габариты и вес измерительного устройства. The technical result of the claimed optoelectronic measuring device is to increase the accuracy of the measurement by eliminating mechanical moving and rotating parts. This exception also increases the reliability of the optical-electronic measuring device and all technological equipment for the production of large parts, reduces the size and weight of the measuring device.

Указанный технический результат достигается тем, что в оптико-электронном измерительном устройстве, содержащем объектив, прерыватель светового потока, фотопреобразователь, усилитель фототока с блоком автоматической регулировки и избирательный электрический фильтр, включенный в его контур, фильтр низкой частоты, включенный между усилителем-фототока и индикатором, в плоскости изображения объектива по прямой линии, совпадающей с направлением измерения установлены входные торцы введенного блока световодов, а выходные их торцы соединены вместе и установлены напротив фотопреобразователя, а прерыватель светового потока выполнен в виде модулятора светового потока, установленного в одном из световодов. The specified technical result is achieved by the fact that in an optical-electronic measuring device containing a lens, a light chopper, a photoconverter, a photocurrent amplifier with an automatic adjustment unit and a selective electric filter included in its circuit, a low-pass filter included between the photocurrent amplifier and the indicator , in the image plane of the lens in a straight line coinciding with the measurement direction, the input ends of the inserted block of optical fibers are installed, and their output ends are connected s together and installed opposite the photoconverter, and the interruption of the light flux is made in the form of a modulator of the light flux installed in one of the optical fibers.

Указанное отличие позволяет значительно повысить точность измерения и упростить конструкцию измерительного устройства и его габариты, так как в нем полностью отсутствуют механические вращающиеся и подвижные элементы. Исключение механических вращающихся и подвижных деталей повышает также надежность измерительного устройства, поскольку эти элементы являются источниками отказов. This difference can significantly increase the accuracy of measurement and simplify the design of the measuring device and its dimensions, since it completely lacks mechanical rotating and moving elements. The exclusion of mechanical rotating and moving parts also increases the reliability of the measuring device, since these elements are sources of failure.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. The analysis of the prior art cited by the applicant, including a search by patents and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed solution, made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest solution for the totality of features, allowed us to identify the set of essential distinguishing features in relation to the applicant's technical result in the claimed object set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники. To verify compliance of the claimed invention with the requirement of "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention from the prototype, the results of which show that the claimed invention does not explicitly follow from the prior art.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень". Therefore, the claimed invention meets the requirement of "inventive step".

На чертеже изображена блок-схема устройства. The drawing shows a block diagram of a device.

Устройство состоит из предназначенного для освещения измеряемой детали 1 источника света 2, повышающего контрастность изображения. В плоскости изображения объектива 3 установлены входные торцы измерительных световодов 4 по прямой линии, совпадающей с направлением измерения. Кроме того, устройство содержит калибровочный световод 5, проходящий через модулятор 6 светового потока, соединенный в свою очередь с генератором переменного напряжения 7. Выходные торцы измерительных световодов 4 и калибровочного световода 5 соединены вместе и установлены напротив фотопреобразователя 8, преобразующего изменения светового потока в изменение электрического тока. Фотопреобразователь 8 с сопротивлением нагрузки Rн подключен к усилителю фототока 9, а цепь питания фотопреобразователя 8 соединена с блоком 10 автоматической регулировки усиления. Выход усилителя фототока 9 соединен с последовательно-соединенными фильтром низкой частоты 11 и индикатором 12. The device consists of a light source 2 intended to illuminate the measured part 1, which increases the contrast of the image. In the image plane of the lens 3, the input ends of the measuring optical fibers 4 are installed in a straight line coinciding with the direction of measurement. In addition, the device contains a calibration optical fiber 5 passing through the light flux modulator 6, which is connected in turn with an alternating voltage generator 7. The output ends of the measuring optical fibers 4 and the calibration optical fiber 5 are connected together and are installed opposite the photoconverter 8, which converts the changes in the light flux into a change in the electric current. A photoconverter 8 with a load resistance Rн is connected to the amplifier of the photocurrent 9, and the power circuit of the photoconverter 8 is connected to the block 10 automatic gain control. The output of the photocurrent amplifier 9 is connected to series-connected low-pass filter 11 and indicator 12.

