RU2155321C1

RU2155321C1 - Device for measuring object linear shift

Info

Publication number: RU2155321C1
Application number: RU99102134A
Authority: RU
Inventors: А.С. Гридин; И.Ю. Дмитриев
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2000-08-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: value of tested object shift is measured relative to formed receiving system of standard measuring base by alignment of center of extended uniform light mark positioned on object under test with measuring axis. Device allows realization of new schematic solution of standard measuring base formation in the form of equisensitive zone created by receiving system which includes lens and optically synthesized position-sensitive receiver with extended uniform lighting mark. EFFECT: enhanced accuracy of measurement. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, более конкретно к устройствам контроля линейных смещений объектов оптико-электронными методами, и может быть использовано для широкого круга измерительных задач, таких как центровка деталей проточной части механизмов (турбогенераторов АЭС, направляющих крупногабаритных станков и т.п.), измерение непараллельности, неплоскостности, неперпендикулярности, величин прогибов в процессе производства и др. The invention relates to the field of measuring technology, and more particularly to devices for controlling linear displacements of objects by optoelectronic methods, and can be used for a wide range of measurement tasks, such as centering parts of the flow part of mechanisms (turbine generators of nuclear power plants, guides of large-sized machines, etc.) , measurement of non-parallelism, non-flatness, non-perpendicularity, deflection values in the production process, etc.

Внедрение прецизионных методов оптической диагностики взаимного расположения и формы элементов и узлов современного оборудования в процессе их создания и эксплуатации обеспечивает повышение точности измерений и автоматизацию процесса контроля, увеличивает надежность в работе, безаварийность и время межремонтных периодов. Все это требует создания специальных средств контроля, имеющих высокую точность в большом диапазоне рабочих дистанций (например, линия вала современного турбогенератора АЭС - более 40 м). The introduction of precision methods of optical diagnostics of the relative position and shape of elements and components of modern equipment during their creation and operation provides improved measurement accuracy and automation of the control process, increases operational reliability, trouble-free and overhaul periods. All this requires the creation of special monitoring tools that have high accuracy in a wide range of working distances (for example, the shaft line of a modern nuclear power plant turbogenerator is more than 40 m).

Известны устройства контроля поперечных линейных смещений, основанные на использовании лазерного луча в качестве эталонной измерительной базы, относительно которой ведется измерение положения объекта. Например, устройство для контроля прямолинейности (Ефремов А.Н., Камальдинов А.К., Мармалаев А.И. , Сомородов В.Г. Лазерная техника в мелиоративном строительстве. - М.: Агропромиздат, 1989 - 223 с.), включающее лазерный источник, приемный блок и систему обработки сигналов. Устройства, основанные на таком методе контроля не позволяют сохранить высокую точность измерений при изменении дистанции. Это связано с тем, что для лазерного излучения характерны временные и пространственные пульсации энергетического центра, переменные по дистанции, уменьшить которые можно системой фокусировки, которая в свою очередь является источником дополнительных погрешностей. Known devices for controlling transverse linear displacements based on the use of a laser beam as a reference measuring base, relative to which the measurement of the position of the object is carried out. For example, a device for controlling straightness (Efremov A.N., Kamaldinov A.K., Marmalaev A.I., Somorodov V.G. Laser technology in land reclamation construction. - M.: Agropromizdat, 1989 - 223 p.), Including laser source, receiving unit and signal processing system. Devices based on this control method do not allow to maintain high measurement accuracy when changing the distance. This is due to the fact that laser radiation is characterized by temporal and spatial pulsations of the energy center, variable in distance, which can be reduced by a focusing system, which in turn is a source of additional errors.

