Устройство для измерения линейного размера изделия

Устройство для измерения линейного размера изделия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля диаметров отверстий, волокон, проволоки, ширины щелей, зазоров и т. п. Цель изобретения - повышение точности за счет использования нелинейного аналого-цифрового блока, передаточная характеристика которого обеспечивает минимум среднеквадратичной погрешности вычисления. Лазер 1 генерирует световой пучок, который облучает объект 2 измерения. В фокальной плоскости объектива 3, где установлена мишень видикона телевизионной камеры 4, формируется дифракционная картина. Телевизионная камера 4 осуществляет преобразование дифракционной картины в электрический сигнал в виде построчного разложения , спектр которого при помощи аналого-цифрового блока дифференцируется, а измеряемый размер вычисляют по периоду измерительного сигнала вида при помощи весовых функций, вид которых определяется из условия среднеквадратной погрешности 8 ил. с е (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК д11 4 б 01 В 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4095569/24-28 (22) 28.07.86 (46) 15.05.88. Бюл. № 18 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) В. И. Соколов, Г. Д. Фефилов и А. С. Митрофанов (53) 531.717 (088.8) (56) Митрофанов А. С., Тарлыков В. А. Лазерный дифракционный измеритель размеров изделий, использующий телевизионную камеру. Использование квантовь|х генераторов в современной технике. Материалы конф. ЛДИТП, Л., 1977, с. 190 — 192. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО РАЗМЕРА ИЗДЕЛИЯ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля диаметров отверстий, волокон, проволоки, ши„„SU„„1395950 A 1 рины щелей, зазоров и т. п. Цель изобретения — повышение точности за счет использования нелинейного аналого-цифрового блока, передаточная характеристика которого обеспечивает минимум среднеквадратичной погрешности вычисления. Лазер 1 генерирует световой пучок, который облучает объект 2 измерения. В фокальной плоскости объектива 3, где установлена мишень видикона телевизионной камеры 4, формируется дифракционная картина. Телевизионная камера 4 осуществляет преобразование дифракционной картины в электрический сигнал в виде построчного разложения, спектр которого при помощи аналого-цифрового блока дифференцируется, а измеряемый размер вычисляют по периоду измерительного сигнала вида з1п х при помощи весовых функций, вид которых определяется из условия среднеквадратной погрешности 8 ил.

1395950

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля диаметра отверстий, волокон, проволоки, ширины щелей, зазоров и т. п.

Цель изобретения — повышение точности за счет использования нелинейного аналого-цифрового блока, передаточная характеристика которого обеспечивает миниум среднеквадратичной погрешности форирования измерительного сигнала.

На фиг. 1 изображен спектр невыравненого и выравненного по амплитуде электриеского сигнала; на фиг. 2 — график, поясIHIoIIlHH возникновение фазовой погрешности и искажение длительности выделяемого временного интервала, являющегося информативным параметром; на фиг. 3 график, показывающий изменение отношения сигнал/шум для дифракционных максимумов и соответствуюшего им электрического сигнала (за 100% принято отношение сигнал шум для первого бокового максимума или соответствуюгцего ему перио да электрического сигнала); на фиг. 4 гра фики изменения величины фазовой погреш,.ности афти t для невыравненного и вырав ненного по амплитуде электрического сиг нала, соответствующего семи дифракцион ным максимумам для различных отношений сигнал)шум; на фиг. 5 — блок-схема устройства; на фиг. 6 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства за пе риод кадра телевизионного разложения; на

;фиг. 7 — временные диаграм IbI, поясняю, гцие работу устройства за период строки телевизионного разложения; на фнг. 8 ,схема функционального преобразователя и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство для измерения линейного размера изделия содержит лазер, пред, назначенный для освещения, объект 2 измерения, объектив 3, передающук> телевизионную камеру 4, реверсивный счетчик 5, импульсов, цифроаналоговый преобразователь 6, блок 7 сравнения, функциональный преобразователь 8, первый аналоговый ключ 9, интегратор 10, второй аналоговый ключ 11. формирователь 12 импульсов, третий аналоговый ключ 13, аналоговый запомипаюгций блок 14 (АЗУ), блок 15 обработки электрического сигнала. Выход телевизионной камеры 4 соединен с аналоговым входом первого аналогового ключа 9, его выход соединен с входом интегратора 10 и аналоговым входом второгс аналогового ключа 11, выход которого соединен с выходом интегратора 11 и аналоговым входом третьего аналогового ключа 13, его выход соединен с входом аналогового запоминающего блока 14, выход которого соединен с первым входом блока 15 обработки электрического сигнала, выход строчной развертки телевизионной камеры 4 соединен с входом обратного счета реверсивного счетчика 5 импульсов, входом функционального преобразователя 8 и первым входом формирователя 12 импульсов, выход кадровой развертки телевизионной камеры 4 соединен с вторым входом блока 15 обработки электрического сигнала и с установочным входом реверсивного счетчика 5 импульсов, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя 6, его выход соединен с первым входом блока 7 сравнения, второй вход которого соединен с выходом функционального преобразователя 8, выход блока 7 сравнения соединен с логическим входом первого аналогового ключа 9 и с вторым входом формирователя 12 импульсов, первый выход которого соединен с логическим входом второго аналогового ключа 11, второй выход формирователя 12 импульсов соединен с управляющим входом аналогового запоминающего блока 14, третий выход формирователя 12 импульсов соединен с логическим входом третьего аналогового ключа 13.

