Устройство для дистанционного измерения толщины и расстояний

 

Изобретение относится к области измерения линейных размеров оптическими методами преимущественно прозрачных цилиндрических и трубчатых объектов. Цель изобретения - обеспечение измерения поперечных размеров прозрачных цилиндрических и. трубчатых объектов за счет корректировки положения объектов. Устройство для дистанционного измерения толщ1-1ны плоских непрозрачных объектов использует сканирование лазерного пучка света и формирование длительностей импульсов, берущих начало от опорного уровня, а конец - на поверхности объекта. Объект закрепляется на предметном столике, позволяющем смещать его дпя измерений с помощью электромеханических приводов, в устройство введена система коррекции, электрически связанная с приводами предметного столика, состоящая из двух датчиков рассогласования световых пучков и двух однокоординаточуватвительных детекторов, система позволяет корректировать как перекос, так и поперечное смещение объекта. 6 ил. (Л к О5 о Од 00 оо

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 С 01 В 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЙНЕЛ;:".i

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3778098/24-28 (22) 08.08.84 (46) 30.09,86. Бюл. Р 36 (71) Ташкентский ордена Трудового

Красного Знамени государственный университет им. В.И.Ленина (72) А.Г.Колесников и A.Â.Õàéäàðoâ (53) 531.7(088.8) (56) Заявка ФРГ Р 233948, кл. G 01 В 3/18, 1974. .(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО

ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ И РАССТОЯНИЙ (57) Изобретение относится к области измерения линейных размеров оптическими методами преимущественно прозрачных цилиндрических и трубчатых объектов. Цель изобретения — обеспечение измерения поперечных размеров прозрачных цилиндрических и трубчатых объектов за счет корректировки положения объектов. Устройство для дистанционного измерения толщины плоских непрозрачных объектов использует сканирование лазерного пучка света и формирование длительностей импульсов, берущих начало от опорного уровня, а конец — на поверхности объекта. Объект закрепляется на предметном столике, позволяющем сме- щать его для измерений с помощью электромеханических приводов, в устройство введена система коррекции, электрически связанная с приводами предметного столика, состоящая из двух датчиков рассогласования световых пучков и двух однокоординаточувствительных детекторов, система позволяет корректировать как перекос, так и поперечное смещение объекта.

6 ил.

1260683 2

30 т 35

40 — 45

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров оптическими методами, например для определения толщины прозрачных объектов плоской, цилиндрической и трубчатой форм, непрозрачных плоских объектов,а также для измерения расстояний до них.

Целью изобретения является обеспе чение воэможности измерения прозрачных объектов цилиндрической и трубчатой формы за счет корректировки положения объекта.

На фиг. 1 схематически представлено устройство, на фиг. 2 — блоксхема электронного блока, на фиг.3— ход лучей в случае, когда геометрическая ось цилиндрического объекта отстоит от плоскости сканирования на величину г, на фиг. 4 — образование рассогласованных и согласованных световых пучков, отраженных от цилиндрического объекта, и возможность применения специальных фоточув ствительных линеек для контроля рассогласования пучков; на фиг. 5 работа датчиков рассогласования световых пучков, отраженных от цилиндрического объекта; на фиг. 6 — работа координаточувствительных детекторов по контролю установки объекта для измерений.

Устройство для дистанционного измерения толщины и расстояния содержи источник 1 узкоколлимированного пучка света, систему сканирования свето вого пучка и формирования импульсов синхронизации, состоящую из узла 2 сканирования, зеркал 3 и двух фотоприемников 4.1 и 4.2 с диаграммой, предметный столик 5 с измеряемым объектом б, приводы 7 смещения столика 5 в плоскости сканирования, при воды 8 смещения перпендикулярно плос кости сканирования, привод 9 поворота цилиндрического объекта 6 вокруг оси, привод 10 продольного смещения, объектив 11, установленный по ходу отраженного пучка света, регистрирующий фотоприемник 12 с диафрагмой, систему коррекции, состоящую из двух дополнительных источников 13 узкоколлимированного пучка света, двух линз 14, связанных с ними, двух каор динаточувствительных детекторов 15 и двух датчиков 16 рассогласования, и электронный блок 17, который содержит формирователь 18, переключатель 19 программ, измеритель 20, регистратор 21, узел 22 управления приводами коррекции в плоскости сканирования, узел 23 управления приводами движения перпендикулярно плоскости сканирования, узел 24 управления поворотом цилиндрического объекта вокруг оси, узел 25 управления продольным смещением измеряемого объекта.