В определенной степени свободны от этих недостатков приборы, формирующие в пространстве измерительную базу в виде оптической равносигнальной зоны. Например, выбранное нами в качестве прототипа "Устройство для измерения линейного смещения объекта" (А.с. СССР N 1312384, приор. 03.01.86, МПК G 01 B 21/00), включающее предназначенный для размещения на объекте, контрольный элемент в виде зеркально-линзового отражателя, приемную систему с размещенным по ходу луча объективом, светоделителем и фотоприемником, установленным в фокальной плоскости объектива, блок обработки сигналов с выделением разностного и привод с регистратором. Устройство формирует равносигнальную зону с помощью объектива, в фокальной плоскости которого за светоделителем расположено ребро прямоугольной призмы, грани которой попеременно облучаются излучателями, расположенными на одной оси симметрично относительно катетных граней прямоугольной призмы, и проектируются на фотоприемник, который вырабатывает сигнал, пропорциональный смещению линии раздела относительно центра приемника. To a certain extent, these devices are free from these shortcomings, which form a measuring base in space in the form of an optical equal-signal zone. For example, we selected as a prototype “Device for measuring the linear displacement of an object” (A.S. USSR N 1312384, prior. 03.01.86, IPC G 01 B 21/00), including a control element designed to be placed on the object, in the form a mirror-lens reflector, a receiving system with a lens placed along the beam, a beam splitter and a photodetector installed in the focal plane of the lens, a signal processing unit with a differential and a drive with a recorder. The device forms an equal-signal zone using a lens, in the focal plane of which behind the beam splitter there is an edge of a rectangular prism, the edges of which are alternately irradiated by emitters located on the same axis symmetrically with respect to the cathete faces of the rectangular prism, and are projected onto a photodetector that generates a signal proportional to the displacement of the interface line relative to receiver center.

К существенным недостаткам этого устройства следует отнести низкую точность при работе в большом диапазоне рабочих дистанций, вызванную нестабильностью положения равносигнальной зоны и низкой чувствительностью на минимальной дистанции действия в пределах границы формирования равносигнальной зоны, определяемой источником излучения. По нашим оценкам такие системы имеют погрешность измерений (СКО) не менее 0,05 мм в диапазоне дистанций 4 ... 40 м. Significant disadvantages of this device include low accuracy when operating in a wide range of working distances, caused by the instability of the position of the equal-signal zone and low sensitivity at the minimum distance within the boundaries of the formation of the equal-signal zone, determined by the radiation source. According to our estimates, such systems have a measurement error (RMS) of at least 0.05 mm in the range of distances of 4 ... 40 m.

Нами предложено устройство, в котором новая совокупность признаков позволяет получить качественно новый эффект - повысить точность измерений линейных смещений на рабочей дистанции от 1 до 40 м до погрешности (СКО) не более 0,01 мм. We proposed a device in which a new set of features allows to obtain a qualitatively new effect - to increase the accuracy of measuring linear displacements at a working distance from 1 to 40 m to an error (RMS) of not more than 0.01 mm.

Такой технический эффект достигнут нами, когда в устройстве для измерений линейных смещений, включающем контрольный элемент, предназначенный для размещения на объекте, приемную систему с размещенными по ходу луча объективом и светоделителем, блок обработки сигналов с выделением разностного и привод с регистратором, в приемной системе за светоделителем по ходу луча вблизи фокальной плоскости объектива размещены два разделительные элемента с взаимно перпендикулярными разделительными гранями и установленные попарно с каждым разделительным элементом четыре независимые приемника, выходы которых соединены с блоком обработки сигналов, контрольный элемент выполнен в виде установленного на оптической оси приемной системы с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной этой оси, осветителя, формирующего протяженный равномерный источник излучения, а привод и регистратор соединены с осветителем. We have achieved such a technical effect when, in a device for measuring linear displacements, including a control element designed to be placed on an object, a receiving system with a lens and a beam splitter placed along the beam, a signal processing unit with differential detection and a drive with a recorder, in the receiving system for a beam splitter along the beam near the focal plane of the lens there are two separation elements with mutually perpendicular separation faces and installed in pairs with each divide The main element is four independent receivers, the outputs of which are connected to the signal processing unit, the control element is made in the form of a receiving system mounted on the optical axis with the possibility of moving in a plane perpendicular to this axis, a illuminator forming an extended uniform radiation source, and the drive and recorder are connected to the illuminator .