Модулятор 6 светового потока является типовым элементом оптико-электронных устройств и принцип действия его может быть основан на различных физических эффектах. В заявленном устройстве модулятор 6 светового потока в виде двух концов разделенного на две части калибровочного световода 5, установленных друг против друга, один из которых установлен на пластине 13 из пьезоэлектрического материала, соединенной с генератором переменного напряжения 7, а другой закреплен жестко на основании модулятора. The light flux modulator 6 is a typical element of optoelectronic devices and its principle of operation can be based on various physical effects. In the claimed device, the light flux modulator 6 in the form of two ends of a calibration fiber 5 divided into two parts mounted opposite each other, one of which is mounted on a plate 13 made of piezoelectric material connected to an alternating voltage generator 7, and the other is fixed rigidly to the base of the modulator.

Блок 10 автоматической регулировки усиления (АРУ) состоит из электрического избирательного фильтра 14, настроенного на частоту генератора переменного напряжения 7, фильтра низкой частоты с выпрямителем 15 и дифференциального усилителя 16, который кроме функции усиления выполняет также функцию элемента сравнения. На второй вход усилителя 16 подается задающее напряжение, а его выход соединен с фотопреобразователем 8. The automatic gain control (AGC) unit 10 consists of an electric selective filter 14 tuned to the frequency of an alternating voltage generator 7, a low-pass filter with a rectifier 15, and a differential amplifier 16, which, in addition to the gain function, also serves as a comparison element. The second input of the amplifier 16 is supplied with a driving voltage, and its output is connected to the photoconverter 8.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При работе оптико-электронного измерительного устройства с помощью модулятора 6 светового потока осуществляется модуляция светового потока, поступающего от источника света 2, перекрываемого поверхностью измеряемой детали 1. При работе модулятора 6 светового потока один из свободных концов калибровочного световода 5 совершает колебательное движение, источником которого является пьезоэлектрическая пластина 13, соединенная с генератором переменного напряжения 7, при котором периодически изменяется площадь взаимного перекрытия торцов световода 5, а следовательно и периодически изменяется величина светового потока, проходящего через световод 5. Модулированный световой поток содержит постоянную и переменную составляющие. Величина постоянной составляющей светового потока определяется положением касательной к измеряемой поверхности детали, т.е. отклонением размера детали от номинального, а величина переменной составляющей определяется яркостью источника света 2 и амплитудой колебания свободного конца световода 5, так как входной торец калибровочного световода 5 установлен в зоне изображения фона. Затем модулированный световой поток поступает на фотопреобразователь 8, где преобразуется в электрический ток, преобразуемый с помощью резистора Rн в напряжение, которое в свою очередь усиливается усилителем фототока 9. Напряжение с выхода усилителя фототока 9 поступает на фильтр низкой частоты 11, который выделяет постоянную составляющую сигнала, пропорциональную отклонению размера от номинального. Затем сигнал с выхода фильтра низкой частоты 11 поступает на индикатор 12, который регистрирует отклонение размера детали. Для исключения влияния изменения яркости источника света 2 на результат измерения размера, а также изменения различных параметров измерительного устройства (чувствительности фотопреобразователя, коэффициента усиления усилителя фототока и т. д.) введен блок автоматической регулировки усиления (АРУ). При изменении яркости источника света 2 изменяется переменной составляющей сигнала, которая выделяется с помощью электрического избирательного фильтра 14, которая затем преобразуется с помощью фильтра низкой частоты с выпрямителем 15 в постоянное напряжение, которое в свою очередь поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 16. На неинвертирующий вход усилителя 16 поступает сигнал с задатчика. Таким образом, изменение яркости источника света 2 и параметров измерительного устройства преобразуются в постоянное напряжение, поступающее на инвертирующий вход усилителя 16, выходное напряжение которого изменяет напряжение которого изменяет напряжение питания фотопреобразователя 8, а соответственно и его чувствительность таким образом, чтобы переменная составляющая сигнала на выходе усилителя фототока 9 оставалась постоянной. Одновременно изменением чувствительности фотопреобразователя 8 компенсируется влияние различных факторов на постоянную составляющую сигнала на выходе фильтра низкой частоты 11, а следовательно и на результат измерения, регистриpуемый индикатором 15. When the optoelectronic measuring device is operating with the help of the light flux modulator 6, the light flux coming from the light source 2 is blocked by the surface of the measured part 1. When the light flux modulator 6 is working, one of the free ends of the calibration optical fiber 5 oscillates, the source of which is a piezoelectric plate 13 connected to an alternating voltage generator 7, at which the area of mutual overlapping of the ends of the Metodov 5, and therefore periodically changes the magnitude of the luminous flux passing through the fiber 5. The modulated luminous flux contains constant and variable components. The constant component of the light flux is determined by the position of the tangent to the measured surface of the part, i.e. the deviation of the size of the part from the nominal, and the value of the variable component is determined by the brightness of the light source 2 and the amplitude of the free end of the optical fiber 5, since the input end of the calibration optical fiber 5 is installed in the background image area. Then, the modulated luminous flux is fed to the photoconverter 8, where it is converted into an electric current, converted by a resistor Rн into a voltage, which in turn is amplified by a photocurrent amplifier 9. The voltage from the output of the photocurrent amplifier 9 is supplied to a low-pass filter 11, which emits a constant component of the signal proportional to the deviation of the size from the nominal. Then the signal from the output of the low-pass filter 11 is fed to the indicator 12, which registers the deviation of the size of the part. To exclude the influence of changes in the brightness of light source 2 on the size measurement result, as well as changes in various parameters of the measuring device (sensitivity of the photoconverter, gain of the photocurrent amplifier, etc.), an automatic gain control unit (AGC) is introduced. When the brightness of the light source 2 changes, the variable component of the signal changes, which is extracted using an electric selective filter 14, which is then converted using a low-pass filter with a rectifier 15 into a constant voltage, which in turn is fed to the inverting input of the differential amplifier 16. At the non-inverting input amplifier 16 receives a signal from the master. Thus, a change in the brightness of the light source 2 and the parameters of the measuring device is converted into a constant voltage supplied to the inverting input of the amplifier 16, the output voltage of which changes the voltage of which changes the supply voltage of the photoconverter 8, and accordingly its sensitivity so that the variable component of the output signal amplifier photocurrent 9 remained constant. At the same time, changing the sensitivity of the photoconverter 8 compensates for the influence of various factors on the constant component of the signal at the output of the low-pass filter 11, and therefore on the measurement result recorded by the indicator 15.

