SU1260683A1

SU1260683A1 - Устройство дл дистанционного измерени толщины и рассто ний

Info

Publication number: SU1260683A1
Application number: SU843778098A
Authority: SU
Inventors: Александр Георгиевич Колесников; Александр Вахидович Хайдаров
Original assignee: Ташкентский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.В.И.Ленина
Priority date: 1984-08-08
Filing date: 1984-08-08
Publication date: 1986-09-30

Abstract

Изобретение относитс к области измерени линейных размеров оптическими методами преимущественно прозрачных цилиндрических и трубчатых объектов. Цель изобретени - обеспечение измерени поперечных размеров прозрачных цилиндрических и. трубчатых объектов за счет корректировки положени объектов. Устройство дл дистанционного измерени толщ1-1ны плоских непрозрачных объектов использует сканирование лазерного пучка света и формирование длительностей импульсов, берущих начало от опорного уровн , а конец - на поверхности объекта. Объект закрепл етс на предметном столике, позвол ющем сме- щать его дп измерений с помощью электромеханических приводов, в устройство введена система коррекции, электрически св занна с приводами предметного столика, состо ща из двух датчиков рассогласовани световых пучков и двух однокоординаточув- атвительных детекторов, система позвол ет корректировать как перекос, так и поперечное смещение объекта. 6 ил. (Л к О5 о Од 00 оо

Description

1

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл измерени линейных размеров оптическими методами, например дл определени толщины прозрачных объектов плоской, цилиндрической и трубчатой форм, непрозрачных плоских объектов,а также дл измерени рассто ний до них.

Целью изобретени вл етс обеспечение возможности измерени прозрачных объектов цилиндрической и трубчатой формы за счет корректировки положени объекта.

На фиг. 1 схематически представлено устройствоj на фиг. 2 - блок- схема электронного блокад на фиг.З - ход лучей в случае, когда геометрическа ось цилиндрического объекта отстоит от плоскости сканировани на величину rj на фиг. 4 - образование рассогласованных и согласованных световых пучков, отраженных от цилиндрического объекта, и возможto

держит формирователь 18, переключатель 19 программ, измеритель 20, регистратор 21, узел 22 управлени приводами коррекции в плоскости сканировани , узел 23 управлени приводами движени перпендикул рно плоскости сканировани , узел 24 управлени поворотом цилиндрического объекта вокруг оси, узел 25 управлени продольным смещением измер емого объекта.

Устройство работает следующим образ ом.

При сканировании световые пучки, 15 отраженные от зеркал 3, на фотоприемниках 4.1 и 4.2 формируют импульсы- синхронизации, а пучки, отраженные от объекта 6, объективом 11 собираютс на фотоприемнике 12 и формируют 20 импульсы, соответствующие пучкам, отраженным от всех поверхностей объекта 6.

За пр мое прохождение пучка прин то направление, при котором сначала

ность применени специальных фоточув- по вл етс импульс на фотоприемнике

4.1, затем импульс на фотоприемника 12 и завершающий прохождение импульс . на фотоприемнике 4.2, обратное - соответственно импульс на фотоприемни- 30 ке 4.2, импульсы на фотоприемнике 12 и импульсы на фотоприемнике 4.1, Все эти импульсы поступают в формирователь 18, который формирует импульсы только при пр мом прохождении пучка.

ствительных линеек дл контрол рассогласовани пучковi на фиг. 5 - работа датчиков рассогласовани световых пучков, отраженных от цилиндрического объекта; на фиг. 6 - работа координаточувствительных детекторов по контролю установки объекта дл измерений.

