Способ определения толщины стенки стеклянной трубки и устройство для его осуществления

(71) Ленинградский институт тоники и оптики(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯСТЕНКИ СТЕКЛЯННОЙ ТРУБРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВ(57) Изобретение относится к иной технике. Цель изобретенияние технологических возможнообеспечения возможности измщины стенок трубок, перемещаюменением ориентации св Осветительная система, выполненна де лазера 1 и обьектива 2, формирует щийся сферический источник Светоделительные пластины 3,4, зер и уголковый отражатель 8 формиру параллельных пучка света А и Б, к освещают объект и эталонную пласти под углами а.аз. При движении св лительной пластинки 4 по направле уголковому отражателю 8 расстояни ду пучками А и Б, а также разность и ческого пути изменяются по зависи Ь =Ут + с; ЛО=(ч+с)(зп 2 а /2(п -зп т - время, ч - скорость изменения, и затель преломления стенки трубк между нормалью к поверхности осями пучков, ЬО - расстояние ои м Н.Васильев М 4387994 и, и - угол трубки и между ося) еаей ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОЛЩИНЫ КИ И УСТЛЕНИЯ змеритель - расширестей путем рения толщихся с изоей оси. 1)5 6 01 В 11/06, 11/ сходя- света.кало 5 ют два оторые нку 11 етодению к е межх оптимости; а, где1768961 ми пучков, Ь - разность оптического пути первого и второго пучков, причем постоянная с определяется из условий д Д(пп(п 2 дпх(п хх- а - дЛ 4 х 2 б)т)пг з;а +д, где д - длина когерентности излучения, ЬЫп, Ь-(т)ах - минимальное и максимальное значение разности оптического пути пучков, бп)(п, бп)ах - минимальное и максимальное значения толщины стенок трубки и регистрируют разность оптического пути пучков в момент максимального контраста интерференционных полос, по которой судят об искомой величине. При этом углы а,аэт и О и связаны зависимостью т 9 В=(зп 2 а/2(пг -з(п а; сц О=(з)п 2 от/2(п т-зи ат, гДе и,г, г Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении стеклянных трубок.Цель изобретения - расширение области использования за счет обеспечения возмокности измерения толщины стенок трубок, перемещающихся с изменением ориентации своей оси,На фиг,1 представлена схема образования интерференционной картины при освещении стеклянной трубки; на фиг.2 оптическая схема устройства для определения толщины стенок стеклянных трубок.Стенка трубки освещается двумя параллельными, сходящимися, сформированными путем разделения излучения полупроводникового лазера пучками А,Б когерентного света (фиг,1), которые ориентированы к нормали, опущенной на ось трубки, под углом а . Блики света а,а, б,б, отраженные от обеих поверхностей трубки, интерферируя попарно между собой, образуют слокную интерференционную картину, Если одновременно изменять расстояние между осями пучков А и Б и разность их оптического пути по зависимостиЬ =чу+с; (1) ЬО=(чу+с) , (2)2 (и - з"п а) где с - время,ч - скорость изменения,О - расстояние между осями пучков,Ь - разность оптического пути пучковБ и А и постоянная с определяется из условийдД(п,;п2 пп - (п адппп д(3)Д (хппх2 хи - п(п 2 адщхх х д, (4) 5 10 15 20 25 30 35 пэт - показатели преломления стенки трубки и эталонной пластинки, угол Оотсчитывается от нормали к первой светоделительной пластинке к оси осветительной системы против часовой стрелки, а углы а,от отсчитываются от нормали к оси установки трубки и поверхности эталонной пластинки к оптическим осям, пересекающим их, по часовой стрелке. Расстояние, пройденное пластинкой 4 за время между появлением импульсов с блоков 7,12 измерения контраста интерференционных полос от контролируемой трубки и эталонной плоскопараллельной пластинки 11, фиксируется в счетчике 14, 2 с.п.ф-лы, 2 ил,где д - плина когерентности излучения.Ь 1 пчп, Ь п)ах - минимальное и максимальное значения разности оптического пути пучков,цпяп, с 1(пах - минимальное и максимальное значения толщины стенки, то в моментвремени, когда оси пучков б и а соль)отся,разность их оптического пути станет равнойнулю. Условия (3) и (4) определяют границыизмерения разности оптического пути пучковАи Б,Учитывая, что регистрация излучения,отраженного от стенки трубки, ведется вовсей угловой апертуре, лежащей в плоскости, проходящей через ось трубки в и освещающие пучки, сигнал на выходерегистратора будет определяться только интерференцией лучей б и а в момент ихсовпадения, поскольку интерференцион наякартина, образованная в этот момент