Устройство работает следующим образом.

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

За прямое прохождение пучка принято направление, при котором сначала появляется импульс на фотоприемнике

4.1, затем импульс на фотоприемнике

12 и завершающий прохождение импульс на фотоприемнике 4.2, обратное — соответственно импульс на фотоприемнике 4 ° 2, импульсы на фотоприемнике 12 и импульсы на фотоприемнике 4.1. Все эти импульсы поступают в формирователь 18, который формирует импульсы только при прямом прохождении пучка, длительность которых равна времени между появлением импульса на фотоприемнике 4.1 и на фотоприемнике 12 (t ), что соответствует расстоянию от воображаемой плоскости С-С до поверхности объекта; времени между появлением первого и второго импульса 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 импульса на фотоприемнике 12 (t>), что соответствует для трубки расстоянию от внешней поверхности передней стенки до внутренней поверхности задней стенки, времени между появлением первого.и четверто- . го импульса на фотоприемнике 12 (t<), что соответствует внешнему диаметру трубки, времени между появлением импульса на фотоприемниках 4.1 и

4.2 (t ), что соответствует расстоянию между плоскостями С-С и М-М, or1260683 раничивающими измеряемое пространство, и служит стандартом для контроля за работой устройства.

Плоскости С-С и M-M перпендикулярны к плоскости сканирования. Со- 5

d sin$d отношение — = --.— -- — --, получаеА з1п(2ссо -(d) мое из геометрических построений, описывает зависимость угла поворота луча g d в зависимости от толщины d, отмеряемой от плоскости С-С, где А— расстояние от сканирующего элемента до плоскости С-С, Ы вЂ” угол падения на эту плоскость и максимальный угол поворота луча,н являются постоянными величинами конкретного устройства и определяются экспериментально. Если сканирование осуществляется по синусоидальному закону

sin >,t, где Q, — циклическая частота сканирования, то угол поворота луча при изменении толщины определяется соотношением д = /myosin Qq а Б п Яо (ty + 11) где t- — время поворота луча из сред-25 него положения до появления импульса на фотоприемнике 4;1 при прямом прохождении луча (сд,t,>100), ь t> временные интервалы t,, t, +

+ t, t + t4, t> Переход от 30 временйых интервалов к толщинам производится через калибровочную кривую, 1 дающую зависимость длительности импульса t от расстояния L от опорной плоскости С-С до поверхности 35 эталонного плоского образца, который последовательно, шаг за шагом отодвигается от плоскости С-С, оставаясь параллельным к ней ° Используя установленную зависимость, из измеренных 40 длительностей временных интервалов определяются толщины прозрачных объектов. Длительность интервала t показывает расстояние с, от плоскости С-С, принятой за начало отсчета,. 45 до поверхности объекта. Толщины определяются временными интервалами

+ tz С, + t5, Г, + Г4 котоРые по той же зависимости дают расстояния от плоскости С-С до измеряемых 50 поверхностей — с,, Р, на которых получаются: толщйна йередней стенки .d = У вЂ” Х, объекта, расстояние от внешней поверхности передней стенки до внутренней поверхности задней 55 стенки D - =7 — E внешний диаметр объекта 6 (трубки) D „ = 24

Определенные таким образом толщины, вследствие преломления в материале, отличаются от истинных и связаны с ними следующими соотношениями:

М

d Я

cos Ы

cos o нст

D = D ьн р, где с1 — толщина передней стенки трубки с учетом преломления, 1

Ы вЂ” угол падения луча при измерении стенки, D« — внутренний диаметр трубки, вн1тр ж — угол падения луча при измерении величины D, n — показатель преломления материала объекта 6 (трубки).