Устройство дл дистанционного измерени толщины и рассто ни содержит 35 длительность которых равна времени источник 1 узкоколлимированного пуч- между по влением импульса на фото- ка света, систему сканировани свето- приемнике 4.1 и на фотоприемнике 12

вого пучка и формировани импульсов синхронизации, состо щую из узла 2 сканировани , зеркал 3 и двух фотоприемников 4.1 и 4.2 с диаграммой, предметный столик 5 с измер емым объектом 6, приводы 7 смещени столика 5 в плоскости сканировани , приводы 8 смещени перпендикул рно плос- 45 случае измерени цилиндра его диаметкости сканировани , привод 9 поворота цилиндрического объекта 6 вокруг оси, привод 10 продольного смещени , объектив 11, установленный по ходу отраженного пучка света, регистриру- юпщй фотоприемник 12 с диафрагмой, систему коррекции, состо щую из двух дополнительных источников 13 узкоколлимированного пучка света, двух

линз 14, св занных с ними, двух коор- 55 трубки, времени между по влением динаточувствительных детекторов 15 импульса на фотоприемниках 4.1 и и двух датчиков 16 рассогласовани , и электронный блок 17, который со4 .2 (ty), что соответствует расст нию между плоскост ми С-С и М-М,

to

2606832

Устройство работает следующим образ ом.

(tj), что соответствует рассто нию от воображаемой пл(у:кости С-С до по- верхности объекта; времени между

по влением первого и второго импульса на фотоприемнике 12 (t,), что соответствует в случае измерени трубки толщине передней стенки, а в .

ру; времени между по влением первого и третьего импульса на фотоприемнике 12 (tj), что соответствует дл трубки рассто нию от внешней поверх- ности передней стенки до внутренней поверхности задней стенки; времени между по влением первого и четвертого импульса на фотоприемнике 12 (t), что соответствует внешнему диаметру

трубки, времени между по влением импульса на фотоприемниках 4.1 и

4.2 (ty), что соответствует рассто нию между плоскост ми С-С и М-М, оготношение

получаераничивающини измер емое пространство , и служит стандартом дл контрол за работой устройства.

Плоскости С-С и М-М перпендикул рны к плоскости сканировани . Соd sinjd

А sin( мое из геометрических построений, описьшает зависимость угла поворота луча Jf о в зависимости от толщины d, отмер емой от плоскости С-С, где А - рассто ние от сканирующего элемента до плоскости С-С, - угол падени на эту плоскость и максимальный угол поворота луча fni вл ютс посто нными величинами конкретного устройства и определ ютс экспериментально . Если сканирование осуществл етс по синусоидальному закону у„ sinco t, где сОд - циклическа частота сканировани , то угол поворота луча при изменении толщины определ етс соотношением уа «о tg - sinCOoCto, +&tj)

где tg - врем поворота луча из сред него положени до по влени импульса на фотоприемнике 4 . 1 при пр мом прохождении луча (сОо t(, 100) , и t - временные интервалы t, , t, + Ц, t, + t, t, + t4, tg. Переход от временных интервалов к толщинам производитс через калибровочную кривую дающую зависимость длительности импульса t, от рассто ни L от опорной плоскости С-С до поверхности эталонного плоского образца, который последовательно, шаг за шагом отодвигаетс от плоскости С-С, остава сь параллельным к ней. Использу установленную зависимость, из измеренных длительностей временных интервалов определ ютс толщины прозрачных объектов. Длительность интервала t, показывает рассто ние , от плоскос- ти.С-С, прин той за начало отсчета,. до поверхности объекта. Толщины определ ютс временными интервалами t, + t, t, + t, t, + t, которые no той же зависимости дают рассто ни от плоскости С-С до измер емых поверхностей - f, „, f, на которы получаютс : толщина передней стенки d 2j - Г, объекта, рассто ние от внешней поверхности передней стенки до внутренней поверхности задней стенки р Г, - Р,, внешний диаметр объекта 6 (трубки) D g J - I,. Определенные таким образом толщины.

вследствие преломлени в материале, отличаютс от истинных и св заны с ними следующими соотношени ми:

, -Jn -l+cosV J

d, :и

COSpf

D,, D - jn -l+cosrf

MCT

где

d«.толщина передней стенки трубки с учетом преломле- , . ни {

Ы - угол падени луча при измерении стенки;

DJ - внутренний диаметр трубки, oi - угол падени луча при измерении величины Dj п - показатель преломпени материала объекта 6 (трубки). Дл введени поправок необходимо знать показатель преломлени материала объекта п и зависимость угла падени луча of, от длительности временных интервалов, котора соответствует различным положени м измер емой поверхности объекта 6 в измер емом пространстве и определ етс из данных калибровки измер емого пространства .

