RU2235447C1

RU2235447C1 - Laser localizer for x-ray generator

Info

Publication number: RU2235447C1
Application number: RU2003115730/28A
Authority: RU
Inventors: А.А. Кеткович (RU); А.А. Кеткович; В.Я. Маклашевский (RU); В.Я. Маклашевский; Д.В. Дубровин (RU); Д.В. Дубровин
Original assignee: Войсковая часть 75360; Кеткович Андрей Анатольевич; Маклашевский Виктор Яковлевич; Дубровин Дмитрий Владимирович
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-08-27

Abstract

FIELD: nondestructive inspections of parts by means of roentgen rays.

SUBSTANCE: localizer has laser, television system, reflector installed at point of intersection of television system objective and X-ray beam. Novelty is introduction of two additional microscopic lasers whose axes are parallel to one another and to X-ray beam axis; these lasers are spaced through definite distance apart. Focal length of television system objective is related to raster size of television system CCD matrix by certain equation.

EFFECT: enhanced measurement accuracy, eliminated human errors in distance readings, improved ergonomic characteristics.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и изделий с применением рентгеновского излучения и может быть использовано для контроля объектов авиакосмической техники и других отраслей методом радиографии.The invention relates to non-destructive testing of materials and products using x-ray radiation and can be used to control objects of aerospace engineering and other industries by radiography.

Известен лазерный центратор, содержащий корпус с расположенными в нем лазером, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, первое из которых выполнено из оргстекла и установлено на пересечении осей лазерного и рентгеновского пучков перпендикулярно образованной ими плоскости и направляет на объект коллимированный лазерный пучок, концентричный с рентгеновским пучком, шкалу, телескоп, состоящий из микрообъектива и объектива, позволяющий посредством первого зеркала, объектива и второго зеркала, выполненного полупрозрачным, сформировать в фокальной плоскости объектива телескопа, совпадающей с линейной шкалой из стекла, действительное изображение светящегося диска, получаемого на поверхности объекта в зоне освещения лазерным пучком, изображение шкалы и освещаемой лазером зоны объекта проектируется в плоскость ПЗС-матрицы телекамеры, видеосигнал с которой падают на вход видеоконтрольного устройства, на экране которого наблюдают изображение лазерного пятна и оценивают его размер с помощью шкалы, оцифрованной в единицах расстояния от объекта до рентгеновского излучателя [1].A known laser centralizer comprising a housing with a laser located in it, the optical axis of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, two mirrors, the first of which is made of plexiglass and is installed at the intersection of the axes of the laser and x-ray beams perpendicular to the plane formed by them and directs a collimated laser beam to the object concentric with an x-ray beam, a scale, a telescope consisting of a micro lens and a lens, allowing through the first mirror, the lens and the second mirror of feces made translucent to form in the focal plane of the telescope objective coinciding with the linear scale of glass, the actual image of the luminous disk obtained on the surface of the object in the area of illumination by the laser beam, the image of the scale and the area of the object illuminated by the laser is projected into the plane of the CCD matrix of the camera, video signal with which they fall at the input of a video monitoring device, on the screen of which an image of a laser spot is observed and its size is estimated using a scale digitized in units The distance from the object to the X-ray tube [1].

Недостаток данного устройства - субъективность процесса измерения, необходимость применения дорогостоящей телескопической системы с большим диаметром объектива при контроле объектов, удаленных от излучателя на расстояние D≥3-5 м, что характерно для контроля крупногабаритных изделий авиатехники, например консолей крыльев, сотовых панелей, хвостового оперения и т.п. Кроме того, в центраторе отсутствует система записи и хранения изображений поверхности объекта в зоне просвечивания рентгеновским излучением, так как видеокамера позволяет только наблюдать объект. Запись же видеоинформации с помощью видеомагнитофона избыточна, требует сложной системы ввода ее в компьютер.The disadvantage of this device is the subjectivity of the measurement process, the need to use an expensive telescopic system with a large lens diameter when monitoring objects remote from the emitter at a distance D≥3-5 m, which is typical for the control of large-sized aircraft products, such as wing consoles, honeycomb panels, tail etc. In addition, the centralizer does not have a system for recording and storing images of the surface of an object in the X-ray transillumination zone, since the video camera only allows you to observe the object. Recording video information using a VCR is redundant, it requires a complex system for entering it into a computer.