Функциональный преобразователь (фиг.

25 5) содержит генератор импульсов 16, логический элемент 2И-НЕ 17 (микросхема)

К155ЛАЗ), делитель 18 частоты (микросхема (К155ИЕ8), двоичный счетчик 19 (микросхема К155ИЕ5), дешифратор-демультиплексор 20 (микросхема К155ИДЗ), первый н второй одновибраторы 21, 22 (микросхема К155АГЗ), источник 23 опорного напряжения (микросхема 142ЕН1Б), 2N+ 2 аналоговых ключей 24.1 — 24.п+ 2 (микросхемы 590КН5), 2N инверторов 25.1 — 25.2п (микросхемы К155ЛН1), интегратор с однополярным входом, выполненный на базе масштабирующего операционного усилителя 26 со ступенчато изменяюшейся

RC-цепью (микросхема К544УД2А), конденсатор С 27 и 2Х резисторов 28.1 — 28.1п.

40 Устройство для измерения размеров изделий работает следующим образом.

Объект 2 измерения облучают излучением лазера 1. В фокальной плоскости объектива 3 формируется дифракционная кар4 тина, соответствующая дифракции Фраунгофера на измеряемом изделии 2. В фокальной плоскости объектива 3 установлена мишень видикона передающей телевизионной камеры 4. Телевизионная камера 4 осуществляет преобразование дифракционной картины в электрический сигнал в виде построчного разложения (фиг. 3а, 4в), который поступает на аналоговый вход аналогового клк>ча 9. На логический вход аналогового ключа 9 с выхода блока 7 в течение каждой строки разложения поступает импульс (фиг. 4б), открывающий (замыкающий) ключ 9. Длительность управляющего импульса (фиг. 4б) изменяется (увеличивается) от строки к строке разложения по за1395950

10

20 кону, обратному изменению (уменьшению) интенсивности максимумов в регистрируемой дифракционной картине. Формирование импульса (фиг. 46), длительность которого изменяется по указанному закону, и ориентация его относительно начала каждой строки разложения осуществляется с помощью реверсивного счетчика 5, цифроаналогового преобразователя 6, функционального преобразователя 8 и блока 7 сравнения, временной режим работы которых и устройства измерения в целом задается импульсами; поступающими на входы реверсивного счетчика 5 и функционального преобразователя 8 с выходов строчной и кадровой разверток телевизионной камеры 4. Фрагмент видеосигнала каждой строки разложения (фиг. 4г), длительность которого определяется длительностью импульса управляющего состоянием ключа 9 (фиг. 46), поступает на вход интегратора 10.

В цепи обратной связи интегратора 10 включен аналоговый ключ 11, состояние которого (замкнут, разомкнут) определяется сигналом (фиг. 4е), поступающим на его логический вход с первого выхода формирователя 12 импульсов. В конце каждой строки на выходе генератора строчной развертки телевизионной камеры 4 появляется импульс, который поступает на вход формирователя 12 импульсов, при этом на первом выходе формирователя 12 импульсов появляется сигнал высокого уровня («1»), Аналоговый ключ 11 замыкается и приводит интегратор 10 в исходное (нулевое) состояние. В момент появления на выходе блока 7 сравнения сигнала (фиг. 46) высокого уровня («1») на первом выходе формирователя 12 импульсов появляется сигнал (фиг. 4е) низкого уровня («О»), аналоговый ключ 11 размыкается и интегратор

10 интегрирует фрагмент строки видеосигнала (фиг. 4г), поступающий на его вход через замкнутый к этому времени аналоговый ключ 9 с выхода телевизионной камеры 4. В момент формирования заднего фронта импульса (фиг. 46) на выходе блока 7 сравнения аналоговый ключ 9 размыкается и видеосигнал прекращает поступать на вход интегратора (фиг. 4г). На втором выходе формирователя 12 импульсов в момент формирования заднего фронта импульса на выходе блока 7 сравнения появляется импульс (фиг. 4ж), который поступает на управляющий вход АЗУ и приводит его в исходное (нулевое) состояние (фиг. 4и). Вслед за импульсом на втор "м выходе формирователя 12 импульсов появляется импульс на третьем его выходе (фиг. 4з), который поступает на логический вход третьего аналогового ключа 13. Ключ

13 замыкается на время действия импульса.