Калибровочна крива - график зависимости t, от L - строитс поточечно , т.е. дискретными изменени ми L. Значит дл каждого Lf, (п 1, ; 2,3,...) по приведенным уравнени м можно составить следующие соотношени

1;Л til. sin() f

jfn ifm sinG3(,(tq - sinv(to +

+ t

n-f

) + где Ц О, 0.

Решив эту систему, можем определить зависимость о4 от L и вычислить таблицу (или кривую) поправок.

Все элементы устройства, вход щие в оптическую схему, лежат в одной плоскости, плоскости сканировани светового пучка. Дл измерени по- верхность плоских объектов должна располагатьс перпендикул рно к плоскости сканировани пучка. Если поместить в оптическую схему объект цилиндрической формы (фиг. 3), геометрическа ось 00 которого параллельна плоскости сканировани NN, но отстоит от нее на г, то отраженные от объекта пучки разойдутс йод углом

в- к падающему пучку и не попадут на регистрирующий фотоприемник 12, Только когда геометрическа ось цилиндрического (трубки) объекта 6 будет лежать в плоскости сканирова- 5 ни , геометрическа ось параллельна опорным плоскост м С-С и М-М, возможно .измерение объекта. Так как пада- ющий световой пучок имеет размеры г, то отраженные пучки вследствие кри- О визны поверхности будут представл ть собой световые полосы неравномерной интенсивности (фиг. 4). Максимум ркости приходитс на центральную часть полоски, а к кра м интенсив- 5 ность спадает. Если пучок падающего на цилиндрический объект света не проходит через геометрическую ось, то отраженные пучки представл ют собой две параллельные симметрично 20 сдвинутые полосы 26 и 27, т.е. имеетс рассогласование отраженных пучков . Когда падающий пучок проходит через геометрическую ось, то отраженные пучки представл ют собой па- раллельные полосы 28 и 29 (фиг. 4)- согласование отраженных пучков. При сканировании светового пучка, падающего на цилиндрический объект 6, отражение пучков происходит вдоль 30 некоторой длины объекта. Контроль рассогласовани отраженных пучков в двух крайних точках этой длины обеспечивает установку геометрической оси этого участка в плоскость 35 сканировани . Датчики 16 рассогласовани световых пучков, представл ющие собой фоточувствительные линейки , могут быть вьшолнены, например, в виде линеек из шести фотоэлементов 40 с размерами фоточувствительной области (Сравнимой с размерами отраженного светового п тна. Рассто ние между фотоприемниками выбираетс таким,что при прохождении через любое место 5 линейки световой пучок вызывает электрический импульс. Линейка из фотоэлементов устанавливаетс перпендикул рно плоскости сканировани та- КИМ образом, что, когда геометричес- 50 ка ось объекта находитс в плоскости сканировани , падающие в центральную область линейки пучки привод т к возникновению электрических импульсов на фотоэлементах 30 и 31 55 одновременно (фиг. 4). Если геометрическа ось выйдет из плоскости сканировани , то одновременность

электрических импульсов на фотоэлементах 30 и 31 исчезнет и по в тс импульсы на фотоприемниках 32 и 33 или 34 и 35, линейку можно разделить на две части - верхнюю и нижнюю и судить о месте прохождени светового пучка через линейку по месту возникновени электрических импульсов.Дл коррекции установки геометрической оси участка измер емого цилиндрического (трубчатого) объекта используютс две такие линейки фотоэлементов расположенные по обе стороны объектива 11.

При пр мом прохождении через линейки всегда первым пройдет пучок, отраженный от передней (ближней к регистрирующему фотоприемнику) поверхности объекта . На фиг. 5 пр мое направление соответствует ходу отраженных от объекта пучков справа налево .

Световые пучки (фиг. 5а), отраженные от объекта 5 и проход щие через объектив 14 линейки, представл ют собой одну горизонтальную полоску . Первый и второй импульсы возникают в верхней и нижней половинах линейки одновременно. Этот случай соответствует установке геометрической оси участка объекта 6 в плоскость сканировани .