Для введения поправок необходимо знать показатель преломления материала объекта п и зависимость угла падения луча сс, от длительности временных интервалов, которая соответствует различным положениям измеряемой поверхности объекта 6 в измеряемом пространстве и определяется из данных калибровки измеряемого пространства.

Калибровочная кривая — график зависимости tt от L — - строится поточечно, т ° е. дискретными изменениями L. Значит для каждого L> (n = 1, 2,3,...) по приведенным уравнениям можно составить следующие соотношения

sin 1 .Я=»

sin(2N «,— 1I „) Leman

+ Lq т

l „= It tsin М,(t + t, ) з1п с 4("о

rpe L = 0, t,1= О.

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

Все элементы устройства, входящие в оптическую схему, лежат в одной плоскости, плоскости сканирования светового пучка. Для измерения поверхность плоских объектов должна располагаться перпендикулярно к плоскости сканирования пучка. Если поместить в оптическую схему объект цилиндрической формы (фиг. 3), геометрическая ось 00 которого параллельI на плоскости сканирования NN но отстоит от нее на r, то отраженные от объекта пучки разойдутся под углом

1260683

9 к падающему пучку и не попадут на регистрирующий фотоприемник 12.

Только когда геометрическая ось цилиндрического (трубки) объекта 6 будет лежать в плоскости сканирования, геометрическая ось параллельна опорным плоскостям С-С и М-М, возможно .измерение объекта. Так как падающий световой пучок имеет размеры r, то отраженные пучки вследствие кривизны поверхности будут представлять собой световые полосы неравномерной интенсивности (фиг. 4). Максимум яркости приходится на центральную часть полоски, а к краям интенсивность спадает. Если пучок падающего на цилиндрический объект света не проходит через геометрическую ось, то отраженные пучки представляют собой две параллельные симметрично сдвинутые полосы 26 и 27, т.е. имеется рассогласование отраженных пучков, Когда падающий пучок проходит через геометрическую ось, то отраженные пучки представляют собой параллельные полосы 28 и 29 (фиг. 4)— согласование отраженных пучков. При сканировании светового пучка, падающего на цилиндрический объект 6, отражение пучков происходит вдоль З0 некоторой длины объекта. Контроль рассогласования отраженных пучков в двух крайних точках этой длины обеспечивает установку геометрической оси этого участка в плоскость 35 сканирования. Датчики 16 рассогласования световых пучков, представляющие собой фоточувствительные линейки, могут быть выполнены, например, в виде линеек из шести фотоэлементов !! с размерами фоточувствительной области,сравнимой с размерами отраженного светового пятна. Расстояние между фотоприемниками выбирается таким,что при прохождении через любое место 4> линейки световой пучок вызывает электрический импульс. Линейка из фотоэлементов устанавливается перпендикулярно плоскости сканирования та ким образом, что, когда геометричес- 50 кая ось объекта находится в плоскости сканирования, падающие в центральную область линейки пучки приводят к возникновению электрических им" пульсов на фотоэлементах 30 и 3! 55 одновременно (фиг. 4). Если геометрическая ось выйдет из плоскости сканирования, то одновременность электрических импульсов на фотоэлементах 30 и 31 исчезнет и появятся импульсы на фотоприемниках 32 и 33 или 34 и 35, линейку можно разделить на две части — верхнюю и нижнюю и судить о месте прохождения светового пучка через линейку по месту возникновения электрических импульсов.Для коррекции установки геометрической оси участка измеряемого цилиндрического (трубчатого) объекта используются две такие линейки фотоэлементов, расположенные по обе стороны объектива 11.

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

Световые пучки (фиг. 5a), отраженные от объекта 5 и проходящие через объектив 14 линейки, представляют 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 сканирования.

