Устройство для дистанционного измерения толщины и расстояний

Устройство для дистанционного измерения толщины и расстояний

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повьшение быстродействия за счет исключения операции механической коррекции положения измеряемого объекта. Устройство состоит из оптически связанных источника 1 узкоколлимированного пучка света, узла 2 сканирования светового пучка, узла 13 наклона плоскости сканирования и датчика 14 положения плоскости сканирования. Автоматическая настройка устройства осуществляется путем коррекции положения плоскости сканирования узлом 13 по сигналам от датчика 14. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 В 21 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (!

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, И A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4285268/24-28 (22) 27. 04. 87 (46) 15.03.89. Бнл. Р 10 (71) Ташкентский государственный университет им. E. И. Ленина (72) А. Г. Колесников и А. В. Хайдаров (53) 531. 7 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1260683, кл, G 01 В 21/00, 1984. (54) УСТРОИСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО

ИЗИЕРЕНИЯ ТОЛР1ИНИ И РАССТОЯНИЙ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель

ÄÄSUÄÄ1465704 А1 изобретения — повышение быстродействия за счет исключения операции механической коррекции положения измеряемого объекта. Устройство состо-. ит из оптически связанных источника

1 узкоколлимированного пучка света, узла 2 сканирования светового пучка, . узла 13 наклона плоскости сканирования и датчика 14 положения плоскости сканирования. Автоматическая настройка устройства осуществляется путем коррекции положения плоскости сканирования узлом 13 по сигналам от датчика 14. 5 ил.

1465704

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения толщины

Прозрачных объектов цилиндрической и

1 рубчатой форм.

Цель изобретения — повьппение быстродействия путем исключения операции

° ° еханической коррекции положения изеряемого объекта. 10

На фиг ° 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 — блок-схема лектронного блока; на фиг. 3 — схеа, поясняющая работу узла сканироания и узла наклона плоскости ска- 15 ирования; на фиг. 4 — схемы, пояс яющие работу датчиков системы слеения плоскости сканирования; на иг. 5 — узел механической фиксации бъекта, прймеры исполнения. 20

Устройство состоит иэ расположен1 ых в одной плоскости источника 1 ! зкоколлимированного пучка света, истемы сканирования и формирования пульсов синхронизации, оптически вязанной с источником 1 и состоящей з узла 2 сканирования светового пуча, двух. зеркал 3 и двух фотоприемниов 4 и 5 с щелевыми диафрагмами, ориентированными перпендикулярно пло- 30

Скости сканирования, предметного толика 6 с узлом механической фиксаи, состоящим из опор (скольжения и качения ) 7 и 8, одного или двух рижимных роликов 9 с приводом, установленных с возможностью прижима бъекта к опорам 7 и 8 и продольного смещения объекта, и роликов 10 с при водами,установленных с возможностью ( осевого вращения объекта., установлен- g0 ных последовательно по ходу отраженного пучка света объектива 11 и регистрирующего фотоприемника 12, диафрагмированного щелью„ориентированной перпендикулярно плоскости сканирова ния, и расположенных так, что объектив 11 строит изображение фотоприемника 12 на плоскость 0-0 начала отсчета, а направление светового пучка, отраженного под заданным углом И от плоскости 0-0 начала отсчета, совпадает с его главной оптической осью, системы слежения плоскости сканирования светового пучка за объектом, со- стоящей иэ узла 13 наклона плоскости сканирования, расположенного между источником 1 светового пучка и узлом

2 сканирования, и датчика 14 положения плоскости сканирования относительно объекта, расположенного перед объективом 11 по блюкнюю к объекту сторону от его оптической осн, датчика 15 контроля перекоса объекта относительно плоскости сканирования, расположенного перед объективом 11 по другую сторону от его оптической оси, электронного блока 16, выполненного в виде блока 17 сопряжения с