Целью изобретения является повышение точности измерений, устранение субъективных ошибок при считывании расстояния до излучателя от объекта по шкале, улучшение эргономических характеристик, обеспечение возможности объективизации и автоматизации измерений, снижение мощности применяемых в центраторе лазеров, а также обеспечение возможности получения, хранения и передачи в компьютер цифровых фотоизображений поверхности объекта в зоне его просвечивания рентгеновским излучением с точной привязкой координат этой зоны к поверхности объекта.The aim of the invention is to increase the accuracy of measurements, eliminate subjective errors when reading the distance to the emitter from the object on a scale, improve ergonomic characteristics, provide the possibility of objectification and automation of measurements, reduce the power of the lasers used in the centralizer, and also provide the possibility of receiving, storing and transmitting digital computers photographic images of the surface of the object in the area of its transillumination by x-ray radiation with precise reference coordinates of this zone to the surface of the object KTA.

Поставленная цель достигается тем, что лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенной в нем телевизионной системой, состоящей из ПЗС-матрицы и объектива, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении оси рентгеновского пучка и оптической оси объектива телевизионной системы перпендикулярно к этой плоскости, и видеоконтрольное устройство, дополнительно содержит два микролазера, оптические оси которых параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка и расположены симметрично относительно этой оси в плоскости, образованной осями объектива и рентгеновского пучка на расстоянии В друг от друга, определяемом из соотношения B≤D_min·tg(a/2), где D_min - минимальное расстояние от рентгеновского излучателя до объекта в рабочем диапазоне этих расстояний; α - угловой размер рентгеновского пучка, размер растра ПЗС-матрицы Н и фокусное расстояние объектива телевизионной системы f’ связаны соотношением

, для определения расстояния от излучателя до объекта использован телевизионный вычислитель или стандартный компьютер, производящий автоматический расчет этого расстояния по формуле D=C/B’, где С=В·f - константа оптической системы центратора, В’ - расстояние между изображениями лазерных пятен на объекте в фокальной плоскости объектива телевизионной системы, совпадающей с плоскостью расположения светочувствительных элементов ПЗС-матрицы, при этом для записи, хранения и передачи в компьютер изображений поверхности объекта в зоне его просвечивания рентгеновским излучением использована цифровая фотокамера.This goal is achieved in that the laser centralizer for the x-ray emitter, comprising a housing with a television system located therein, consisting of a CCD matrix and a lens, the optical axis of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, a plexiglass reflector mounted at the intersection of the x-ray axis and the optical the axis of the lens of the television system perpendicular to this plane, and the video monitoring device further comprises two microlasers, the optical axis of which are parallel each other and the axis of the x-ray beam and are located symmetrically relative to this axis in a plane formed by the axes of the lens and the x-ray beam at a distance B from each other, determined from the relation B≤D _min · tg (a / 2), where D _min is the minimum distance from an x-ray emitter to an object in the operating range of these distances; α is the angular size of the x-ray beam, the raster size of the CCD matrix H and the focal length of the lens of the television system f 'are related by

, to determine the distance from the emitter to the object, a television computer or a standard computer is used that automatically calculates this distance using the formula D = C / B ', where C = B · f is the constant of the optical system of the centralizer, B' is the distance between the images of laser spots on object in the focal plane of the lens of the television system, which coincides with the plane of the arrangement of the photosensitive elements of the CCD matrix, while for recording, storing and transmitting to the computer images of the surface of the object in the zone of its prosv Chivanov X-rays used digital camera.

Изобретения поясняется чертежом, на котором показана ось центратора.The invention is illustrated in the drawing, which shows the axis of the centralizer.