Такое схемное решение измерительного прибора позволило нам фактически оптически синтезировать позиционно-чувствительный фотоприемник, который в совокупности с протяженной равномерной световой маркой позволил осуществить иной чем равносигнальный принцип формирования эталонной измерительной базы, а именно принцип равночувствительной зоны. В технической литературе описаны подходы для реализации протяженных равномерных источников излучения и оптических разделительных элементов. Such a circuit solution of the measuring device allowed us to actually optically synthesize a position-sensitive photodetector, which, in combination with an extended uniform light mark, made it possible to implement a principle other than an equal-signal formation of a reference measuring base, namely the principle of an equally sensitive zone. The technical literature describes approaches for implementing extended uniform radiation sources and optical separation elements.

Если осветитель выполнен в виде полой сферы с окном и внутренним отражающим диффузно-рассеивающим покрытием и размещенным внутри сферы по крайней мере одним источником излучения (см. п. 2) - формируется обладающий высокой степенью равномерности, протяженный излучатель (световая марка), обеспечивающий дополнительное повышение точности измерений в пределах большого диапазона рабочих дистанций. If the illuminator is made in the form of a hollow sphere with a window and an internal reflecting diffuse-scattering coating and at least one radiation source placed inside the sphere (see Section 2), an extended emitter (light mark) with a high degree of uniformity is formed, providing an additional increase measurement accuracy over a wide range of working distances.

Выполнение в устройстве разделительного элемента в виде склейки по гипотенузным граням двух прямоугольных призм, на половине гипотенузной грани, одной из которых нанесено светоотражающее покрытие с границей, проходящей по середине, параллельно вершинным граням призм (см. п. 3), дополнительно повышает точность измерений. The implementation in the device of a separating element in the form of gluing along the hypotenuse faces of two rectangular prisms, on half of the hypotenuse face, one of which has a reflective coating with a border that runs in the middle parallel to the vertex faces of the prisms (see paragraph 3), further increases the accuracy of measurements.

На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения линейных смещений (пример конкретного исполнения по п. 1, 2, 3). In FIG. 1 shows a diagram of a device for measuring linear displacements (an example of a specific implementation according to p. 1, 2, 3).

Контрольный элемент 1, включающий полую сферу 2 с выходным окном и источником 3 излучения, привод 4 с регистратором 5, скреплен с контролируемым объектом 6. Приемная система включает объектив 7, светоделитель 8 и расположенные за ним по ходу лучей вблизи фокальной плоскости два разделительные элемента 9, 10 с взаимно перпендикулярными разделительными гранями 11, 12 и установленные попарно с каждым разделительным элементом четыре независимые фотоприемника 13, 14, 15, 16, выходы которых соединены с блоком 17 обработки сигналов, включающим усилители 18, 19, 20, 21, сумматоры 22, 23 и индикаторы 24, 25; D - размер источника (окна). The control element 1, including a hollow sphere 2 with an exit window and a radiation source 3, a drive 4 with a recorder 5, is fastened to a controlled object 6. The receiving system includes a lens 7, a beam splitter 8, and two dividing elements located behind it along the rays near the focal plane 9 , 10 with mutually perpendicular dividing faces 11, 12 and four independent photodetectors 13, 14, 15, 16 installed in pairs with each dividing element, the outputs of which are connected to the signal processing unit 17, including amplifiers 18, 19, 20, 21, adders 22, 23 and indicators 24, 25; D is the size of the source (window).

На фиг. 2 представлен график зависимости изменения разностного сигнала ΔU_c с пары приемников от величины смещения ΔX контрольного элемента (в вертикальной плоскости) на максимальной дальности (40 м), где по оси абсцисс отложено значение смещений контрольного элемента в мкм, а по оси ординат величина изменения сигнала в мВ.In FIG. Figure 2 shows a graph of the dependence of the change in the difference signal ΔU _c from a pair of receivers on the displacement ΔX of the control element (in the vertical plane) at a maximum range (40 m), where the value of the displacements of the control element in μm is plotted on the abscissa, and the magnitude of the signal change on the ordinate in mV.