времени, характеризуется полосой с бесконечной шириной, в отличие от картин,образованных лучами а и б . а и б , а и а,б и б , а и б и б, а, когда они разнесеныв пространстве, которь,е всегда представляют собой полосы Юнга и интегрируются фотоприемником регистратора, Такимобразом, несмотря на появление контрастных полос, образованных интерференциейэтих лучей, сигнал на выходе фотоприемника будет отсутствовать, кроме того, разность оптического пути пучков не зависит отположения в пространстве трубки, при условии, что угол а не изменяется,Устройство содеркит осветительнуюсистему, выполненную в виде последовательно установленных полупроводниковоголазера 1 и объектива 2, светоделительные5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пластинки 3 и 4, ориентированные под углом к оптической оси осветительной системы, и зеркало 5, ориентированное перпендикулярно той же оси; перед поверхностью пластинки 4, обращенной к зеркалу 5, расположена ось б установки стеклянной трубки, лежащая в плоскости, проходящей через ось осветительной системы и нормаль к пластинке 4, проходящей через точку пересечения светоделительной пластинки 4 с осью осветительной системы, нормаль к оси б, лежащая в указанной плоскости, ориентирована под углом а к оптической оси, симметричной оси осветительной системы относительно нормали, опущенной в точку пересечения пластинки 4 с осью осветительной системы, перед осью 6 на расстоянии от нее, большем внешнего радиуса стеклянной трубки на оси симметричной оптической оси, пересекающей ось б, относительно нормали к оси установки трубки, которая пересекает оптическую ось, проходящую через ось 6, на расстоянии от нее, равном внешнему радиусу трубки, установлен блок 7 измерения контраста интерференционных полос, входным окном обращенной к оси установки трубки со стороны пластинки 4, обращенной к осветительной системы, на оси симметричной оси осветительной системы относительно нормали, опущенной в точку пересечения пластинки 4 и оптической оси осветительной системы, установлен уголковый отражатель 8, обращенный отражающей поверхностью к пластинке 4, причем оптический путь от его вершины до точки пересечения пластинки 4 с осью осветительной системы равен оптическому пути от той же точки до зеркала 5, пластинка 4 установлена с возможностью перемещения по направлению к отражателю 8, снабжена приводом 9 и блоком 10 измерения этого перемещения со стороны пластинки 3, обращенной к пластинке 4, установлена эталонная пластинка 11 таким образом, что ее пересекает оптическая ось, симметричная оси осветительной системы относительно нормали к пластинке 3, опущенной в точку пересечения ее с осью осветительной системы, нормаль к пластинке 11 ориентирована под углом а к оптической оси, пересекающей ее, перед пластинкой 11 установлен блок 12 измерения контраста интерференционных полос, обращенный входным окном к эталонной пластинке 11 и расположенный на оси, симметричной оптической оси, пересекающей пластинку 11, относительно нормали, опущенной в точку их пересечения, выходы блоков 7 и 12 подключены ко входу блока 13 измерения временных интервалов, выход которого соединен с установочным входом счетчика 14, счетный выход которогосоединен с выходом блока 10, угол О между нормально к пластинке 4 и осью осветительной системы и угол а связаны междусобой соотношениемзп г а9 "2 (п - зп а)ви 2 аэтЧО222 (пэт - вп аэт)где п, пэт - показатели преломления стенкитрубки и эталонной пластинки, угол О отсчитывается от нормали к пластинке 4 к осиосветительной системы против часовойстрелки, а углы а,аэт отсчитываются от нормали к оси б и пластинке 11 к оптическимосям, пересекающим их по часовой стрелке.Устройство работает следующим образом.Осветительная система, выполненная ввиде полупроводникового лазера 1 и объектива 2, формирует сходящийся сферический источник света. Светоделительнаяпластинка 4 делит его на два пучка. Припомощи зеркала 5 и уголкового отражателя8 формируются два параллельных пучка света А и Б, которые освещают обьект и эталонную пластинку 11 под углами а,аэ,относительно нормали к ним, При движениисветоделительной пластинки 4 по направлению к уголковому отражателю 8 посредством электромеханического привода 9расстояние между пучками А и Б, а такжеразность их оптического пути изменяются.При смещении пластинки 4 по направлениюк осветительной системе на величину Ьпрасстояние между пучками ЛЭ и разнос ихоптического пути Л изменяются следующим образом:Л Э=2 Л 1 ип И,Л =4 Лп соз 20, т.