Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления

Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров. Цель изобретения - повышение точности и быстродействия - достигается за счет исключения погрешностей , связанных с определением фазы и амплитуды обрабатываемого сигнала , и уменьшения времени обработки сигнала путем использования обработки , в котором а определяется по отношению первой и третьих производных сигнала U(t). Лазер 1 облучает изделие 19 световым лучом, интенсивность которого изменяется модулятором 2 так, чтобы максимумы злектрического сигнала, полученные с выхода фотоприемника 5, в результате .сканирования дифракционной картины блоком 4 сканирования были равны по амплитуде. Электронная схема, подключенная к выходу фотоприемника 5, осуществляется вычислением по формуле а--л1и (t)/u (t). 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (191 (И1 (Ю 4 С 01 В 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 с.п. ф-лы, 3 ил.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ пО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4297097/24-28 (22) 10.08.87 (46) 30.03.89. Бюл. Р 12 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) В.И.Соколов и Г.Д,Фефилов (53)531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1357701, кл. С 01 В 11/08, 1985 ° (54) ДИФРАКЦИОННЬЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ

ЛИНЕЙНОГО РАЗМЕРА ИЗДЕЛИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров. Цель изобретения— повышение точности и быстродействия— достигается эа счет исключения погрешностей, связанных с определением фазы и амплитуды обрабатываемого сигнала, и уменьшения времени обработки сигнала путем использования обработки, в котором а определяется по отношению первой и третьих производных сигнала Н(с). Лазер 1 облучает изделие 19 световым лучом, интенсивность которого изменяется модулятором 2 так, чтобы максимумы электрического сигнала, полученные с выхода фотоприемника 5, в результате .сканирования дифракционной картины блоком 4 сканирования были равны по амплитуде.

Электронная схема, подключенная к выходу фотоприемника 5, осуществляется вычислением по формуле

1469352

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения поперечного размера волокон, проволоки, 5 отверстий, зазоров и т.п.

Цель изобретения — повышение точности, и быстродействия за счет исключения погрешностей, связанных с неточностью определения фазы и ампли- 1О туды обрабатываемого сигнала, и уменьшения времени обработки сигнала путем ис; ользования алгоритма -обработки, в котором размер определяется по отношению первой и третьей производных сигнала.

На фиг.1 изображена структурная схема предлаг: емого устройства на фиг.2 и 3 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

2О

Устройство для измерения линейного размера изделия (фиг.1) содержит оптически связанные лазер 1, модулятор. 2 интенсивности излучения, объектив 3, блок 4 сканирования дифракциt онной картины и фотоприемник 5, дат— чик 6 положения, блок 7 формирования нелинейно изменяющегося напряжения, три дифференциатора 8-10, два блока

11 и 12 выборки и хранения, блок 13 синхронизации, функциональный преобразователь 14, узел 15 измерения отношения напряжений, цифроаналоговый преобразователь 16, узел 17 сравнения, триггер 18. Датчик 6 положения связан с блоком 4 сканирования, выход 35 датчика соединен с входом блока 7 формирования нелинейно изменяющегося напряжения, выход которого подключен к управляющему входу модулятора 2 интенсивности излучения лазера 1, выход фотоприемника 5 соединен с входом первого дифференциатора 8, выход которого соединен с аналоговым входом первого блока 11 выборки

45 и хранения, с входом второго дифференциатора 9 и первым входом блока 13 синхронизации, его второй вход соединен с выходом датчика 6 положения, выход второго дифференциатора 9 соединен с входом третьего дифференциатора 10, выход которого соединен с аналоговым входом второго блока 12 выборки и хранения, выход блока 11 синхронизации соединен с логическими входами первого и второго блоков 11 и 12 выборки и хранения и установочным входом. узла 15 измерения отношения напряжений, первый и второй входы которого соединены с выходами, соответственно, первого и второго блоков 11 и 12 выборки и хранения, первый выход узла 15 измерения отношения напряжения соединен с входом цифроаналогового преобразователя 16, выход которого соединен с первым входом узла 17 сравнения, второй выход узла 15 измерения отношения напряжений соединен с первым входом триггера 18 и входом функционального преобразователя 14, выход которого соединен с вторым входом узла 17 сравнения, выход которого соединен с вторым входом триггера 18. Измеряется линейный размер изделия 19.

Способ осуществляется следующим

1 образом.

Ионохроматический когерентный пучок света, формируемый лазером 1, направляется через модулятор 2 интенсивности на изделие 19. Дифракционная картина от изделия 19 формируется в плоскости анализа с помощью объектива 3. Блок 4 сканирования дифракционной картины осуществляет сканирование дифракционной картины, а фотоприемник 5 преобразует распре.деление интенсивности дифракционной картины в электрический сигнал.

При достижении элементом сканирования, входящим в блок 4 сканирования дифракционной картины, крайнего положения, соответствующего пространственному положению центра нулевого максимума дифракционной картины, датчик 6 положения выдает сигнал, поступающий на вход блока 7 формирования нелинейно изменяющегося. напряжения, на выходе которого с момента по" ступления импульса формируется нелинейно увеличивающееся напряжение, форма которого обратно пропорциональна огибающей максимумы дифракционной картины и которое поступает на управляющиф вход модулятора 2 интенсивности, при этом на выходе модулятора 2 интенсивности изменяется во времени интенсивность излучения лазера 1 в соответствии с законом управ.— ления.

