Способ измерения расстояния до объекта

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) я 5 6 01 В 17/00 ПАТЕНТУ чоГог адез" р,10 елпа Ипса5 проОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) САНИЕ ИЗОБ(56) АЗопОз АррсдтОп от со1 есЬпдиез 1 о йе пзрестоп о 1 ЬгЫпеАгегазт Епдпеегпд, 1986, чо 58, Ь14,16."азег и Мапцас 1 цгпд 3-гб Вптегпа 1 опа МасЬпе Тоо ТесСопГегепзе, Яерт. 3 - 10, 1986, р.4-18тоти и). Изобретесредствам изобъектов,Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых расстояний всторону их увеличения,На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит лазер 1, модулятор2, ответвитель 3, фокусирующую оптическую систему 4, установленные последовательно на оси лазера 1, объект 5, оптическисвязанный с лазером 1, приемник акустического излучения 6, приемник оптическогоизлучения 7, блок питания 8 модулятора 2,выход которого связан с входом модулятора2, пороговый блок 9, измеритель временныхинтервалов 10, к входу "ЗАПИСЬ" которогоподключен выход приемника оптическогоизлучения 7, а к входу "СТОП" - выход поние относится к метрологии, к мерения расстояния и формы 54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ОБЪЕКТА57) 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 интерэал времени между моментом генерации оптического импульса и моментом регистрации переднего фронта акустического импульса, 1 э,п, ф-льь 1 ил,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, модулятора 2 - кристалл УДГ уля лазера видимого и ближнего ИК лиаг ,-. она), 3 1835048Ответвител; 3 - плоскопараллельная плаГггмна, и".)Оэрачная для излучения, измерителя временных интервалов 10 - счетчик типа Ч 3-34, фокусируощей оптической системы 4 - линза иэ материала, прозрачного для ИЗЛУЧЕНИЯ,В ус Гройство может быть введена схема формирования переднега фронта электрического импульса, включенная между приемником оптического излучения 7 и измерителем временных интервалов 10,В устройство может быть введено сканирующее устройство, для перемещения обьекта или лазера с сопряженными эле- МЕНТаМИ.В ус) райства могу быть введены измеритель давления среды (Газа), измеоитель. температуры среды (Газа) и измеритель сос .ава среды (газа).В устройство может быть введен дополнительный объект, расположенный на известном расстоянии, использусмый для калибровки.Вход "СБРОС" измерителя временного интервала 10 мажет быть связан с одним из выходов программного блока(на чертеже не показан), другой выход мо)кЕТ бьггь подкльочен к входу запуска блока питания 8 морулятора ,ПредлаГаемый способ заключается в следующем.Обьект 5 ОсвещаОт импульсным лазерным ,:злччением и регистрирйот передний ) Оон) вкус Гической волны3, возникающей при нлре" поверхности объектаи припо- верхнастнОГО слОЯ 1 . среды 1 1 (Гзээ), в КО" апой Г"),1 мегцэн Обьект Ь, Расстояние 1 От Я.,О:;т:.; ро зоны раэмеьцения приемника акустического сигн:ла 6 Определяют г 1 о зависимости 1)=д) гце Т - интервал времени ,Р)кл мОГдентом Генерации ОП 1 ическао импульса и моментом регистрации передне- ГО фронта ахус)ического импульса, ч - скорость расп растоанения звука в среде 11, располо)кеннай мекду Обьектом Ь и приемником ы,устического иэлуче,ия 6, В качестве средь. 11 могут использоваться газы (смеси газов) и жидкости прозрачные для излучения лазера 1,При использовании жидкосги в качестве соэды появляется возможность исполь.Оьа Гь более короткие импульсы О 1)тического излучения, что в свою очередь позволяет увеличить диапазон измеряемых расстояний в несколько раз, так как затухание звука уменьшается.