Световые пучки (фиг. 56), проход щие на линейки через объектив 11, представл ют собой две параллельные горизонтальные полоски. Если первый импульс возникает в верхней части линейки, то объектив параллельно поднимают вверх. Если первый импульс возникает в нижней части линеек, то объектив надо опускать вниз.

Световые полоски (фиг..5в) представл ют собой две перекрещивающиес на объективе 1t полоски. Такой вид полосок говорит о том, что объектив 6 наклонен относительно плоскости сканировани . Если первый импульс возникает в верхней части правой линейки и в нижней части левой линейки, то правый торец объекта 6 надо поднимать , а левый опускать. Если первый импульс возникает в 1Ыжней части правой линейки и в верхней части левой . То надо правый торец объекта 6 опускать, а левый поднимать.

Полоски скрещиваютс (фиг. 5г), и узел скрещивани приходитс на левую линейку. В этом случае на ле7

вой линейке первый и втЪрой HNffiyjib- сы возникают в верхней и нижней половинах одновременно. Левый торец объекта б остаетс неподвижен, а направление смещени правого торца зависит от того, через какую часть линейки пройдет первым световой пучок: через верхнюю - вверх, через нижнюю - вниз.

Полоски скрещиваютс (фиг. 5д), и узел скрещивани приходитс на правую линейку , А.налогично случаю четвертому правый торец неподвижен, а направление смещени левого торца зависит от того, через какую часть линейки пройдет первый световой пучок .

Таким образом, комбинаци электрических импульсов одновременно указывает , в какую сторону необходимо смещать объект 6 дл установки геометрической оси в плоскость сканировани . Расшифровку комбинации элекрических импульсов и подачу сигналов на приводы предметного столика дл коррекции в плоскости, перпендикул рной плоскости сканировани , осуществл ет узел 23 управлени . Нали- чие нескольких фотоприемников на линейке можно использовать дл изменени скорости смещени объекта так, если пучки падают на фотоприемники

то скорость смещени макси10

fS

Ф и Og

мальпа, если на Ф.

и (Р,, минимальна

1260683 . . 8

же первоначально установленного положени . Световые пучки не попадают в центральную область детекторов 15, с правого и ле13ого детектора 15 сни- 5 маетс одной пол рности (дл определенности примем пол рность согласно рисунку фиг. 6) положительной . Объект надо смещать вверх.

Передн поверхность (фиг. 6в) параллельна опорным плоскост м, но выше первоначально установленного положени . С правого и левого детектора 15 снимаетс си1гиал отрицательной пол рности . Объект 6 необходимо смещать вниз .

Объект (фиг. 6г) наклонен вправо. С правого детектора 15 снимаетс сигнал положительной пол рности, с левого - отрицательной. Правый торец объекта 6 необходимо смещать вверх, а левьш вниз.

Объект (фиг. бд) наклонен влево. С правого детектора 15 снимаетс сигнал отрицательной пол рности, ,с левого -- положительной. Правый торец объекта б необходимо смещать вниз, а левый вверх.

Таки л образом, использу два ко- ордниаточувствительных детектора 15, переднюю поверхность измер емого :: г- 1астка объекта 6 можно однозначно устанавливать параллельно опорным плоскост м в одно и то же место. Подача сигналов на приводы смещени

20

25

30

Цилиндрические (трубчатые) объек- 35 предметного столика в плоскости скаты отличаютс от идеального цилиндра они имеют прогиб и неоднородности толщины, св занные с технологией производства. Поэтому в процессе измерени необходимо корректировать положение объекта, чтобы поверхности измер емого участка были параллелны опорным плоскост м и М-М. Дл этой цели используютс координато- чувствительные детекторы 15. Работа детектора 15 по контролю установки объекта 6 представлена на фиг. б. Передн поверхность (фиг. ба) измер емого участка об зекта б парал лельна опорным плоскост м. Световые пучки от источников 13, пройд через линзы 14 и отразившись от передней поверхности объекта б, попадают в центральную область координаточувствительных детекторов 15 - электричес-55 коррекции. Система коррекции, управкии сигнал отсутствует.

Передн поверхность (фиг. 6б) па- .раллельна опорнььм плоскост м, но ни 10

fS

60683 . . 8

20

25

30

ш-1ровани осуществл етс с помощью узла 22 управлени .