Лазерный центратор содержит закрепляемый на рентгеновском излучателе 1 корпус 2, в котором располагаются два идентичных полупроводниковых микролазера 3 и 3, оси которых параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка, цифровая фотокамера, содержащая ПЗС-матрицу и объектив 5, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель 4, выполненный из оргстекла и установленный на пересечении осей объектива и рентгеновского пучка перпендикулярно плоскости, образованной этими осями, видеоконтрольное устройство 7 и телевизионный вычислитель 8. Микролазеры формируют на поверхности объекта 9 два светящихся пятна 6, расстояние В между которыми остается постоянным при любом изменении расстояния от излучателя до объекта.The laser centralizer comprises a housing 2 fixed to the x-ray emitter 1, in which two identical semiconductor microlasers 3 and 3 are located, the axes of which are parallel to each other and the axis of the x-ray beam, a digital camera containing a CCD matrix and lens 5, the optical axis of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray a radiator, a reflector 4 made of organic glass and mounted at the intersection of the axes of the lens and the x-ray beam perpendicular to the plane formed by these axes, a video monitoring device 7 and a television computer 8. The microlasers form two luminous spots 6 on the surface of the object 9, the distance B between which remains constant at any change in the distance from the emitter to the object.

Лазерный центратор работает следующим образом.Laser centralizer operates as follows.

Микролазеры 3 и 3’ формируют на объекте 9 два светящихся пятна, расстояние В между которыми остается неизменным при любых изменениях расстояния от объекта до излучателя D. Объектив 5 формирует на ПЗС-матрице 6 цифровой фотокамеры изображения этих пятен, причем расстояние между ними В’ изменяется при изменении расстояния от объекта до излучателя в соответствии с формулой

, где В - расстояние между осями лазеров, f - фокусное расстояние объектива 5, D - расстояние от объекта до излучателя, m=D/f - масштаб изображения объектива 5.The microlasers 3 and 3 'form two luminous spots on the object 9, the distance B between which remains unchanged with any changes in the distance from the object to the emitter D. The lens 5 forms images of these spots on the CCD matrix 6 of the digital camera, and the distance between them B' changes when changing the distance from the object to the emitter in accordance with the formula

where B is the distance between the axes of the lasers, f is the focal length of the lens 5, D is the distance from the object to the emitter, m = D / f is the image scale of the lens 5.

Фокусное расстояние объектива 5 выбирается из соотношения

, где Н - размер растра ПЗС-матрицы, α - угловой размер рентгеновского пучка. При этом обеспечивается совпадение угла поля зрения объектива 5 с угловым размером рентгеновского пучка, т.к. расстояние от фокуса рентгеновского излучателя до центра отражателя 4 равно расстоянию А от этого центра до входного зрачка объектива 5. Расстояние В между осями лазеров, лежащими в плоскости, образованной осью объектива 5 и осью рентгеновского пучка, выбирается из соотношения В≤2D_min·tg(α/2), что обеспечивает нахождение изображений лазерных пятен на ПЗС-матрице во всем диапазоне рабочих расстояний между излучателем и объектом от минимального D_min до максимального D_max. На экране видеоконтрольного устройства 7 оператор наблюдает изображение поверхности объекта 9 и производит визуальный контроль объекта на его телевизионном изображении, проверяя одновременно на нем наличие лазерных пятен от микролазеров. Существенно, что линейный размер поля зрения объектива 5 на объекте 9 автоматически совпадает с размером зоны этого объекта, просвечиваемой излучателем 1, при любых расстояниях от объекта до излучателя благодаря соблюдению вышеупомянутых соотношений, очевидных при рассмотрении, например, подобных прямоугольных треугольников СЕД и ONT на чертеже.The focal length of the lens 5 is selected from the ratio

where H is the raster size of the CCD matrix, α is the angular size of the x-ray beam. This ensures the coincidence of the angle of the field of view of the lens 5 with the angular size of the x-ray beam, because the distance from the focus of the x-ray emitter to the center of the reflector 4 is equal to the distance A from this center to the entrance pupil of the lens 5. The distance B between the axes of the lasers lying in the plane formed by the axis of the lens 5 and the axis of the x-ray beam is selected from the relation B≤2D _min · tg ( α / 2), which ensures the presence of images of laser spots on the CCD matrix in the entire range of working distances between the emitter and the object from the minimum D _min to the maximum D _max . On the screen of the video monitoring device 7, the operator observes the image of the surface of the object 9 and performs visual inspection of the object on its television image, simultaneously checking for the presence of laser spots from microlasers on it. It is significant that the linear size of the field of view of the lens 5 on the object 9 automatically coincides with the size of the zone of this object, illuminated by the emitter 1, at any distance from the object to the emitter due to the above ratios, obvious when considering, for example, similar rectangular triangles CED and ONT in the drawing .

