Способ измерения расстояния до объекта
Изобретение относится к метрологии, к средствам измерения расстояния и формы объектов. Цель - расширение диапазона измеряемых расстояний - достигается за счет того, что освещение объекта проводят имff-Т пульсами с длительностью 10 -10 с при плотности мощности 102-105 Вт/см2, а в качестве информационного параметра используют мнтерзая времени между моментом генерации оптическом импульса и моментом регистрации переднего фронта акустического импульса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
союз советских социАлистических
РЕСПУ6ЛИК (я>я 6 Оl В 17/00
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
К ПАТЕНТУ (21) 4808967/28 (22) 30.03.90 (46) 15.08.93. Бюл. М 30 (76) А.А,Бендицкий и Е.Б.Шелемин (56) А.Johus "Application of comvufor
technigues to the inspection of furblne blades"
Airerast Engineering, 1986, чо1 58, В 9, р.1014,16.
"Laser in Manufacturing 3-rd Biennial
International Machine Tool Techr lñàl
Conferense, Sept. 3-10, 1986, р.4-185 (прототип).
Изобретение относится к метрологии, к. средствам измерения расстояния и формы объектов.
Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых расстояний в сторону их увеличения, На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит лазер 1, модулятор
2, ответвитель 3, фокусирующую оптичес«уе систему 4, установленные последовательно на оси лазера 1, объект 5, оптически .связанный с лазером 1, приемник акустического излучения 6, приемник оптического излучения 7, блок питания 8 модулятора 2, выход которого связан с входом модулятора
2, пороговый блок 9, измеритель временных интервалов 10, к входу "ЗАПИСЬ" которого подключен выход приемника оптического излучения 7, а к входу "СТОП" — выход по„„Я „„1835048 АЗ (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ
ДО ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к метрологии, к средствам измерения расстояния и формы обьектов, Цель — расширение диапазона измеряемых расстояний — достигается за счет того, что освещение обьекта провоуят импульсами с длительностью 10 — 10 с при плотности мощности :0 -10 Вт/см, а в качестве информационного параметра используют интервал времени между моментом генерации оптическorо импульса и моментом регистрации переднего фронта акустического импульса. 1 э.п. ф-льь 1 Nit, рогового блока 9. Приемник акустического излучения б акустически связан через среду
11 с поиповерхностным слоем 12 среды 11 и поверхностью объекта 5. Индексом 13 обозначена акустическая волна.
В качестве соеды 11 могут быть использованы как газы (инертные по отношению к элементам устройства и обь кту), так и жидкости (например, вода), обладающие прозрачностью для лазерного излучения, В качестве приемника акустического излучения б могут быть использованы микрофоны различных типов.
В качестве приемника оптического излучения 7 могут быть использованы приемники фотонного или теплового типа с достаточно высоким быстродействием.
В качестве порогового блока 9 может быть использована микросхема — триггер
Шмидта, блока питания 8 — генератор типа
ЛА-7, модулятора 2 — кристалл КДР (для лазера видимого и ближнего ИК диаг..-. она), 3
1835048 (тветвител; 3 — пласкопараллельная пла(ггин;), праэрач:-!ая для излучения, измерите
) я временных интервалов 10 — счетчик типа
Ч3-34, фокусирующей оптической системы
4 — линза иэ материала, прозрачного для излучения, В устройства может быть введена схема формирования переднега фронта электрического импульса, включенная f;e) В ус1райства могу быть введены измеритель давления среды (газа), измеритель. температуры среды (газа) и измеритель сос. ава среды (газа). В устройство может быть введен дополнительный объект, расположенный на известном расстоянии, используемый для калибровки. Вход "СБРОС" измерителя временнага интервала 10 мажет быть связан с одним из выходов праграммнага блока(на чертеже не показан), другой выход мо>квт бьггь подключен к входу запуска блока питания 8 морулq «()ра ., Предлагаемый способ эаключаеть1 в сле qy р-ищем Объект 5 асвеща ат иь:пульсным лазер.Ы". :К)ЛЯЧЕНИЕМ И Г)ЕГИСТРИРУЮТ ПЕРЕДНИЙ, ;аан; акустической Be)litt,), B<)3hикающеи и а и « I - "p e ., « f f o B B px I 0 (Tt t а «1 д; та . "i и р и и О t)ep> t Milli: Зульса и моментам реГистрации переднсГа франта акус1ич ского импульса, v —. cK0рость распра транени«". звукe в среде расп ало)«кен «1ай ме;кду Объектам Ь t«t I1pt ief«t н .fKo»;; <устическаго иэлуче,,ии 6, В качестве средь. l 1 могут использоваться газы (смеси газов) и жидtæñòè прозрачные для излучения лазара 1. При использовании жидкасп. "в качестве саеды появляется возможность испаль.Оьа -ь более короткие импульсы О11тическага излучения, что в сваю очередь позволяет увеличить диапазон измеряемых расстояний в несколько раз, так как затухание звука уменьшается. Диапазон длительностей импульсов 10 — 10 ". обусловлен с нижней стороны сложностью их формирования, регистрации и большим затуханием (в воздухе а 1 см при f=1 МГц), а с большей стороны — сложностью выделения переднего фронта, а следовательно, снижением точности измерений, Диапазон плотности мощности 10 -10 Вт/см обусловлен с нижней стороны ос2 лаблением нагрева, следовательно, уменьшением амплитуды звукового сигнала, с верхней — возникновением явления пробоя существенно искажающего акустический импульс и приводящего к уменьшению точк ности измерений. Работа устройства, выполненного в соответствии с предлагаемым способом осуществляется следующим образом. Пучок лазерного излучения от лазера 1 мадулируют модулятором 2, управляемом блоком питания 8 и направляют на ответви20 тель 3, одна часть излучения с которого попадает на приемник оптического излучения 7, где ана преобразуется в электрический сигнал, который подают на вход "ЗАПУСК" измерителя временных интервалов 10. Друraft часть излучения фокусируется фокусирующей оптической системой 4 на поверхности объекта 5, вследствие поглощения оптического излучения поверхностью обьекта 5 происходит ее нагрев и нагрев припаверхнастнаго слоя среды 1 (газа), что и служит причиной генерации акустической волны с амплитудой А. Р... (rj«1//2 .