ЭВЫ 18, последовательно соединенных формирователя 19 импульсов, связанного с фотоприемниками 4, 5 и 12, и измерителя 20 длительности, выход которого связан с соответствующим входом блока 17, блока 21 управления узлом 13, включенного между соответствующим выходом блока 17 и узлом 13, блоков 22 и 23 управления приводами, включенных между соответствующими выходами блока 17 и соответствующими приводами роликов 9 и 10, и блока 24 калибровки системы слежения, связанного с блоком 21, выходы датчиков 14 и 15 подключены к соответствующим входам блока 17, Узел 2 сканирования представляет собой зеркало 25 (фиг. За), например зеркало гальванометра, способное совершать периодические повороты вокруг оси под воздействием переменного электрического тока и поворачивать отраженный от него узкий световой пучок в одной плоскости — плоскости сканирования. Узел 13 наклона плоскости сканирования представляет собой зеркало 26 гальванометра, ось вращения которого перпендикулярна оси вращения зеркала 25.

Устройство работает следующим образом.

При сканировании (фиг. 1) световые пучки, отраженные от зеркал 3, на фотоприемниках 4 и 5 формируют мпульсы синхронизаций, которые определяют одно направление для проведения измерений при периодическом сканировании. Фотоприемник 4 задает начало измерений, а фотоприемник 5— конец измерений. Зеркала 3 ограничивают Угол сканирования светового пучка по объекту и задают границы измеряемого пространства . — плоскости

С-С и И-И, которые параллельны плоскости 0-0 начала отсчета и перпендикулярны плоскости сканирования.

Цилиндрический или трубчатый объект располагают в измеряемом пространстве так, чтобы его геометричес65i04 4 угол поворота пучка при измерении определяется соотношением р„= р„cos и (t + gt), где t — нремя поворота пучка из максимального своего значе5 ния до появления импульса на фотоприемнике 4; g t — временные интервалы

+ 4. ° 1+ t3> 1 + 1 tS

Этим временным интерналам соотнетстнуют положения поверхностей трубчатого объекта Х, Х, Х>, Х, из которых толщина передней стенки d Х,—

Х, расстояние от внешней поверхности передней стенки до внутренней поверхности задней стенки D Х, Х, внешний диаметр D „ Х „ - Х

Определенные таким образом толщины отличаются от действительных вследствие преломления падающих пучков на поверхностях трубки. Для одного и того же показателя и преломления материала объекта измеренная толщина d стенки трубки зависит от положения К, поверхности объекта или

25 соответствующей ему длительности им" пульсов t и от длительности импульсон :

l4 кая ось лежала в плоскости сканиронания и была параллельна плоскостям

0-0 и M-M. Световые пучки, отраженные от объекта, объективом 11 собираются на фотопрнемннк 12 и формируют импульсы, соответствующие вершинам пучков, отраженных от всех плоскостей объекта 6. Импульсы от фотоприемников 4, 5 и 12 поступают в формирователь 19, который формирует импульсы, длительность которых равна времени между появлением импульсов на фотоприемниках 4 и 12. (t,), что соответствует расстоянию от воображаемой плоскости С-С до поверхности объекта, времени между появлением первого и второго импульсов на фотоприемнике 12 {t<), что соответствует в случае измерения трубки толщине передней стенки, а в случае измерения цилиндра — его диаметру, времени между появлением первого и третьего импульсов на фо-. топриемнике 12 (t ), что соответствует для трубки расстоянью от ннещней поверхности передней стенки до внутренней поверхности задней стенки, времени между появлением первого и четвертого импульсов на фотоприемнике 12 (t ), что соответствует внешнему диаметру трубки, времени между появлением импульса на фотоприемниках 4 и 5 (t+), что соответствует расстоянию между плоскостями

С-С и M-М, т.е. измеряемому пространству, и служит стандартом для контроля работы устройства.

