Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1 0 5114 С МИТЕТТНРЫТИЯМ ГОСУДАРСТВЕННЫПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР ЕНИЯ НИЕ ИЗг,1 ЕЛЬСТВ СВИ АВТОРС грешностеи фазы и амп ала, иу игнала п и, в кото ошению пе сигнала 11( лие 19 све которого и так, чтобы гнала, пиемника я ди р сканированЭлектроннавыходу фотется вычисл 2 с,п. ф-лы, 3 ил.(71) Ленинградский институт точноймеханики и оптики(56) Авторское свидетельство СССРУ 1357701, кл. С 01 В 11/08, 1985.(54) ДИФРАКЦИОННЬЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯЛИНЕЙНОГО РАЗМЕРА ИЗДЕЛИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и можетбыть использовано для измерения линейных размеров. Цель изобретения -повышение точности и быстродействия -достигается эа счет исключения посвязанных с определением литуды обрабатываемого сиг еньшения времени обработки тем использования обработром а определяется по отрвой и третьих производных с), Лазер 1 облучает издетовым лучом, интенсивность эменяется модулятором 2 максимумы электрического олученные с выхода фото, в результате .сканировационной картины блоком 4 ия были равны по амплитуде я схема, подключенная к оприемника 5, осуществляением по формулеИзобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения поперечного размера волокон, проволоки,5 отверстий, зазоров и т.п.1 ель изобретения - повышение точности. и быстродействия за счет исключения погрешностей, связанных с неточностью определения Фазы и амплиО туды обрабатываемого сигнала, иуменьшения 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 предлагаемого устройства на фиг.2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.2 ОУстройство для измерения линейного размера изделия (фиг.1) содержит оптически связанные лазер 1, Модулятор. 2 интенсивности излучения, объектив 3, блок 4 сканирования дифракционной картины и фотоприемник 5, датчик 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 З 5 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 выборки45 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 второгоблоков 11 и 12 выборки и хранения,первый выход узла 15 измерения отношения напряжения соединен с входомцифроаналогового преобразователя 16,выход которого соединен с первым входом узла 17 сравнения, второй выходузла 15 измерения отношения напряжений соединен с первым входом триггера 18 и входом функционального преобразователя 14, выход которбго соединен с вторым входом узла 17 сравнения, выход которого соединен с вторым входом триггера 18, Измеряетсялинейный размер изделия 19.Способ осуществляется следующимобразом,Ионохроматический когерентныйпучок света, Формируемый лазером 1,направляется через модулятор 2 интенсивности на изделие 19. Дифракционная картина от изделия 19 формируется в плоскости анализа с помощьюобъектива 3. Блок 4 сканирования дифракционной картины осуществляетсканирование дифракционной картины,а фотоприемник 5 преобразует распределение интенсивности дифракционнойкартины в электрический сигнал.При достижении элементом сканирования, входящим в блок 4 сканированиядифракционной картины, крайнего положения, соответствующего пространственному положению центра нулевогомаксимума 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 дифракционнойкартины 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 БИ)= А,э 1 п(а 1) (фиг.2 а, За), где 1 -волновое число, А, - амплитуда сигнала, возникающего на выходе фотоприемника 5, трижды дифференцируетсяпоследовательно соединенными дифференциаторами 8-10. С выхода первого(Фиг,2 б, Зб) поступает также на первый вход блока 13 синхронизации и нааналоговый вход первого блока 11 вы 5борки и хранения. С выхода третьегодифференциатора 10 сигнал 0(фиг,2 в, Зв) поступает на аналоговыйвход второго блока 12 выборки и хранения, С момента появления сигналана выходе датчика 6 положения, который поступает на первый вход блока 13синхронизации в течение сканированиядифракционной картины, блок 13 синхронизации фиксирует момент перехода(,через ноль сигнала 11.(г.) и по истечению заданного интервала времениформирует на выходе короткий импульс(Фиг,2 г, Зг), который поступает наустановочный вход узла 15 измеренияотношенчя напряжений, приводя составляющие его элементы в исходное состояние (нулевое), и на логические входы первого и второго блоков 11 и 12выборки и хранения, где запоминаетсямгновенное значение амплитуды сигналов (соответственно П (г.) и 1 Л (г.в момент выборки и хранится до момента появления следующего импульсана выходе блока 13 синхронизации,Выходные напряжения первого ивторого блоков 11 и 12 выборки и хранения, соответствующие амплитуде сигналов Пи П (г.) в момент выборки поступают, соответственно, на первый и второй входы узла 15 измеренияотношения напряжений, на первом выходе которог 1 о Формируется пропорциональный отношению напряжений позиционный код, который цифроаналоговымпреобразователем 16 преобразуется в40постоянное напряжение Ч (фиг.2 е, Зе).Напряжение Ч на выходе цифроаналогового преобразователя 16, связанос размером измеряемого изделия 19зависимостью а 2 = КЧ, где К - ко 45эффициент пропорциональности. Для линеаризации передаточной характеристики измерителя необходимо выполнитьоперацию извлечения корня квадратного. Для этого после окончания формирования цифроаналоговым преобразователем 16 напряжения 1 на втором выходе узла 15 измерения отношения напряжений появляется короткий импульс(фиг.2 д, Зд), который поступает на 55вход функционального преобразователя14 и первый вход триггера 18, Приэтом на выходе триггера 18 устанавливается сигнал высокого уровня ( 1 )(фиг.2 ж, Зж), а Функциональный преобразователь 14 с этого момента вре-.