Выход интегратора 10 подключается к вхо25

55 ду АЗУ 14. К этому моменту времени на выходе интегратора 10 сформировано напряжение (фиг. 4д), пропорциональное площади фрагмента видеосигнала (фиг. 4г).

Значение этого напряжения запоминается

АЗУ 4 (фиг. 4и) и хранится в нем до момента появления следующего импульса (фиг. 4ж) на установленном входе. В течение кадра на выходе АЗУ 14 появляется кусочно-ступенчатый сигнал (фиг. 36, 4и), период которого пропорционален линейным размерам максимумов дифракцнонной картины, а амплитуда полученного сигнала одинакова. Шаг ступени равен периоду строк телевизионного разложения, а амплитуда каждой ступеньки пропорциональна площади видеосигнала, ограниченного импульсом, который формируется на выходе блока 7 сравнения. Кусочно-ступенчатый сигнал (фиг. 36) с выхода АЗУ 14 поступает на вход блока 15 обработки электрического сигнала, где фильтруется, т. е. преобразуется в непрерывный (фиг. Зв), дифференцируется (фиг. Зг) и в моменты перехода через нулевые значения фиксируются моменты экстремума (фиг. 4д) сигнала (фиг. Зв), далее формируется временной интервал (фиг. Зе), пропорциональный линейному размеру одного или нескольких максимумов в регистрируемой дифракционной картине, который заполняется импульсами высокой частоты, преобразуется в позиционный код и с помощью арифметического устройства преобразуется в результат измерения в цифровом или аналоговом виде.

Импульс на выходе блока 7 сравнения (фиг. 46), длительность которого изменяется от строки к строке по закону, обратному изменению интенсивности максимумов в регистрируемой картине, формируется следующим образом.

В конце каждого кадра телевизионного разложения на выходе кадровой развертки телевизионной камеры 4 формируется импульс, который поступает на установочный вход реверсивного счетчика 5 импульсов.

В нем в виде позиционного кода на выходных контактах устанавливается число, равное количеству строк разложения в одном кадре. Кодовая комбинация с выхода реверсивного счетчика 5 поступает на вход цифроаналогового преобразователя 6 и преобразуется им в постоянное напряжение Un.„ð (фиг. 4а), которое поступает на первый вход блока 7 сравнения.

В конце каждой строки телевизионного разложения на выходе строчной развертки телевизи он ной камеры 4 формируется и мпульс, который поступает на вход обратного счета реверсивного 5 счетчика. В момент окончания формирования каждой

1395950 строки из числа, записанного в счетчике 5, вычитается по одной единице, соответственно уменьшается на одну единицу кодовая комбинация на выходе счетчика 5. Пропорционально изменению кода на выходе счетчика 5 изменяется (уменьшается) напряжение Un. т на выходе цифроаналогового преобразователя 6 (фиг. 4а). Импульс с выхода строчной развертки поступает также на вход функционального преобразователя 8. На его выходе в течение каждой строки разложения формируется импульс специальной формы (фиг. 4а), согласован-! ный с амплитудной характеристикой цифроаналогового преобразователя 6. Крутизна наростания переднего фронта и спада с заднего фронта соответствует огибающей максимумов интенсивности совета в дифракционной картине, которая неизменна в широком диапазоне изменения размера изделия одинаковой формы.

Выходные сигналы цифроаналогового преобразователя 6 и функционального преобразователя 8, согласованные по амплитудным характеристикам., поступают соответственно, на первый и второй входы блока

7 сравнения. На выходе блока 7 сравнения в течение каждой строки разложения фор, мируется прямоугольный импульс (фиг. 4б), : передний и задний фронты которого соот ветствуют моментам равенства напряжения . U„.„», сформированного цифроаналоговым преобразователем 6 и сигнала специальной

: формы (фиг. 4а), сформированного на вы, ходе функционального преобразователя 8. В течение кадра (полукадра) от строки к, строке длительность импульса (фиг. 1 б), формируемого на выходе блока 7 сравнения, изменяется в соответствии с изменением напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 6 и временными и амплитудными параметрами импульса специаль, ной формы.