Соотношение

d„

35

А tg p

sin 2 dо 1 + ctg a(, tgp величина D <„„, внутреннего диаметра зависит от положения Х, поверхности объекта, толщины d стенки трубки (или длительности импульсов t<) и длительности импульсов величина П»» внешнего диаметра трубки зависит от положения Х, поверхности объекта, толщины d стенки трубки, внутреннего диаметра D >„ (или длительности импульсов t ) и длитель3

H0 CTH импульсОв t 4 пОлучаемОе из ге О ме тр ич еск их ПО с трО 45 ений, описывает зависимость угла р поворота светового пучка в зависимости от положения Х отражающей поверхности относительно плоскости

0-0 начала отсчета, где А - расстояwe от узла 2 сканирования до плоскости 0-0 начала отсчета, d - угол падения светового пучка на эту плос кость при регистрации отражения фотоприемником 12. Если сканирование осуществляется по косннусоидальному sa55 кону р= p cos ы t, где со- циклическая. частота сканирования; и„; максимальный угол поворота пучка, то

Вн (7> Т 3 . 4)

Поскольку для конкретного устрой" ства значения А,4 в„, м являются постоянньачи величинами, то определеd ет D в» ° D SíóT объекта возможно из измерений длительностей импульсов t „- t< после предварительно проведенной калибровки, т.е. после определения зависимостей tg (der tt)t t = g (D »,„, э Ф (В i t 3) которйе получаются при установке параллельно плоскостям С-С и М-М двух

14657 (!

1

1 ! (1 (1

° ( (!

| ! ( (плоскопараллельных пластин с таким же показателем и преломления во всех возможных положениях стенок трубки в измеряемом пространстве. При калибровке используется набор пластин с толп1инами, перекрывающими возможные толщины стенок трубок. Калибровочные зависимости представляют собой гладкие и непрерывные функции, поэтому по экспериментальным точкам определяются аналитические зависимости толщин от измеряемых длительностей импульсов.

Для калибровки устройства при измерении цилиндрических объектов используется набор пластинок разной толщины и получается зависимость

- (1 "д.

Измерение цилиндрических и труб- 2О чатых объектов возможно, когда их геометрическая ось лежит в плоскосги сканирования, в противном случае отраженные пучки расходятся и не попадают на фотоприемник 12, а если по- 26 падают, то измерения оказываются невернь1ми. Б реальных трубках центры

0 > и 0 внешней и внутренней поверхностей не совпадают, т.е. имеется эксцентриситет. Эксцентричность поверхностей трубок приводит к погрешности определения положения поверхностей трубки.

Для измерения трубок, имеющих экс". центричность поверхностей, плоскость 35 сканирования должна проходить между центрами поверхностен (фиг. 4), так как в этом случае отраженные от трубки све.товые пучки 27 н 28 расходятся под приблизительно одинаковыми углами 8 и Вд относительно плоскости Ы-Л

1 сканирования, положение всех поверхностей завыпено приблизительно на одинаковую величину,, а слецовательно, толщины определяются с меньшей погрешностью, чем положение новерхностей.