Диапазон длительностей импульсов 10 - 10 с обусловлен с нижней стороны сложностью их формирования, регистрациии большим затуханием (в воздухе а1 см при 1=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 ос 2 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 со- "5 ответствии с предлагаемым способом осуществляется следующим образом,Пучок лазерного излучения от лазера 1 модулируют модулятором 2, управляемом блоком питания 8 и направляют на ответви тель 3, одна часть излучения с которого попадает на приемник оптического излучения 7, где оно преобразуется в электрический сигнал, который подают на вход "ЗАПУСК" измерителя временных интервалов 10. Дру гая часть излучения фокусируется фокусирующей оптической системой 4 на поверхности объекта 5, вследствие поглощения оптического излучения поверхностью обьекта 5 происходит ее нагрев и нагрев приповерхностного слоя среды 1) (газа), что и служит причиной генерации акустической волны с амплитудой А. Р, (т. 1/2,-,35 Я с р)" - с где Рв - интенсивность лазерного излуче- НИЯ; тя - длительность импульса; Р - коэффициент обьемного расшире ния среды (для газа Р=1/273),Я - коэффициент теплапередачи поверхность-среда (для металл-воздух Я = 10 ):см град), - скорость звука в воздухе; ро - плотность воздуха; А - коэффициент теплопроводности материала Обьекта; с - теплоемкость материала объекта; р- плотность материала обьекта; с - теплоемкость среды (для воздуха 10-З Джсм градАкустическая волна 13 распространяется от поверхности обьекта 5 через среду к приемнику акустического излучения 6 и достигая его преобразуется им в электриче- . ский сигнал, который подается на вход порогового блока 9, на выходе которого фор 1835048мируется сигнал (импульсный), соответствующий времени прихода на приемник акустического излучения переднего фронтаакустического импульса, с выхода порогового блока 9 сигнал подают на вход "СТОП" 5измерителя временных интервалов 10 и с8выхода его снимают показание с = - ,чПри известном ч определят расстояниеот объекта з= ч. 10При наличии в устройстве измерителядавления среды, температуры среды, измерителя состава газа могут быть введены поправки на скорость звука ч, что позволитувеличить точность измерений, например, 15=-+10 С, ч=337,8 м/с; для воздуха приТ =+100 С, ч=387,2 м/с; для азота при Т==+100 С, ч = 394,1 м/с,Скорость звука может быть получена 20прямым способом, при измерении объекта,расстояние до которого известно с высокойточностью,При работе целесообразно выбиратьугол между осями лазерного излучения и 25осью чувствительности приемника акустического излучения близким к нулю или использовать введение поправки (при угле отличномот нуля), исключающей возникнсвение погрешности при изменении расстояния от при- ЗОемника акустического излучения до обьекта.Возможна работа устройства в частотном режимепри этом временной интервалмежду импульсами лазерного излучениядолжен быть больше времени окончания переходных процессов в приемнике акустического излучения.Разработано и испытано устройство,реализующее предлагаемый способ в соответствии с приведенным выше описанием с 40использованием лазера - "мобдель 143" (Л == 10,6, импульсный т= 10 с, плотностьмощности в зоне обьекта РБ = 10 Вт/см ),змикрофон типа - МД 64, порогового блокатриггера Шмидта, приемника оптического 45излучения типа АТП (пост. времени " 10 9 с)и счетчика типа ЧЗ, объекта - сталь ст.ЗО,При испытаниях получен диапазон измерения расстояния от 10 до 5000 мм при50 разрешающей способности 5 10 мм и точности .ф 20 мкм (в прототипе предел измерений .ф. 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. Одьним из преимуществ предагаемого 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 обьекта.Предлагаемый способ может быть использован в приборостроении для создания автоматизированных систем контроля геометрических размеров и формы деталей и состояния их поверхности.Формула изобретения1, Способ измерения расстояния до обьекта, заключающийся в том, что освещают обьект лазерным излучением, регистрируют провэаимодействовавшее с поверхностью изделия излучение, по параметрам которого судят о расстоянии, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых расстояний, освещение производят импульсами, цлительность которых составляет 10 -10 с при плотности мощности 102-10 Вт/см 2, 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, Способ поп,1, отл ич а ю щийся тем, что объект освещают через оптически прозрачную жидкость,1835048 оставитель А.бендицкийехред М.Моргентал Корре Андрушен ктор дательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 роиэводстве Заказ 2712 Тираж ПоДписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открцтиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5