Устройство работает следующим образом. Контрольный элемент 1 в виде осветителя, скрепленный с контролируемым объектом 6, направляет пучок излучения в приемную систему, которая формирует измерительную базовую линию, проходящую через центр входного зрачка объектива 7 и точку пересечения разделительных граней 11, 12 в плоскости изображения. При наличии смещения осветителя (световой марки) относительно базовой линии возникает смещение изображения относительно разделительных граней 11 и 12, излучение от которых падает на приемники 13, 14 и 15, 16 соответственно, сигналы с которых после усилителей 18, 19 и 20, 21 поступают на суммирующие элементы 24, 25, вырабатывающие разностные сигналы, пропорциональные величинам смещения контролируемого объекта в вертикальном и горизонтальном направлениях. Новая схема приемной системы с разнесенными в пространстве разделительными гранями и четырьмя независимыми приемниками позволяет оптически синтезировать позиционно-чувствительный фотоприемник, обладающий высокой чувствительностью за счет минимизации размеров элементов разрешения (ширины разделительных граней), а также полностью исключить электрические связи между чувствительными элементами, которые характерны для традиционных позиционно-чувствительных фотоприемников, выполненных на единой подложке. При данном конструктивном решении приемной системы выполнение осветителя протяженным обеспечивает при измерении во всем диапазоне дистанций высокую добротность (в нашем случае добротность - это отношение площади чувствительного элемента к площади зазора в пределах анализируемого изображения световой марки), если для размера протяженного источника излучателя D выполняется найденное нами условие DF^I/L >> t, где F^I - фокусное расстояние объектива приемной системы; L - дистанция контроля (расстояние от контрольного элемента до объектива приемной системы), t - разрешение разделительного элемента (ширина разделительной грани разделительного элемента).The device operates as follows. The control element 1 in the form of a lighter, fastened to the controlled object 6, directs the radiation beam to the receiving system, which forms a measuring baseline passing through the center of the entrance pupil of the lens 7 and the intersection point of the dividing faces 11, 12 in the image plane. In the presence of an offset of the illuminator (light mark) relative to the baseline, an image is shifted relative to the dividing faces 11 and 12, the radiation from which falls on the receivers 13, 14 and 15, 16, respectively, the signals from which after the amplifiers 18, 19 and 20, 21 are fed to summing elements 24, 25, generating differential signals proportional to the displacement values of the controlled object in the vertical and horizontal directions. A new receiver system with spaced separation faces and four independent receivers allows optically synthesizing a position-sensitive photodetector with high sensitivity by minimizing the size of resolution elements (width of the separation faces), and completely eliminating the electrical connections between the sensitive elements that are characteristic of traditional position-sensitive photodetectors made on a single substrate. With this constructive solution of the receiving system, the implementation of an extended illuminator provides high quality factor when measuring over the entire range of distances (in our case, the quality factor is the ratio of the area of the sensitive element to the gap area within the analyzed light mark image) if the size of the extended emitter source D satisfies condition DF ^I / L >> t, where F ^I is the focal length of the lens of the receiving system; L is the control distance (distance from the control element to the lens of the receiving system), t is the resolution of the separation element (width of the separation face of the separation element).

Равномерное распределение яркости световой марки позволяет приводу 4 реализовать нулевой метод, когда центр световой марки совмещается с измерительной осью. Регистратор 5 фиксирует величину этого смещения по двум координатам. The uniform distribution of the brightness of the light mark allows the actuator 4 to implement the zero method when the center of the light mark is aligned with the measuring axis. The registrar 5 fixes the magnitude of this offset in two coordinates.

Если контрольный элемент выполнен в виде полой сферы 2 с выходным окном, имеющей внутреннее диффузно-рассеивающее покрытие и размещенные внутри сферы светодиоды 3, то формируется высокоравномерная световая марка, повышающая точность измерений. Использование в схеме предложенного нами устройства в качестве разделительного элемента склейки по гипотенузным граням из двух прямоугольных призм, на половине гипотенузной грани, одной из которых нанесено светоотражающее покрытие с границей, проходящей по середине параллельно вершинным граням призмы, приводит к дополнительному повышению точности измерений за счет увеличения разрешающей способности приемной системы, при одновременной защите разделительных граней от внешних воздействий. Величина разрешающего элемента такого разделительного элемента составляет 1...2 мкм по сравнению, например, с ~10 мкм, характерными для разрешения разделительного элемента в виде прямоугольной призмы. If the control element is made in the form of a hollow sphere 2 with an output window having an internal diffuse-scattering coating and LEDs 3 placed inside the sphere, then a highly uniform light mark is formed, which increases the accuracy of measurements. The use of a device proposed by us as a separating element for gluing along hypotenuse faces from two rectangular prisms, on half of the hypotenuse face, one of which has a reflective coating with a border that runs in the middle parallel to the vertex faces of the prism, leads to an additional increase in measurement accuracy by increasing resolution of the receiving system, while protecting the dividing faces from external influences. The magnitude of the resolving element of such a separating element is 1 ... 2 μm compared, for example, with ~ 10 μm, characteristic of the resolution of the separating element in the form of a rectangular prism.