Система слежения плоскости скани- рования светового пучка за объектом использует отраженные от объекта све- 5 товые пучки. При правильном положении плоскости Н-М сканирования относительно объекта трубчатой формы пучки 27 и 28, отраженные от передней стенк1л, трубки, расходятся симметрично атно" сительно центра датчика 14 — фотоди-: одной матрицы, Центр датчика т1редва-. рительно устанавливается в среднее из всех BosMQKHbKK положений плоско04 6 сти сканирования. Размеры ячеек фотодиодной матрицы таковы, что по крайней мере три фотодиода освещены подающим на них пучком, что позволяет определять центр отраженного пучка. Импульсы синхронизации определяют работу устройства так, что от датчика 14 в электрическую схему первыми поступают фотоэлектрические импульсы, соответствующие пучку 27, отраженному от внешней поверхности с те нки трубки, в то рыми - пучку 28, отраженному от внутренней поверхности передней стенки трубки. Положение общего центра этих пучков, расположенного в середине отрезка, соединяющего центры обоих пучков относительно центра датчика 14, указывает направление коррекции плоскости сканирования. Так, если общий центр ниже центра датчика 14, то плоскость сканирования надо поднимать, если вьппе центра датчика 14 — опускать. При правильном положении цилиндрического объекта центры отраженных от его поверхностей пучков 29 и 30 (фиг. 4r) совпадают с центром датчика 14. Если центр пучка 29, отраженного от передней поверхности цилиндра, ниже центра датчика 14, а центр пучка 30, отраженного от задней поверхности, выпе центра датчика 14,то плоскость сканирования надо поднимать, если, наоборот, центр пучка выше, а центр пучка ниже центра датчика 14, то .. плоскость сканирования надо опускать, Для наилучшей работы системы сле- : жения расстояние вдоль световых пучков от узла 13 наклона плоскости сканирования до объекта 6 и от объекта до датчиков 14 и 15 необходимо уравнять.

Узлы 2 и 13 работают следующим образом.

Когда на рамку гальванометра с зеркалом 26,не подается электрический сигнал, узкий пучок света от уэкоколлимированного источника i, отражаясь от зеркала 26, падает в среднюю часть зеркала 25 и задает среднее положение плоскости сканирования.

При повороте зеркала 26 световой пучок перемещается по зеркалу 25 вдоль его оси и плоскость сканирования наклоняется. Иаксю альный угол наклона плоскости сканирования ограничивается размерами зеркала 25 узла 2 ска"

7 14657 нирования и расстоянием между зеркалами 25 и 26.

При сканировании светового пучка датчик 14 через блок 17 сообщает в

ЭВМ 18 координаты двух световых пуч5 ков, отраженных от передней стенки для трубчатого объекта и от обоих поверхностей для цилиндрического объекта. ЭВМ 18 определяет направление коррекции и через блок 21 управляет наклоном плоскости сканирования. Для быстрой работы системы слежения необходимо установить связь между наклоном плоскости сканирования и необходимым для этого электрическим сигналом, подаваемым на узел 13,т.е. провести калибровку системы слежения. Для этого плоскость сканирования устанавливается в среднее положение, а объект устанавливается так, чтобы датчик 14 укаэьвал о правильном положении плоскости сканирования относительно объекта. Смещение объекта перпендикулярно плоскости 25 сканирования устанавливает связь между координатами отраженных пучков на датчике 14 и цифровым кодом, подбираемым на блоке 24 калибровки, который через блок 2! управляет узлом ЗО

13 и возвращает плоскость сканирова" ния в правильное положение относительно объекта. Полученная связь закладывается в память ЭВМ 18.

° 35

При работе системы слежения координаты пучков от датчика 14 с помощью ЭВМ 18 однозначно указьвают необ ходнмый для коррекции цифровой код, которому присваивается алгебраичес40 кий -знак в зависимости от направления коррекции. ЭВИ 18 алгебраически складьвает этот код с предыдущим ко-. дом, который подавался на блок 21.

В результате сложения электрический сигнал от блока 21 поступает на узел

13 и положение плоскости сканирования корректируется. Благодаря использованию ЭВМ 18 операции контроля и коррекции вплоть до подачи электрического сигнала на узел 13 выполняются в течение одного периода. Коррекция плоскости сканирования завершается к появлению очередных импульсов на датчике 14, которые сигнализируют о том, что необходима ли дополнительная корректировка плоскости сканирования, указывают ее величину и направление. С помощью блока 21.

04 8

ЭВИ 18 осуществляет необходимую подкорректировку.

Для установки геометрической оси цилиндрического или трубчатого объекта параллельно плоскостям С-С и

И-М объект прижимается роликами 9 к опорам 7 и 8.