В качестве примера конкретного выпол: нения устройства предлагается устройство, содержа щее Не- Ne лазер Л Г вЂ” 72 — источник когерентного излучения; объектив

Фурье-преобразующая линза, в задней фокальной плоскости которой формируется картина, соответствующая дифракции Фраунгофера; передающую телевизионную камеру КТП вЂ” 67, осуществляющую преобразование дифракционной картины в электрический сигнал в виде построчного разложения; реверсивный счетчик импульсов с предварительной установкой, выполненной на трех последовательно соединенных микросхемах К155ИЕ7; цифроаналоговый преобразователь — микросхема 594ПА1; блок сравнения микросхема 52ICA3; аналоговые ключи-микросхема 590КН5; аналоговый запоминающий блок — микросхема К1100СК2; интегратор, выполненный на операционном

55 усилителе К544УД1А с конденсатором в петле отрицательной обратной связи; формирователь импульсов, содержащий формирователь узкого импульса — микросхема К155АГ1, триггер — микросхема К155ТМ2, два одновибратора — микросхем а К155АГЗ; блок обработки электрического сигнала, содержащий фильтр нижних частот, определитель момента экстремума, сдвигающий счетчик с логическими элементами, генератор счетных импульсов, счетчик импульсов, арифметическое устройство с цифровой индикацией.

Работу функционального преобразователя 8 с составе устройства для измерения размера изделия рассмотрим на примере измерения диаметра круглого отверстия.

Распределение интенсивности в дифракционной картине от круглого отверстия описывается функцией Эйри, изображение которой состоит из чередующихся светлых и темных колец. Интенсивность дифракционных максимумов уменьшается по мере удаления от центрального максимума. Используя свойство симметрии дифракционной картины и с целью привязки к заданному максимуму (или группы максимумов) дифракционной картины, на мишень видикона проецируется половина дифракционной картины, т.е. центр дифракционной картины совмещается с первой строкой разложения.

Для уменьшения влияния координатных погрешностей видикона центр дифракционной картины совмещается с серединой пер.вой строки разложения.

Интенсивность максимумов в дифракционной картине от круглого отверстия изменяется (уменьшается) по закону 1/х Функциональный преобразователь 8 в течение каждой строки вырабатывает импульс специальной формы (фиг. 4а, 5д), передний фронт которого нарастает, а задний спадает по закону, обратному изменению интенсивности максимумов в дифракционной картине, т.е. по закон у х . Воспроизведение данной функции осуществляется в функциональном преобразователе методом кусочнолинейной аппроксимации, диапазон изменения временного аргумента Т разбивается на интервалы ь1 (фиг.5г, д). В данном устройстве эти границы фиксированы по оси аргумента функции, а участки равны по длине.

На вход дешифратора-демультиплексора за время одной строки поступает двоичнодесятичный код с выхода двоичного счетчика. Поступающий код принимает 2N значений, частота изменения кода (фиг..5г) задает интервалы д1, на которые разбивается воспроизводимая функция, т.е. определяет границы участков разбиения воспроизводимой функции. Изменение кода на входе дешифратора-демультиплексора позволяет изменять состояние ключей 24.1—

1395950

Формула изобретения

24.п и тем самым переводить многостабильную схему интегратора в новое состояние.

Число различных состояний многостабильной схемы равно 2N — числу участков разбиения воспроизводимой функции. В результате изменяется времязадающая К„,„—

С-цепь интегратора и по заданному закону изменяется крутизна изменения напряжения (фиг. 5д) .

Запуск функционального преобразователя 8 осуществляется импульсом (фиг. 5а), поступающим с выхода строчной развертки телевизионной камеры 4. При появлении строчного импульса срабатывает первый одновибратор 21, на его выходе формируется импульс длительностью %; (фиг. 56). В момент его окончания начинает формироваться импульс специальной формы (фиг. 5д) и срабатывает второй одновибратор 22, на его выходе формируется импульс длительностью 1, (фиг. 5в). Сигналы с прямого и инверсного выходов второго одновибратора F поступают на логические входы ключей 24.п+1 и 24.п+2. Во время формирования импульса длительностью с, замыкают ключ 24.п+1, что обеспечивает, подключение к аналоговым входам ключей 21.1—

24.п опорного напряжения 11,„. В этот период времени происходит формирование переднего (нарастающего) фронта импульса специальной формы. После окончания формирования импульса длительностью 1 замыкается ключ 24.2n+2 и к аналоговым входам ключей 24. 1 — 24.2п подкл юч а ется шина с нулевым потенциалом. В этот период происходит формирование заднего (спадающего) фронта импульса специальной формы. Указанный цикл работы функционального преобразователя повторяется в течение формирования каждой строки разложения.