Периодический сигнал вида U(t)

= А,sin (akt) (фиг.2а, За), где kволновое число, А, — амплитуда сигнала, возникающего на выходе фотоприемника 5, трижды дифференцируется последовательно соединенными дифференциаторами 8-10. С выхода первого

1469352 диффс р нциатора 8 < игнал U (t) (фиг.2б, Зб) поступает также на первый вход блока 13 синхронизации и на аналоговый вход первого блока 11 вы5 борки и хранения. С выхода третьего дифференциатора 10 сигнал U (t) (фиг.2в, Зв) поступает на аналоговый вход второго блока 12 выборки и хранения, С момента появления сигнала на выходе датчика 6 положения, который поступает на первый вход блока 13 синхронизации в течение сканирования дифракционной картины, блок 13 синхронизации фиксирует момент перехода (, через ноль сигнала U.. (t) и по истечению заданного интервала времени формирует на выходе короткий импульс (фиг.2r, 3r), который поступает на установочный вход узла 15 измерения отношенчя напряжений, приводя составляющие его элементы в исходное состояние (нулевое), и на логические входы первого и второго блоков 11 и 12 выборки и хранения, где запоминается мгновенное значение амплитуды сигналов (соответственно U (г.) и U (t)) в момент выборки и хранится до момента появления следующего импульса на выходе блока 13 синхронизации.

Выходные напряжения первого и второго блоков 11 и 12 выборки и хранения, соответствующие амплитуде сигналов U (k) и U (t) в момент выборки поступают, соответственно, на первый и второй входы узла 15 измерения отношения напряжений, на первом выходе которог о формируется пропорциональный отношению напряжений позиционный код, который цифроаналоговым преобразователем 16 преобразуется в

40 постоянное напряжение V (фиг.2е, Зе).

Напряжение V на выходе цифроаналогового преобразователя 16 связано с размером измеряемого изделия 19 зависимостью а = КЧ, где К вЂ” ко45 эффициент пропорциональности. Для линеаризации передаточной характеристики измерителя необходимо выполнить операцию извлечения корня квадратного. Для этого после окончания формирования цифроаналоговым преобразователем 16 напряжения 3 на втором выходе узла 15 измерения отношения напряжений появляется короткий импульс (фиг.2д, Зд), который поступает на 55 вход функционального преобразователя

14 и первый вход триггера 18. При этом на выходе триггера 18 устанавливается сигнал высокого уровня (1 ) (фиг.2ж, Зж), а функциональный преобразователь 14 с этого момента вре-. мени вырабатывает нелинейно изменяющееся напряжение ч постоянного тока (фиг.2е, 3e), реализуюшее зависимость и согласованное с амплитудной характеристикой цифроаналогового преобразователя 16.

Выходные напряжения функционального преобразователя 14 и цифроаналогового преобразователя 16 (фиг ° 2е, Зе) поступают, соответственно, на первый и второй входы узла 17 сравнения, в момент равенства поступивnmx на входы напряжений (фиг.2е, 3e) на выходе узла 17 сравнения формируется короткий импульс, который поступает на второй вход триггера 18 и переворачивает его. На выходе триггера 18 появляется сигнал низкого уровня ("0") (фиг.2ж, Зж).

Длительность импульса положительной полярности (фиг,2ж, Зж) на выходе триггера 18 прямо пропорциональна линейному размеру измеряемого изделия 19, В качестве элементов в устройстве могут быть использованы следующие элементы: Не-Ne лазер ЛГН-208; оптический модулятор ИЛ-5, объектив (Сурье †преобразующ линза), в задней фокальнои плоскости которой формируется дифракционная картина, соответствующая дифракции Фраунгофера, сканирующее устройство, выполненное в виде вращающегося зеркала, датчик положения выполнен в виде оптопары (фотодиод ФД-256 и светодиод АЛ-107) с открытым оптическим каналом и прЕ- ° рывателя, установленного на основании вращающегося зеркала и жестко связанного с осью вращения," блок нелинейно изменяющегося напряжения, состоящий из триггера (микросхема

K155TM2), счетчика (К155ИЕ5), дешифратора-демультиплексора .(К155ИДЗ) источника опорного напряжения (142ЕН2Б), электронных ключей (микросхемы 590КН5), набора проводимос- . тей (резисторы типа ОМЛТ-О, 125), решающего операционного усилителя, работающего в режиме активного RC-фильтра (К544УД1А); фотоприемник (фотодиод ФД-256, работающий в паре с операционным усилителем К544УД1А), первый, второй и третий дифференциаторы (дифференциаторы с формирующеинерци15

5 146935 онными звеньями на базе операционных усилителей К544УД1А); первый и второй блоки выборки и хранения (микросхемы К1100СК2); блок синхронизации