е.ЛО-д- = 9 О.Если принять во внимание соотношение между углами О и а, получимзп 2 а2 (п 2 - зп а)Таким образом, закон изменения ЛиЛО во времени, при котором лучи б и а(фиг.1) сливаются, в момент, когда разностьих оптического пути становится равной нулю, выполняется При этом блок 7 измеренияконтраста интерференционных полос зафиксирует максимальную величину и выдаст импульс в блок 13 измерениявременных интервалов. В блоке 7 происходит детектирование синусоидального сиг 1768961нала с выхода фотоприемника блока, дифференцирование его и ограничение посредством компаратора по определенному уровню, причем сигнал в блоке 13 формируется по заднему фронту импульса с выхода компаратора. Синусоидальный сигнал с выхода фотоприемника блока 7 получается за счет гетеродинной схемы интерферометра (разность оптического пути пучков непрерывно изменяется). Схема, измеряющая разность оптического пути пучков б и а в момент максимального контраста интерференционной картины на выходе блока 7, состоит из измерителя 10 перемещения светоделительной пластинки 4, светоделительной пластинки 3, эталонной пластинки 11, блока 12 измерения контраста интерфферен ционных полос, блоков 13 и 14. В счетчике 14 фиксируется расстояние, пройденное пластинкой 4, за время между появлением импульсов с блоков 7 и 12. Поскольку толщина и показатель преломления пластинки 11 известны, появление импульса с блока 12 однозначно определяет разность оптического пути пучков б и а в этот момент времени, а изменение его до появления импульса с блока 7 фиксируется в счетчике 14. В блоке 13 происходит запуск и срыв двух ждущих мультивибраторов импульсами, поступающими на их входы. Блок 12 аналогичен блоку 7,Толщина стенки трубки рассчитываетсяпо формулеа:;7;,яи "в=дуэт1вп а Уп- Ыпа- показатель преломления эталонной нки, а знаки "+" или "-" определяются ностью прихода импульсов с блоков +" - если первым срабатывает мульатор, соединенный запускающим с блоком 12, а "-" наоборот).чало движения пластинки 4 отстоит та установки на величину, равнуюие (3,а конечная точка опвием (4). где пэтпластиочеред7 и 12 тивиб ходом На, (услов4 с 03 Оеделяется усло Использова расстояния и р между зондиру определенному неоднозначност использованием света, сократить ние энергии, а т ния в реальных процесса, хара ние операции изме азности оптическог ющими объект пучка акону позволяет устранитьизмерений, связанную с когерентного источника габариты, вес и потреблекже обеспечивает измереусловиях технологического ктеризуемых изменением нения о пути ми поповерхно бгпах + д 31 где д - длина когерентности излучения;й.вп, А щах - минимальное и максимальное значение разности оптического пути пучков;бвп, бвах - минимальное и максимальное значения толщины стенок трубки,регистрируют разность оптического путипучков в момент максимального контрастаинтерференционных полос и по зарегистрированному значению судят об искомой величине,2, Устройство для определения толщины стенки стеклянной трубки, содержащее положения и ориентации оси стеклянной трубки.Ф о р мул а и зоб рете н ия 1. Способ определения толщины стенки 5 стеклянной трубки, заключающийся в том,что разделяют когерентное излучение сферического источника света на два пучка, направляют один из пучков на стенку контролируемой трубки так, что ось пучка 10 расположена в плоскости, проходящей через ось трубки, совмещают пучок, отраженный от стенки трубки, с вторым пучком, измеряют контраст образованных при этом интерференционных полос и по результа там измерений судят о толщине контролируемой стенки, отл и ч а ю щи й ся тем, что, с целью расширения области использования за счет обеспечения измерения стенок трубок, перемещающихся с изменением 20 ориентации оси, направляют второй пучокна стенку контролируемой трубки так, что ось второго пучка лежит в плоскости, проходящей через ось трубки, ориентирована параллельно оси первого пучка и не 25 пересекает нормаль, опущенную со стороны освещения в точку пересечения первого луча с внешней поверхностью трубки, но изменяют расстояние между осями пучков и разность их оптического пути по зависимо сти Л: - ч 1+ с;ЖЭ=( с+ ) зп 2 а2 (п - зпа)где т - время;ч - скорость изменения;и - показатель преломления стенкитрубки;а- угол между нормалью к ститрубки и осями пучков,ЛО - расстояние между осями пучков; А - разность оптического пути первогои второго пучков, причем постоянная с определяется