Световые пучки (фиг. 5б), проходящие на линейки через объектив 11, представляют 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) представляют собой две перекрещивающиеся на объективе 1 полоски. Такой вид полосок говорит о том, что объектив 6 наклонен относительно плоскости сканирования. 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 нижней части правой линейки и в верхней части левой, то надо правйй торец объекта 6 опускать, а левый поднимать.

Полоски скрещиваются (фиг. 5г), и узел скрещивания приходится на левую линейку. В этом случае на ле1260683 ной линейке первый и второй им11уль— сы возникают в верхней и нижней половинах одновременно. Левый торец объекта 6 остается неподвижен, а направление смещения правого торца 5 зависит от того, через какую часть линейки пройдет первым световой пу— чок: через верхнюю — вверх, через нижн1ою — вниз .

Полоски скрещиваются (фпг . 5д), и узел скрещивания приходится на правую линейку. Аналогично случаю четвертому праный "îðåö неподвижен, а направление смещения левого торца зависит ат того, через какую часть ли 11 ей ки I I P of i j C c ò и с Р 13 ь!Й с II U T 0 D Q I I п У чак.

Таким образ ам, комбинация электрических импульсов адновреме11на указывает, в каку:о сторону неабхоцимо смещать объект 6 для yc I allow cII геометрической аси н и IocIcoc ть скани— роьания. Е асш1ефров1,у кае бпнацип элекрических импульсов и подачу сигналан на приводы пред»el llol o столика для коррекции в плоскости, нерпендиIC gs < $I P H OI I I I J I O C IC O C T I I С К а Н11 P CI E3 CC I I > I II О С У— ществляет узел 23 упранле11ия. Нали чие 11ескольких фатапре1емпикон 11а лпнейке можно использовать для изменения скорости смеще11и11 объекта так, если пучки падают на фатапр..1еме1ики

Ф II Ч Та CICOpOCT СМЕ1ЦЕНИн МаЕ СИ мальпа, если Ila Ф„п ф — минпмальна.

Цил1ендрические (трубчатые) абъек- 35

ТЕ>1 отлича1отся от идеального цилиндра, они имеют прогиб и неацйородности толЕци11ы, связанные с технологией производства. Поэтому н процессе измерения необходимо корректировать 40 положение объекта, чтобы поверхности измеряемого участка были параллельны опорным плоскостям С-С и H†- М. Для этой цели использу1отся коардинаточувствительные детекторы 15. Работа детектора 15 па контролю устананки объекта 6 представлена па фиг. 6.

Передняя поверхность (фиг. 6а) измеряемого участка объекта 6 параллельна опорным плоскостям. Световые 50 пучки от источников 73, пройдя через линзы 14 и атраз IalllIIcI от передней поверхности объекта 6, попадают г центральную область координата:еувствительных,цетектарав 15 — электричес-у кий сигнал отсутствует.

Передняя поверхность (фиг. 6б) па.раллельна опорным плоскостям, но ниже первоначально установленного положение1. Световые пучки не попадают в центральную область детекторов 15, с правого и левого детектора 15 снимается сигнал одной полярности (для апрсделеннасти примем полярность согласно рисунку фиг. 6) положительной. Обьект надо смещать вверх.

Перед Еяя поверхность (фиг. 6в) параллельна опорным плоскостям, но выше первоначально установленного положения. С правого и левого детектора

15 снимается сигнал отрицательной полярности. Объект 6 необходимо смещать вниз.

Объект (фиг. 6г) наклонен вправо.

С правого детектора 15 снимается сигнал положительной полярности, с ленога — отрицательной. Правый торец объекта 6 необходима смещать вверх, а левый вниз.

Объект (фиг. бд) наклонен влево.

С правого детектора 15 снимается сигнал отрицательной полярности, с ленога — положительной. Правый торец абъе <1а 6 необходима смещать вниз, а левый вверх.