Пример конкретного выполнения. An example of a specific implementation.

По заказу Ленинградской АЭС в НИИКИ ОЭП изготовлен макет предложенного устройства для измерений линейных смещений. Он включает контрольный элемент, выполненный в виде полой сферы ⌀40 мм с выходным окном D = 20 мм >> tL/F = 0,5 мм, внутри которой размешены 6 светодиодов A1 119, питающихся от задающего генератора переменных напряжений, выполненного на базе однотактного таймера типа К1006В41. Диаметр выходного окна определяет размер протяженного источника. Внутренняя поверхность сферы имеет диффузно-рассеивающее покрытие (белое глубокоматовое, ОСТ 3-1898-73) с коэффициентом отражения 0,9. Приемная система включает объектив ⌀40 мм, F' = 80 мм, за которым по ходу лучей расположен светоделительный кубик (размер грани 20 мм) с полупрозрачным покрытием, делящий падающий на него поток на два канала. В каждом канале по ходу луча вблизи фокальной плоскости (объектив фокусируется на максимальную рабочую дистанцию, в нашем случае это 40 м) установлены разделительные грани, формируемые разделительными элементами, выполненными в виде склейки по гипотенузным граням двух прямоугольных призм (оптическим клеем, прозрачным в области спектра излучения светодиодов - 0,95 мкм). Причем, предварительно на половине гипотенузной грани, одной из них нанесено высокоотражающее непрозрачное медное покрытие толщиной ~3 мкм с границей, проходящей по середине, параллельно вершинным граням призм, которая и служит границей раздела. Непосредственно за разделительными элементами установлены 4 кремниевых фотодиода ФД-7К с размером приемной площадки 10 мм, которые, в свою очередь, каждый соединены с блоком обработки сигналов, который обеспечивает, используя известные подходы, измерение разностных сигналов с пар приемников во всем диапазоне рабочих дистанций. Для этого каждый приемник соединен с расположенными в блоке обработки усилителями с переменным коэффициентом усиления, выполненными на базе операционных усилителей типа АД820, обеспечивающими постоянство сигнала при изменении дистанции контроля. Сигналы с пар усилителей в каждом измерительном канале (вертикальное и горизонтальное направление смещений) после детекторов АД736JN поступают на схемы сравнения типа АД820. Регистрация величины рассогласования производится аналого-цифровыми преобразователями типа KR572PW5 с выходом на цифровые индикаторные табло (IGZ-14-47), в виде значений, пропорциональных смещению объекта в вертикальном и горизонтальном направлениях. Привод, скрепленный с осветителем, реализован в виде двух ручных микрометрических подвижек, причем значение смещений в вертикальном и горизонтальном направлениях регистрируются микрометрами. By order of the Leningrad NPP in NIIKI OEP, a model of the proposed device for measuring linear displacements was manufactured. It includes a control element made in the form of a hollow sphere ⌀40 mm with an exit window D = 20 mm >> tL / F = 0.5 mm, inside which are placed 6 LEDs A1 119 powered by a single-cycle alternating voltage generator timer type K1006B41. The diameter of the output window determines the size of the extended source. The inner surface of the sphere has a diffuse-scattering coating (deep white, OST 3-1898-73) with a reflection coefficient of 0.9. The receiving system includes a ⌀40 mm lens, F '= 80 mm, behind which along the rays of the beam there is a beam-splitting cube (face size 20 mm) with a translucent coating, dividing the incident flux into it into two channels. In each channel along the path of the beam near the focal plane (the lens focuses on the maximum working distance, in our case it is 40 m), dividing faces are established, formed by dividing elements made in the form of gluing along the hypotenuse faces of two rectangular prisms (optical glue, transparent in the spectral region LED emission - 0.95 μm). Moreover, previously on a half of the hypotenuse face, one of them was coated with a highly reflective opaque copper coating with a thickness of ~ 3 μm with a boundary passing in the middle parallel to the vertex faces of the prisms, which serves as the interface. Directly behind the dividing elements, 4 FD-7K silicon photodiodes are installed with a receiving pad size of 10 mm, which, in turn, are each connected to a signal processing unit, which provides, using well-known approaches, the measurement of difference signals from pairs of receivers over the entire range of working distances. For this, each receiver is connected to amplifiers with a variable gain located in the processing unit, made on the basis of operational amplifiers of the AD820 type, which ensure a constant signal when the control distance changes. The signals from pairs of amplifiers in each measuring channel (vertical and horizontal direction of displacements) after the AD736JN detectors are fed to the AD820 type comparison circuit. The mismatch value is recorded by KR572PW5 analog-to-digital converters with access to digital indicator boards (IGZ-14-47), in the form of values proportional to the displacement of the object in the vertical and horizontal directions. The drive, attached to the illuminator, is implemented in the form of two manual micrometric movements, and the displacements in the vertical and horizontal directions are recorded by micrometers.