Задний фронт импульса, формируемого вторым одновибратором 22, соответствует половине длительности строки разложения (фиг. 4в). Если центр дифракционной картины, а следовательно, и оптическая ось системы совмещены с серединой первой строки разложения, то время появления импульса (фиг. 46) на выходе блока 7 сравнения согласовано с положением дифракционной картины в пространстве относительно телевизионного растра. На практике согласование дифракционной картины и стробирующего импульса, появляющегося на выходе блока 7 сравнения в течение каждой строки, осуществляется путем изменения длительности импульса (фиг. 56), формируем эго первым о) новибратором 21, который определяет момент начала формирования импульса специальной формы (фиг. 4а, 5д).

Временной масштаб импульса специальной формы может быть изменен путем изменения частоты изменения кода (фиг. 5г) на входе дешифратора-демультиплексора

20 и соответствующим изменением длительности им пульсов, форм и руемы х первым 21 и вторым 22 одновибраторами. функция нарастания переднего и спада заднего фронта регулируется при помощи подбора резисторов К 8, — К „. В зависимости от требуемой точности воспроизведения функции выбирают вид аппроксимации, число. участков и вид разбиения.

Блок обработки электрического сигнала преобразует сигнал, поступающий на его вход с выхода аналогового запоминающего блока 14 в позиционный код, численно равный размеру измеряемого изделия. Составные элементы блока выполнены следующим образом.

Фильтр HH?KHHx частот выполнен на операционном усилителе 544УД2А с многоконтурной обратной связью.

Устройство для определения момента экстремума выполнено в виде последовательно соединенных дифференциатора и нуль-органа.

Сдвигающий счетчик с логическими элементами, генератор счетных им пульсов и счетчик импульсов выполнены на интегральных микросхемах серии К155.

Арифметическое устройство преобразует обратную зависимость между размером измеряемого изделия и длительностью выделенного временного интервала, пропорционального размеру одного или нескольких дифракционных максимумов впрямую, и реализует функцию К/<, где К вЂ” коэффициент пропорциональности; à — длительность полученного временного интервала (фиг. 3e). Арифметическое устройство реализовано с помощью двоичного умножителя. В устройстве применен способ преобразования делителя с нулевым сравнением, использующего единичные приращения.

Устройство для измерения линейного размера изделия, содержащее оптически связанные лазер, объектив и телевизионную камеру, блок обработки электрического сигнала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, устройство снабжено интегратором, первым, вторым и третьим аналоговыми ключами, аналоговым запоми нающим блоком, реверсивным счетчиком импульсов, цифроаналоговым преобразователем, функциональным преобразователем, блоком сравнения и формирователем импульсов, причем выход телевизионной камеры соединен с аналоговым входом первого аналогового ключа, выход первого аналогового ключа соединен с входом интегратора и аналоговым входом второго аналогового ключа, выход которого соединен с выходом интегратора и аналоговым входом третьего аналогового ключа, выход тре1395950

10 тьего аналогового ключа соединен с входом, аналогового запоминающего блока, выход которого соединен с первым входом блока обработки электрического сигнала, выход строчной развертки телевизионной камеры соединен с входом обратного счета реверсивного счетчика импульсов, входом функционального преобразователя и первым входом формирователя импульсов, выход кадровой развертки телевизионной камеры соединен с вторым входом блока обработ ки электрического сигнала и с установоч ным входом реверсивного счетчика импуль-! сов выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход циф0.а роаналогового преобразователя соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом функционального преобразователя, выход блока сравнения соединен с логическим входом первого аналогового ключа и вторым входом формирователя импульсов, первый выход формирователя им пульсов соединен с логическим входом второго аналогового ключа, второй выход формирователя импульсов соединен с управляющим входом аналогового запоминающего устройства, третий выход формирователя импульсов соединен с логическим входом третьего аналогового ключа.

1395950

80 ба за

20 за га

Огпношение сй %

0 7 2 3 9 5 б 7

Фиг. 3

Рие б

8е3ырабненный гигнар

1 2 3 4 5 6 7 п

Фиг. 4

1395950

Ех.

5 п

Составитель В. Чулков

Редактор Н. Швыдкая Техред И. Верес Корректор И. Муска

Заказ 1972/41 Тираж 680 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4l5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4