ЯГ. 1 В . V . « 35 (il. ° с р)" - - c где Рв — интенсивность лазерного излучеНИЯ; тя — длительность импульса; P — коэффициент объемного расшире40 ния среды (для газа P =1/273), Я -- коэффициент теплапередачи поверхность-среда; (для металл-воздух g = 10 ); см град. ч — скорость звука в воздухе; ро — плотность воздуха; А — коэффициент теплапроводности материала абьекта; с — теплоемкость материала объекта; р- плотность материала объекта; с — теплоемкость среды (для воздуха 1О- 3 Дх< см град Акустическая волна 13 распространяется m. поверхности обьекта 5 через среду к приемнику акустического излучения 6 и достигая ега преобразуется им в электриче- . ский сигнал, который подается на вход порогового блока 9, на выходе которого фор1835048 мируется сигнал (импульсный), соответствующий времени прихода на приемник акустического излучения переднего фронта акустического импульса, с выхода порогового блока 9 сигнал подают на вход "СТОП" 5 измерителя временных интервалов 10 и с s выхода его снимают показание t = —. ч При известном v определят расстояние от объекта s=t v. 10 При наличии в устройстве измерителя давления среды, температуры среды, измерителя состава газа могут быть введены поправки на скорость звука ч, что позволит увеличить точность измерений, например, 15 (в воздухе) при Т= 0 С, v= 331,8; при Т= =-+ 10 С, v- =337,8 м/с; для воздуха при Т =+100 С, v=387,2 м/с; для азота при Т= =+100 С, v = 394,1 м/с. Скорость звука может быть получена 20 прямым способом, при измерении объекта, расстояние до которого известно с высокой точностью, При работе целесообразно выбирать угол между осями лазерного излучения и 25 осью чувствительности приемника акустического излучения близким к нулю или использовать введение поправки (при угле отличном от нуля), исключающей возникнсвение погрешности при изменении расстояния от при- 30 емника акустического излучения до обьекта. Возможна работа устройства в частотном режиме„при этом временной интервал между импульсами лазерного излучения должен быть больше времени окончания пе- 35 реходных процессов в приемнике акустического излучения. Разработано и испытано устройство, реализующее предлагаемый способ в соответствии с приведенным выше описанием с 40 использованием лазера — "модель 143"(Л= = 10,6, импульсный т„= 10 с, плотность мощности в зоне объекта Ps = 10 Вт/см ), 3. 2 микрофон типа — МД64, порогового блока триггера Шмидта, приемника оптического 45 излучения типа АТП (пост. времени 10 9 с) и счетчика типа ЧЗ-34, объекта — сталь ст.30, При испытаниях получен диапазон измерения расстояния от 10 до 5000 мм при 50 разрешающей способности 5 10 мм и точности + .20 мкм (в прототипе предел измерений «+. 2 мм, точность 10-20 мкм), кроме того в прототипе точность измерений существенно зависит от состояния поверхности (обработки) и результат измерений не определен при попадании пятна излучения на край или уступ поверхности, предлагаемый способ свободен от этих недостатков. Одь ним иэ преимуществ предлагаемого способа является воэможность измерения расстояний до объектов, не отражающих звук (что при использовании ультразвуковых датчиков не позволяет измерять расстояние до объекта), например, ткани, бумаги и т.п., другим — возможность получения высокого пространственного разрешения до 0,5 мкм (Лазер Л = 0,3 мкм), ограниченного лишь возможностями фокусировки излучения лазера на поверхности объекта. Предлагаемый способ может быть использован в приборостроении для создания автоматизированных систем контроля геометрических размеров и формы деталей и состояния их поверхности. Формула изобретения 1, Способ измерения расстояния до объекта, заключающийся в том, что освещают объект лазерным излучением, регистрируют провэаимодействовавшее с поверхностью изделия излучение, по параметрам которого судят о расстоянии, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых расстояний, освещение производят импульсами, „цлительность которых составляет 10 -10 с при плотности мощности 102-10 Вт/см2, измеряют момент вступления переднего фронта акустического импульса провзаимодействовавшего сигнала, в качестве параметра используют интервал времени между моментом генерации оптического импульса и моментом регистрации переднего фронта акустического импульса. 2,Способпоп.1,отличающийся тем, что объект освещают через оптически прозрачную жидкость, 1835048 Составитель А.бендицкий Техред М.Моргентал Корректор М.Андрушенко Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2712 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открмтиям при ГКНТ СССР 113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5