Телевизионный вычислитель 6, работающий по стандартному алгоритму подсчета числа пикселей (элементарных ячеек изображения) между изображениями лазерных пятен В’, выдает на табло значение расстояния D от излучателя до объекта, вычисляемое по формуле D=С/В’, где С=В·f.Television computer 6, operating according to the standard algorithm for counting the number of pixels (image elementary cells) between images of laser spots B ', displays on the scoreboard the value of the distance D from the emitter to the object, calculated by the formula D = C / B', where C = B · f .

Приведем некоторые численные оценки параметров центратора для характерных значений расстояний до объекта, размеров растра ПЗС-матрицы, цифровой фотокамеры, расстояний между осями микролазеров, а также углового размера рентгеновского пучка α.We present some numerical estimates of the centralizer parameters for the characteristic values of the distances to the object, the size of the raster of the CCD matrix, digital camera, the distances between the axes of the microlasers, and also the angular size of the x-ray beam α.

Так, для D=3000 мм, α=30° и Н=10 мм получим для фокусного расстояния объектива 5 f≤15 мм. При этом В≤D_min·tg(α/2)=2·3000·0,3=0,6·3·10³

2000 мм. Реально исходя из конструктивных ограничений принято В=600 мм. При этом для f’=15 мм и D_min=3000 мм m=D_min/f=200^x

и B’=В/m=3 мм. Размер одного никеля типовой ПЗС-матрицы равен 10 мкм или 0,01 мм, т.е. отрезок, равный расстоянию между изображениями лазерных пятен на ПЗС-матрице, приходится 300 пикселей. При характерной (стандартной) для телевизионных вычислителей погрешности измерений, равной одному пикселю, получим, что относительная точность измерения равна 1/300=0,3%, что вполне достаточно для большинства практических случае контроля. При этом абсолютная погрешность измерения расстояния от объекта до излучателя составит D_min=3000 мм, D=10 мм.So, for D = 3000 mm, α = 30 ° and H = 10 mm, we obtain for the focal length of the lens 5 f≤15 mm. Moreover, B≤D _min · tg (α / 2) = 2 · 3000 · 0.3 = 0.6 · 3 · 10 ³

2000 mm. Actually, based on design restrictions, B = 600 mm was adopted. Moreover, for f '= 15 mm and D _min = 3000 mm m = D _min / f = 200 ^x

and B '= B / m = 3 mm. The size of one nickel of a typical CCD is 10 μm or 0.01 mm, i.e. the segment equal to the distance between the images of the laser spots on the CCD matrix is 300 pixels. With a characteristic (standard) for television computers, the measurement error equal to one pixel, we find that the relative measurement accuracy is 1/300 = 0.3%, which is quite enough for most practical control cases. In this case, the absolute error of measuring the distance from the object to the emitter will be D _min = 3000 mm, D = 10 mm.