Ролики 9 с помощью привода приводятся во вращение и осуществляют продольное смещение объекта. Вместо двух роликов 9 можно использовать один (фиг. 5б), расположенный между опорами 7 и 8 напротив них. С помощью приводов приводятся в движение два расположенных по обе стороны от ролика 9 ролика 10 ось вращения кото-. рых параллельна оси объекта 6, и осуществляется поворот объекта. Для выполнения поворота ролики 1О поджимаются к поверхности объекта, а ролики

9 отжимаются на время совершения поворота.

Цилиндрические и трубчатые объекты могут иметь участки с выпуклостями, впадинами и другими поверхностными дефектами, которые могут вызвать перекос в установке объекта относительно плоскости сканирования и неправильные измерения толщины. Контроль перекоса производится с помощью датчика 15, конструкция которого аналогична конструкции датчика 14, и осуществляется сравнением координаты отраженных от объекта световых пучков с возможно допустимыми значениями, Участки объекта, где датчик 15 регистрирует положение пучков за допустимым значением при выставленной по датчику 14 плоскости сканирования, не подлежат измерению.

Измерение толщины .объектов происходит следующим образом.

Объект закрепляется в узле механической фиксации. Плоскость сканирования устанавливается в среднее положение. С помощью предметного столика 6 объект смещается перпендикулярно плоскости сканирования и устанавливается так, чтобы датчики 14 и 15 сигнализировали о правильном расположении плоскости сканирования относи" тельно объекта. Для измерения прозрачных объектов трубчатой, цилиндрической и плоскои форм в ЭВИ 18 производится вызов соответствующей программы и дальнейшей работой устройства управляет ЭВМ 18.

9 14657

Ролики 9 и 10 приводятся в движение и для измерений устанавливается начальный участок объекта. С помощью

pàò÷èêà l4 контролируется положение

Плоскости сканирования и при необхоб

Димости через блок 21 производится е коррекция. С помощью датчика 15 нтролируется перекос измеряемого частка объекта. Прн допустимой его 1О еличине измерителем 20 производится змерение длительностей импульсов — и . Результаты измерений через лок 17 поступают в 3ВМ 18, где пееводятся в толщины и запоминаются. ри наличии перекоса производится ереход к другой точке. Переход от дной точки измерения к другой осуествляется в зависимости от про раммы либо включением привода роли- 2О

|ков 9, либо включением привода роликов 10, либо обоих вместе„В первом ( случае происходит продольное смещение ,трубки и ролики 10 находятся в отжаToN cocToHHBH Во втором - IIDBopoT 25 трубки вокруг оси, прижим роликов 9, ослаблен, в третьем — спиральное движение трубки, причем в зависимости от скорости вращения роликов 9 и 10 устанавливаются шаг спирального дви,жения и скорость смещения. ! (04 l0

Формула изобретения

Устройство для дистанционного измерения толщины и расстояний,содержащее предметный столик с узлом фиксации объекта, предназначенный для вращения и продольного смещения объекта, лежащие в одной плоскости и расположенные по одну сторону от предметного столика оптически связанные источник узкоколлимированного пучка света и систему сканирования и формирования импульсов синхронизации, систему регистрации, выполненную из установленных последовательно по ходу отраженного от объекта пучка света объектива и регистрирующего фотоприемника, диафрагмированного ориентированной перпендикулярно плоскости сканирования щелью, и систему контроля взаимного расположения объекта и плоскости сканирования, содержащую два расположенных по обе стороны от объектива датчика рассогласования отраженньп; от объекта световыхпучков, о тличающе— е с я тем, что, с целью повышения быстродействия, оно снабжено узлом наклона плоскости сканирования, расположенным между источником и системой сканирования и электрически связанным с системой контроля.

1465704

I 465704

Составитель М. Куз нецов

Редактор А. Огар Техред g дидье Корректор М, прощи

Заказ 933/41 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытияи прн ГКНТ СССР

133035, Москва, Ж-35, Раумская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ym ород, ул. Гагарина,101