из условий:дЫ п 2 lп - зп 2 а бап - д;45 50 55 последовательно установленные осветительную систему, выполненную в виде полупроводникового лазера и обьектива, установленных относительно друг друга на расстоянии, не равном фокусу объектива, светоделительную пластинку, предназначенную для установки так, что нормаль к ней ориентирована под углом к оптической оси осветительной системы, ось установки трубки, размещенную в плоскости, проходящей через оптическую ось осветительной системы, и нормаль, опущенную в точку пересечения светоделительной пластинки с осью осветительной системы, и предназначенную для установки так, что нормаль к оси установки трубки в указанной плоскости ориентирована под углом а к оптической оси, симметричной оси осветительной системы относительно нормали, опущенной в указанную точку пересечения, и блок измерения контраста интерференционных полос, установленный перед осью установки трубки так, что входное окно блока обращено к оси установки трубки, на расстоянии от нее, большем максимального размера зоны измерения на оси, симметричной оптической оси относительно нормали к оси установки трубки и пересекающей указанную ось на расстоянии от оси установки трубки, равном максимальному размеру зоны измерения,отл ича ющееся тем,что,с целью расширения технологических возможностей устройства, оно снабжено плоским зеркалом, уголковым отражателем, второй светоделительной пластиной, эталонной плоскопараллельной пластинкой, вторым блоком измерения контраста интерференционных полос, блоком формирования временных интервалов, измерителем перемещений и счетчиком, плоское зеркало установлено за первой светоделительной пластинкой так, что нормаль к его поверхности ориентирована параллельно оптической оси осветительной системы, плоскость установки оси трубки расположена по отношению к первой светоделительной пластинке с той ке стороны, что и плоское зеркало, уголковый отражатель установлен с противоположной стороны первой светоделиельной пластинки так, что его отражающая поверхность обращена к пластинке, оптическая ось совпадает с осью, симметричной оси осветительной системы относительно нормали к светоделительной пластинке, опущенной в точку пересечения ее с осью осветительной системы, а оптический путь 5 10 15 20 25 30 35 40 от вершины уголкового отражателя до точки пересечения оси осветительной системы со светоделительной пластинкой равен оптическому пути от этой точки до плоского зеркала, светоделительная пластинка установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения по направлению к уголковому отражателю и связана с измерителем перемещений, вторая светоделительная пластинка установлена между осветительной системой и первой светоделительной пластинкой под углом к оптической оси осветительной системы, эталонная плоскопараллельная пластинка установлена по отношению к второй светоделительной пластинке с той же стороны, что и первая светоделительная пластинка, и ориентирована так, что оптическая ось, ориентированная симметрично оптической оси осветительной системы относительно нормали, опущенной в точку пересечения указанной оси с второй светоделительной пластин кой, образует угол аэт с нормал ью к эталонной пластинке, второй блок измерения контраста интерференционных полос расположен по отношению к эталонной плоскопараллельной пластинке со стороны ее поверхности, обращенной к второй светоделительной пластинке, на оси, симметричной оптической оси, образующей угол иэт с нормалью к эталонной пластинке, выходы блоков измерения контраста интерференционных полос подключены к входам блока формирования временных интервалов, выход которого подключен к установочному входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом блока измерения перемещений, углы а,аэт и Освязгны зависимостями зп 2 а тд О 2 (и - зп гх) зп 2 аэт тджх 2 (пэт зп дуэт)где п, п,т - показатели преломления стенки трубки и эталонной пластинки;угол О отсчитывается от нормали к первой светоделительной пластинке к оси осветительной системы против часовой стрелки, а углы й, а отсчитываются соответственно от нормали к оси установки трубки и от нормали к поверхности эталонной пластинки к оптическим осям, пересекающим их, по часовой стрелке,1768961 тавитель С. Грачевред М Моргентал едактор Т, Мещерякова Тех Корректор П, Гереши изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго.Гагарина, 10 аказ 3638 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5