Особенно важно, что применение в центраторе цифрового фотоаппарата высокого разрешения (нами, в частности, использовался аппарат Nicon Coolpix 995 фирмы Nikon (Япония) с матрицей размером 2000×1500 пикселей), имеющего функции запоминания цифрового изображения на флэш-карте, стандартный выход видеосигнала и USB канал, позволяет не только наблюдать объект на жидкокристаллическом мониторе фотоаппарата, но и на экране видеоконтрольного устройства, а также подавать стандартный видеосигнал на вход телевизионного вычислителя или обычного РС-компьютера через стандартную плату оцифровки и ввода телевизионного сигнала или по В-каналу для вычисления расстояния до объекта от излучателя по вышеприведенной формуле (D=С/В’).It is especially important that the use of a high-resolution digital camera in the centralizer (in particular, we used a Nikon Coolpix 995 device from Nikon (Japan) with a matrix size of 2000 × 1500 pixels), which has the functions of storing a digital image on a flash card, a standard video output and The USB channel allows not only to observe the object on the liquid crystal monitor of the camera, but also on the screen of the video monitoring device, as well as to supply a standard video signal to the input of a television computer or a conventional PC computer through standard charge digitizing and input television signal or the B-channel to calculate the distance to the object from the emitter of the above formula (D = C / B ').

Максимальное расстояние от излучателя до объекта D_maxопределяется из ограничений на погрешность измерения D, которая не должна превышать 1%. В этом случае минимальный размер расстояния между изображениями лазерных пятен на ПЗС-матрице B’≥100 пикселя =100·0,01=1 мм.The maximum distance from the emitter to the object D _max is determined from the restrictions on the measurement error D, which should not exceed 1%. In this case, the minimum size of the distance between the images of laser spots on the CCD matrix is B'≥100 pixels = 100 · 0.01 = 1 mm.

Поскольку размер В=600 мм фиксирован, получим, что масштаб изображения при этом составит m_max=В/В’=600Н=600^х.Since the size B = 600 mm is fixed, we get that the image scale in this case will be m _max = B / B '= 600N = 600 ^x .

Соответственно при этом D_max=m_max·f=600·15=9000 мм, что вполне достаточно для практики.Accordingly, in this case, D _max = m _max · f = 600 · 15 = 9000 mm, which is quite enough for practice.

Таким образом, предлагаемый в рамках настоящей заявки на изобретение лазерный центратор позволяет повысить точность измерений, сделать их объективными, улучшить эргономические характеристики центратора, повысить производительность труда, а также обеспечить принципиально новую функцию - функцию цифрового фотографирования объекта в зоне просвечивания для целей его последующего мониторинга, архивизации результатов контроля, создания библиотеки изображений объектов, привязанных к координатам их рентгеновских изображений.Thus, the laser centralizer proposed in the framework of the present application for the invention allows to increase the accuracy of measurements, to make them objective, to improve the ergonomic characteristics of the centralizer, to increase labor productivity, and also to provide a fundamentally new function - the function of digital photographing of an object in the transillumination zone for the purpose of its subsequent monitoring, archiving the results of control, creating a library of images of objects tied to the coordinates of their x-ray images.

Источники информацииSources of information

1. Патент РФ №2136124. Лазерный центратор.1. RF patent No. 2136124. Laser centralizer.

2. Проспект фирмы Nikon, Япония. Цифровая фотокамера Coolpix 995.2. Prospectus from Nikon, Japan. Coolpix 995 Digital Camera.

Claims

A laser centralizer for an x-ray emitter, comprising a housing with a television system located therein, the optical axis of the lens of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, a plexiglass reflector mounted at the intersection of the axes of the lens of the television system and the x-ray beam perpendicular to the plane formed by these axes, and a video monitoring device, characterized in that it further comprises two microlasers, the optical axes of which are parallel to each other and the x-ray axis ovskogo beam symmetrical with respect to this axis in the plane defined by the axes of the lens of the television system and an X-ray beam, at a distance R from each other, defined by the relation B≤D _min · tg (α / 2), where D _min - minimum distance from the emitter to object, α is the angular size of the x-ray beam in the working range of these distances, the focal length of the lens of the television system f 'is associated with the raster size of the CCD matrix H of the television system with the ratio f'≤H / (2 · tg (α / 2)), to determine distance from the emitter to the object We used a television computer or a computer that automatically calculates this distance using the formula D = C / B ', C = B · f' is the constant of the centralizer optical system, B 'is the distance between the images of laser spots on the object in the focal plane of the lens of the television system that matches with the plane of the photosensitive elements of the CCD matrix, a digital camera was used to record, store and transmit images of the surface of the object in the area of its X-ray transmission to a computer.