Измерение цилиндрических или труб- чатьк объектов происходит следующим образом (фиг. 1 и 2).

Объект б закрепл ют на предметном столике 5 и, установив на переключателе 19 программ режим коррекции объекта, привод т, в движение привод 10 продоль ного смещени предметного столика и устанавливают объект б дл измерени у левого торца. Затем привод т в движение приводы коррекции дл установки объекта так, чтобы световые пучки, отраженные от объекта, . попали, на координаточувствителыпз1е детекторы 15 системы коррекщти. После этого устанавливают иа переключателе 19 пpoгpa JM режим автоматической

л приводами гфедметиого столика 5, устанавливает участок объекта 6 дл измерений. Измерени начинаютс в

.

зависимости от установки программы либо от внешнего сигнала (кнопки), либо автоматически при поступлении на переключатель 19 программ сигнала Установка объекта завершена. Пере- ключатель 19 программ подает импульс Измерение разрешено на формирователь 18 импульсов. Формирователь 18 из поступающих на него импульсов Начало измерени от фотоприемника 4.1 Конец измерени от фотоприемника 4.2 и Информада от регистрирующего фотоприемника 12 формирует импульсы t, , t , Ц, t и ty. При поступлении на формирователь 18 им- пульса Измерение разрешено на измеритель 20 поступает импульс t, дл измерени . Результат измерени записываетс регистратором 21, которьй по окончании регистрации вьщает сиг нал Конец печати на переключатель 19 программ. Переключатель 19 программ в зависимости от установленной программы повтор ет измерение t,, необходимое число раз и после последнего измерени и регистрации t, , с приходом импульса Конец печати да.- ет команду на формирователь 18 дл измерени t. Затем на измеритель 20 поступает импульс f Дл измерени . Измерение t происходит также согласн уста 4рвленной программе необходимое число раз, по окончании последнего измерени и регистрации t с приходом импульса Конец печати переклю- чатель 19 программ дает команду на формирователь 18 дл измерени импульса t. Импульс t, измер етс аналогично. Таким же образом измер ютс импульсы t и tj. По окончании последнего измерени и регистрации tj с приходом импульса Конец печати переключатель 18 программ в зависимости от программ либо вьщает сигнализацию Измерение серии за- вершено, либо подает сигнал на узел 24 управлени дл поворота объекта 6. Узел 24 управлени снабt

20

5 о 35 45

25

30

жен датчиком поворота. Поворот объекта 6 происходит на угол, соответствующий установленной на переключателе 18 программ величине. Далее работа устройства аналогична описанному. Когда будет сделан полный оборот объекта 6, датчик поворота, вход щий в узел 24 управлени , выдает на переключатель программ импульс Оборот завершен. Переключатель 18 программ в зависимости от программы либо вьщает сигнализацию Измерение цикла серий завершено, либо подает сигнал на узел управлени 25 дл смещени объекта.

Повороты и смещени объекта при измерени х продолжаютс до тех пор, пока концевой выключатель предметного столика 5 не остановит устройство.

Claims

Формула изобретени

. Устройство дл дистанционного измерени толщины и рассто ний, содержащее предметный столик с приводами и расположенные по одну сторону от предметного столика источник узкокол- лимированного пучка света, систему сканировани светового пучка и формировани импульсов синхронизации и систему регистрации, включающую в себ объектив, установленный по ходу отраженного пучка света, и фотоприем- Яик с диафрагмой, отличающеес тем, что, с целью обеспечени измерени толщины прозрачных объектов цилиндрической и трубчатой форм, оно снабжено системой коррекции по,ло- жени объекта, электрически св занной с приводами предметного столика и выполненной из двух датчиков рассогласовани световых пучков, расположенных по обе стороны оптической оси объектива в плоскости сканировани пучка, и двух координаточувствитель- ных детекторов, лежащих в плоскости сканировани пучка.

5 ..

ZZ

ю

М

м

фиг.1

tpat. 2

фиг. 3

фи, 4

д о о о о о

3

32

30

Л

33

35

9- ©f

I

лп

пп

ип

п

JJп

3

п п

п п

п п

Фиг. 6