5 содержит триггер (К155ТИ2) и последовательно соединенные компаратор

521 САЗ, жидкий мультивибратор, формирователь узкого импульса (микросхема К155АГЗ) и логический элемент

10 (К155ЛАЗ), второй вход которого соединен с выходом триггера, функциональный преобразователь состоит из ждущего мультивибратора (К155АГЗ), генератора импульсов, выполненного на двух последовательно включенных инверторах (К155ЛН1) с кварцевым резонатором в петле обратной связи, счетчика импульсов (К155ИБ5), дешифратора (К155ИДЗ), набора электронных ключей (микросхемы 590 KEI5), набора проводимостей (резисторы ОМЛТ-О, 125), операционного усилителя К544УД1А с

RC-цепью в петле отрицательной обратной связи; цифроаналоговый преобра- 25 зователь (микросхема 594 ПА1); узел сравнения (последовательно соединенные микросхемы 521САЗ и К155АГ1); триггер (микросхема К155ТМ2); узел измерения отношения, напряжений состоит из входных каскадов усиления (микросхемы К544УД1А), источника опорного напряжения (142ЕН2Б), логического элемента 2И (К155ЛАЗ), гене" ратора импульсов заполнения, выполненного на последовательно включенных двух инверторах (К155ЛН1) с кварцевым резонатором в петле обратной связи, счетчика импульсов (К155ИЕ5) и времяимпульсной делительной схемы, на выходе которой частное отображается длительностью импульса, который при помощи логического элемента 2И и генератора заполняющих импульсов заполняется импульсами высокой частоты, которые регистрируются счетчиком.

Возможны два временных режима работы измерительного устройства: если время преобразования информации (сумма .времени измерения отношения, цифроаналогового преобразования и вычисления корня квадратного из полученного отношения) приблизительно равно или превосходит период измерительного

55 сигнала, то режим работы соответствует рассмотренному, т.е. осуществляется привязка к моментам перехода через ноль сигнала после дидхЬевен2 6 цирования (фиг.2); если время преобразования значительно меньше периода сигнала, то за один период сигнала выполняется несколько циклов измерения (фиг.3). В этом случае между моментами перехода сигнала через ноль на выходе блока 13 синхронизации появляется пачка импульсов, которые задают частоту измерений. Для обеспечения такого режима работы в блок 13 синхронизации дополнительно вводится логически управляемый генератор импульсов, который включается между ждущим мультивибратором и формирователем узкого импульса.

Для получения сигнала одинаковой полярности на выходах первого и третьего дифференциаторов дифференцируемый сигнал поступает на неинвертирующий вход первого и второго дифференциаторов и на инвертирующий вход третьего дифференциатора.

Формула и з о б р е т е н и я

1. Дифракционный способ измерения линейного размера изделия, заключающийся в том, что облучают объект когерентным монохроматическим пучком света, формируют дифракционную картину, которую сканируют с одновременным выравниванием освещенности дифракционных максимумов и преобра» зованием полученного измерительного сигнала в гармонический электрический сигнал, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и быстродействия, игновен» ное значение гармонического сигнала трижды последовательно дифференцируют, измеряют в заданный момент времени значения амплитуды сигнала после первого и третьего дифференцирования, вычисляют отношение значений амплитуды третьей к амплитуде первой производных от гармонического сигнала, о размере судят по результату извлечения корня, квадратного из отношения значений третьей и пер-. вой производных.

2. Устройство для измерения линейного размера изделия, содержащее оптически связанные лазер, модулятор интенсивности-излучения, объектив, блок сканирования дифракционной кар тины и фотоприемник, датчик положе" ния. связанный с блоком сканирования, 146 блок формирования нелинейно изменяющегося напряжения, вход которот о подключен к выходу датчика положения, а выход — к управляющему входу модулятора интенсивности, о т л и ч а— ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, оно снабжено последовательно соединенными первым, вторым и третьим дифференциаторами гармонического сигнала, первым и вторым блоками выборки и хранения, блоком синхронизации, блоком ,вычислений, состоящим из функционального преобразователя и последовательно соединенных узла измерения отношения напряжений, цифроаналогового преобразователя, узла сравнения и триггера, выход фотоприемника соединен с входом первого дифференциатора, выход которого соединен также с ана9352 8 логовым входом первого блока выборки и хранения и первым входом блока синхронизации, выход третьего дифференциатора соединен с аналоговым входом второго блока выборки и хранения, выход датчика положения соединен с вторым входом блока синхронизации, выход которого соединен с логически1О ми входами первого и второго блоков выборки и хранения и установочным входом узла измерения отношения напряжений, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго блоков выборки и хранения, второй выход узла измерения отношения напряжений соединен с вторым входом триггера и входом функционального преобразователя, выход которого соединен с вторым входом .узла сравнения.

Фиа 2

1469352

Составитель В,Чулков

Техред Л.Сердюкова Корректор Л.Патай

Редактор Т.Парфенова

Заказ 1349/47 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при . Т С, и ГЕНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

П оизводственно-издательский комбинат Патент, r. Ужгород, ул. р

ll и

Гага ина 101