мени вырабатывает нелинейно изменяющееся напряжение ч постоянного тока(Фиг.2 е, Зе), реализуюшее зависимостьи согласованное с амплитуднойхарактеристикой цифроаналогового преобразователя 16.Выходные напряжения функционального преобразователя 14 и цифроаналогового преобразователя 16 (фиг2 е,Зе) поступают, соответственно, напервый и второй входы узла 17 сравнения, в момент равенства поступивппх на входы напряжений (фиг,2 е, Зе)на выходе узла 17 сравнения формируется короткий импульс, который поступает на второй вход триггера 18и переворачивает его. На выходе триггера 18 появляется сигнал низкогоуровня ("0") (фиг.2 ж, Зж),Длительность импульса положительной полярности (Фиг,2 ж, Зж) на выходе триггера 18 прямо пропорциональналинейному размеру измеряемого изделия 19,В качестве элементов в устройствемогут быть использованы следующиеэлементы: Не-Ие лазер ЛГН; оптический модулятор МЛ, объектив (Фурье в преобразующ линза), в заднейфокальнои плоскости которой формируется дифракционная картина, соответствующая дифракции Фраунгофера;сканирующее устройство, выполненноев виде вращающегося зеркала, датчикположения выполнен в виде оптопары(фотодиод ФДи светодиод АЛ)с открытым оптическим каналом и прЕ-рывателя, установленного на основании вращающегося зеркала и жесткосвязанного с осью вращения," блок нелинейно изменяющегося напряжения,состоящий из триггера (микросхемаК 155 ТМ 2), счетчика (К 155 ИЕ 5) дешифратора-демультиплексора,(К 155 ИДЗ)источника опорного напряжения15 5 145935 онными звеньями на базе операционных усилителей К 544 УД 1 А); первый и второй блоки выборки и хранения (микросхемы К 1100 СК 2); блок синхронизации5 содержит триггер (К 155 ТМ 2) и последовательно соединенные компаратор 521 САЗ, жидкий мультивибратор, формирователь узкого импульса (микросхема К 155 АГЗ) и логический элемент10 (К 155 ЛАЗ), второй вход которого соединен с выходом триггера, функциональный преобразователь состоит из ждущего мультивибратора (К 155 АГЗ), генератора импульсов, выполненного на двух последовательно включенных инверторах (К 155 ЛН 1) с кварцевым резонатором в петле обратной связи, счетчика импульсов (К 155 ИБ 5), дешифратора (К 155 ЩЗ), набора электронных ключей (микросхемы 590 КН 5), набора проводимостей (резисторы ОМЛТ-О, 125), операционного усилителя К 544 УД 1 А с КС-цепью в петле отрицательной обратной связи; цифроаналоговый преобра зователь (микросхема 594 ПА 1); узел сравнения (последовательно соединенные микросхемы 521 САЗ и К 155 АГ 1); триггер (микросхема К 155 ТМ 2); узел измерения отношения, напряжений состоит из входных каскадов усиления (микросхемы К 544 УД 1 А), источника опорного напряжения (142 ЕН 2 Б), логического элемента 2 И (К 155 ЛАЗ), гене" ратора импульсов заполнения, выполненного на последовательно включенных двух инверторах (К 155 ЛН 1) с кварцевым резонатором в петле обратной связи, счетчика импульсов (К 155 ИЕ 5) и времяимпульсной делительной схемы, на выходе которой частное отображается длительностью импульса, который при помощи логического элемента 2 И 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 измерительного55 сигнала, то режим работы соответствует рассмотренному, т.е, осуществляется привязка к моментам перехода через ноль сигнала после диФФевен 2 6цирования (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 тре" тьего дифференциаторов дифференцируемый сигнал поступает на неинвертирующий вход первого и второго дифференциаторов и на инвертирующий вход третьего дифференциатора.Формула и з обретения1. 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 преобразованием полученного измерительного сигнала в гармонический электрический сигнал, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения и быстродействия, мгновенное 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,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, оноснабжено последовательно соединеннымипервым, 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, цифроаналоговогопреобразователя, узла сравнения итриггера, выход фотоприемника соединен с входом первого дифференциатора,выход которого соединен также с ана 9352 8логовым входом первого блока выборкии хранения и первым входом блока синхронизации, выход третьего дифференциатора соединен с аналоговым входомвторого блока выборки и хранения,выход датчика положения соединен свторым входом блока синхронизации,выход которого соединен с логически Оми входами первого и второго блоковвыборки и хранения и установочнымвходом узла измерения отношения напряжений, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго блоков выборки и хранения, второй выход узлаизмерения отношения напряжений соединен с вторым входом триггера и входомфункционального преобразователя, выход которого соединен с вторым входом1469352 Составитель В.ЧулковТехред Л.Сердюкова Корректор Л.Пата Редакто арФенова ж 68 49/4 Зак ЕНТ ССС В оизводственно-издательский комбинат Патент , г. Ужгород, ул, р11 1Гага ина 101 Государственного комитета по и 113035, Иосква, Ж,Подписноебретениям и открытиямаушская наб д. 4/5