Применение данного оптико-электронного измерительного устройства позволяет существенно повысить точность измерения размеров деталей и надежность работы этого устройства за счет исключения механических подвижных и вращающихся деталей, что в итоге приведет к повышению качества выпускаемой продукции. The use of this optoelectronic measuring device can significantly improve the accuracy of measuring the size of parts and the reliability of this device by eliminating mechanical moving and rotating parts, which ultimately will lead to higher quality products.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
оптико-электронное измерительное устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования его в контрольно-измерительной технике и обеспечивает повышение точности измерения деталей и надежности работы устройства;
для заявленного изобретения, в том виде как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемым чертежом;
оптико-электронное измерительное устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.Thus, the foregoing indicates that when using the claimed invention the following combination:
an optical-electronic measuring device embodying the claimed invention in its implementation is intended for use in a control and measuring technique and provides improved measurement accuracy of parts and the reliability of the device;
for the claimed invention, in the form described in the claims, the possibility of its implementation in accordance with the description and the attached drawing is confirmed;
an optical-electronic measuring device embodying the claimed invention in its implementation is capable of achieving the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость". Therefore, the claimed invention meets the requirement of "industrial applicability".

Claims

Optoelectronic measuring device comprising a lens, a light chopper, a photoconverter, a photocurrent amplifier with an automatic gain control unit and a selective electric filter included in its circuit, a low-pass filter included between the photocurrent amplifier and an indicator, characterized in that in the image plane the lens in a straight line coinciding with the direction of measurement, the input ends of the inserted block of optical fibers are installed, and their output ends are connected together and mounted on opposite to the photoconverter, and the luminous flux chopper is made in the form of a luminous flux modulator installed in one of the optical fibers.