Испытания макета на чувствительность к линейным смещениям, как одного из основных показателей точности, проводились на дистанциях 1; 5; 25; 40 м и показали, что ее минимальная величина (дистанция 40 м) не превышает 1 мкм, что следует из графика (фиг. 2). Значения чувствительности определялись при отношении сигнал/шум, равном 2. Tests of the layout for sensitivity to linear displacements, as one of the main indicators of accuracy, were carried out at distances of 1; 5; 25; 40 m and showed that its minimum value (distance 40 m) does not exceed 1 μm, which follows from the graph (Fig. 2). The sensitivity values were determined at a signal-to-noise ratio of 2.

Таким образом, предложенное конструктивное решение устройства для измерения линейных смещений позволяет с высокой точностью решать важные задачи точного позиционирования, выверки и контроля деталей, узлов и систем промышленного оборудования, стоящие во многих областях техники, таких как энергетика, машино- и судостроение, железнодорожный транспорт и другие. Чрезвычайно актуальным является создание такого прибора для обеспечения операций установки и выверки деталей проточной части турбины АЭС, что обеспечивает высокую точность и надежность монтажа, безопасность работы. Thus, the proposed constructive solution of a device for measuring linear displacements allows one to solve with high accuracy the important tasks of accurate positioning, alignment and control of parts, components and systems of industrial equipment, which are found in many areas of technology, such as energy, machine and shipbuilding, railway transport and others. It is extremely urgent to create such a device to ensure installation and alignment of parts of the flow part of the NPP turbine, which ensures high accuracy and reliability of installation, safe operation.

В настоящее время закончена конструкторская проработка и идет изготовление двух образцов прибора. Currently, the design study is completed and two samples of the device are being manufactured.

Claims

1. A device for measuring the linear displacement of an object, mainly within a wide range of working distances, including a control element designed to be placed on the object, a receiving system with a lens and a beam splitter placed along the beam, a signal processing unit with a difference extraction and a drive with a recorder, characterized the fact that in the receiving system behind the beam splitter along the rays near the focal plane of the lens there are two separation elements with mutually perpendicular separation four independent receivers installed in pairs with each dividing element, the output of which is connected to the signal processing unit, and the control element is made in the form of a receiving system mounted on the optical axis of the receiving system with the ability to move in a plane perpendicular to this axis, forming an extended uniform radiation source, wherein the drive with the recorder is connected to the illuminator.

2. The device according to claim 1, characterized in that the illuminator is made in the form of a hollow sphere with a window having an internal reflective diffuse coating and at least one radiation source placed inside the sphere.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the dividing elements are made in the form of gluing along the hypotenuse faces of two rectangular prisms, on half of the hypotenuse face of one of which a reflective coating is applied with a border extending in the middle parallel to the vertex edges of the prism.