Таким образом, используя дна коард11натачунствительных детектора 15, пер едЕною поверхность измеряемого у=еастка об.ьекта 6 можно однозначно устанавливать параллельно опорным плоскостям н одно и то же место. Подача сигналан на приводы смещения предметного столика и плоскости скаЕп1ронания осуществляется с помощью узла 22 управления.

Измерение цилиндрических или трубчатых объектов происходит следующим образом (фиг. 1 и 2).

Объект 6 закрепляют на предметном столике 5 и, установив на переключателе 19 программ режим коррекции объекта, приводят, в движение привод

10 продольного смещения гредметного столика и устанавливают объект 6 для измерения у левого торца. Затем приводят в дв1ьжение приводы коррекции для устанонки объекта так, чтобы световые пучки, атражееип.1е от объекта, попали на коардинаточувствительные детекторы 15 системы коррекции. После, этого устапавлина1от на переключателе 19 программ режим автоматической коррекции. Система коррекции, управляя приводами предметного столика 5, устанавливает участок объекта 6 для измерений. Измерения начинаются в

12606 зависимости от установки программы либо от внешнего сигнала (кнопки), о либо автоматически при поступлении на переключатель 19 программ сигнала

"Установка объекта завершена". Переключатель 19 программ подает импульс

"Измерение разрешено" на формирователь 18 импульсов. Формирователь 18 из поступающих на него импульсов

"Начало измерения" от фотоприемника

4.1 "Конец измерения" от фотоприемника 4.2 и "Информация" от регистрирующего фотоприемника 12 формирует

4 поступлении на формирователь 18 импульса "Измерение разрешено" на измеритель 20 поступает импульс t, для измерения. Результат измерения записывается регистратором 21, который по окончании регистрации выдает сиг-. 2О нал "Конец печати" на переключатель

19 программ. Переключатель 19 программ в зависимости от установленной программы повторяет измерение необходимое число раз и после последнего измерения и регистрации t c приходом импульса "Конец печати" дает команду на формирователь 18 для измерения t . Затем на измеритель 20 поступает импульс t для измерения.

Измерение t ïðîèñõîäéò также согласно уставовленной программе необходимое число раз, по окончании последнего измерения и регистрации t с приходом импульса "Конец печати" переклю- 35 чатель 19 программ дает команду на формирователь 18 для измерения импульса t . Импульс t измеряется аналогичйо. Таким же образом измеряются импульсы t. и . По окончании 4О последнего измерения и регистрации с приходом импульса "Конец печати" переключатель 18 программ s зависимости от программ либо выдает сигнализацию "Измерение серии за- 45 вершено", либо подает сигнал на узел 24 управления для поворота объекта 6. Узел 24 управления снаб83 10 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, входящий в узел 24 управления, выдает на переключатель программ импульс "Оборот завершен". Переключатель 18 программ в зависимости от программы либо выдает сигнализацию "Измерение цикла серий завершено", либо подает сигнал на узел управления 25 для смещения объекта.

Повороты и смещения объекта при измерениях продолжаются до тех пор, пока концевой выключатель предметного столика 5 не остановит устройство.

Формула изобретения

Устройство для дистанционного измерения толщины и расстояний, содержащее предметный столик с приводами и расположенные по одну сторону от предметного столика источник узкоколлимированного пучка света, систему сканирования светового пучка и формирования импульсов синхронизации и систему регистрации, включающую в себя объектив, установленный по ходу отраженного пучка света, и фотоприемник с диафрагмой, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью обеспечения измерения толщины прозрачных объектов цилиндрической и трубчатой форм, оно снабжено системой коррекции положения объекта, электрически связанной с приводами предметного столика и выполненной иэ двух датчиков рассогласования световых пучков, расположенных по обе стороны оптической осй объектива в плоскости сканирования пучка, и двух координаточувствительных детекторов, лежащих в плоскости сканирования пучка.

1260683 иг. 1

1260683

1260683

Составитель Е.Глазкова

Техред Л.Олейник Корректор С.Черни

Редактор А. Куликов

Заказ 5214/36 Тираж 670 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óèòîð д, у . р о л.П оектная 4