Устройство для дистанционного измерения толщины и расстояний

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 91 (111 5704 5 В 21 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР БРЕТЕК ОПИСАКИЕК АВТОРСКОМУ СВИ 68/24-28(088.8)ское свидетельство СССРкл. С О 1 В 21/00, 1984 ИСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ТОЛ 03 ИНИ И РАССТОЯНИЙ етение относится к контврительной технике. Цель изобретения - повьвиение быстродействия за счет исключения операции механической коррекции положения измеряемого объекта, Устройство состоит из оптически связанных источника 1 узкоколлимированного пучка света, узла 2 сканирования светового пучка, узла 13 наклона плоскости сканирования и датчика 14 положения плоскости сканирования. Автоматическая настрой ка устройства осуществляется путем коррекции положения плоскости сканирования узлом 13 по сигналам от датчика 14. 5 ил.Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения толщины Прозрачных объектов цилиндрической и трубчатой ФоРм.Цель изобретения - повьппение быстродействия путем исключения операцииеханической коррекции положения изеряемого объекта, 0На фиг1 изображена блок-схема устройства; на Фиг. 2 - блок-схема лектронного блокаф на фиг. 3 - схеа, поясняющая работу узла сканироания и узла наклона плоскости ска ирования; на фиг. 4 - схемы, пояс-яющие работу датчиков системы слеения плоскости сканирования; на иг. 5 - узел механической фиксации бъекта, прймеры исполнения, 20Устройство состоит иэ расположеных в одной плоскости источника 1зкоколлимированного пучка света, истемы сканирования и формированияпульсов синхронизации, оптически 25вязанной с источником 1 и состоящей з узла 2 сканирования светового пуча, двух зеркал 3 и двух фотоприемниов 4 и 5 с щелевыми диафрагмами, ориентированными перпендикулярно пло Скости сканирования, предметного толика 6 с узлом механической фикса- и, состоящим из опор (скольжения и качения ) 7 и 8, одного или двух рижимных роликов 9 с приводом, установленных с возможностью прижимабъекта к опорам 7 и 8 и продольного смещения объекта, и роликов 10 с приводами,установленных с возможностью осевого вращения объекта., установлен- д 0 ных последовательно по ходу отраженного пучка света объектива 11 и регистрирующего фотоприемника 12, диафрагмированного щелью ориентированной перпендикулярно плоскости сканирования, и расположенных так, что объектив 11 строит изображение фотоприемника 12 на плоскость О-О начала отсчета, а направление светового пучка, отраженного под заданным углом Ио от плоскости 0-0 начала отсчета, совпадает с его главной оптической осью, системы слежения плоскости сканирования светового пучка за объектом, со- стоящей иэ узла 13 наклона плоскости сканирования, расположенного между источником 1 светового пучка и узлом 2 сканирования, и датчика 14 положения плоскости сканирования относительно объекта, расположенного передобъективом 11 по блюкнюю к объектусторону от его оптической осн, датчика 15 контроля перекоса объектаотносительно плоскости сканирования,расположенного перед объективом 11по другую сторону от его оптическойоси, электронного блока 16, выполненного в виде блока 17 сопряжения сЭВЫ 18, последовательно соединенныхформирователя 19 импульсов, связанного с фотоприемниками 4, 5 и 12, иизмерителя 20 длительности, выходкоторого связан с соответствующимвходом блока 17, блока 21 управленияузлом 13, включенного между соответствующим выходом блока 17 и узлом 13,блоков 22 и 23 управления приводами,включенных между соответствующими выходами блока 17 и соответствующимиприводами роликов 9 и 10, и блока 24калибровки системы слежения, связанного с блоком 21, выходы датчиков 14и 15 подключены к соответствующимвходам блока 17,Узел 2 сканирования представляетсобой зеркало 25 (фиг, За), напримерзеркало гальванометра, способное совершать периодические повороты вокругоси под воздействием переменногоэлектрического тока и поворачиватьотраженный от него узкий световой пучок в одной плоскости - плоскостисканирования. Узел 13 наклона плоскости сканирования представляет собойзеркало 26 гальванометра, ось вращения которого перпендикулярна оси вращения зеркала 25.Устройство работает следующим образом.При сканировании (фиг. 1) световые пучки отраженные от зеркал 3,на фотоприемниках 4 и 5 формируютимпульсы синхронизаций, которые определяют одно направление для проведения измерений при периодическомсканировании. Фотоприемник 4 задаетначало измерений, а фотоприемник 5 -конец измерений, Зеркала 3 ограничивают Угол сканирования световогопучка по объекту и задают границыизмеряемого пространства . - плоскостиС-С и И-И, которые параллельны плоскости 0-0 начала отсчета и перпендикулярны плоскости сканирования.Цилиндрический или трубчатый объект располагают в измеряемом пространстве так, чтобы его геометричес65;04 4угол поворота пучка при измерении определяется соотношением р= рсов и(С + ЛС), где сс - время поворотапучка из максимального своего значебния до появления импульса на фотоприемнике 4;е - временные интервалы+ +1 , +1 1.Этим временным интервалам соответствуют положения поверхностей трубчатого объекта Х, Х Х Х из которых толщина передней стенки дХ, -Х, расстояние от внешней поверхности передней стенки до внутренней1 поверхности задней стенкиХ,внешний диаметри, Х Х,Определенные таким образом толщины отличаются от действительныхвследствие преломления падающих пучков на поверхностях трубки. Для одно-го и того же показателя п преломления материала объекта измеренная толщина д с, стенки трубки зависит от положения К, поверхности объекта или 26 соответствующей ему длительности им"пульсов й, и от длительности импульсов : 4 кая ось лежала в плоскости сканирования и была параллельна плоскостям 0-0 и М-М. Световые пучки, отраженные от объекта, объективом 11 собираются на фотопрнемннк 12 и формируют импульсы, соответствующие вершинам пучков, отраженных от всех плоскостей объекта 6. Импульсы от фотоприемников 4, 5 и 12 поступают в формирователь 19, который формирует импульсы, длительность которых равна времени между появлением импульсов на фотоприемниках 4 и 12. (й,) что соответствует расстоянию от воображаемой плоскости С-С до поверхности объекта, времени между появлением первого и второго юпульсов на фотоприемнике 12 (й) что соответствует в случае измерения трубки толщине передней стенки, а в случае измерения цилиндра - его диаметру, времени между появлением первого и третьего импульсов на фо-. топриемнике 12 (й ), что соответствует для трубки расстояноо от внещней поверхности передней стенки до внутренней поверхности задней стенки, времени между появлением первого и четвертого импульсов на фотоприемнике 12 И ) что соответствует внешнему диаметру трубки, времени между появлением импульса на фотоприемниках 4 и 5 (й ), что соответствует расстоянию между плоскостями С-С и М-М, т.е. измеряемому пространству, и служит стандартом для контроля работы устройства.Соотношение с 1 ст ( 1) 30 ВНтр) 40 А йц рззи 2 Ыо 1 + сМ со "ЗР величина Й и, внутреннего диаметра зависит от положения Х, поверхности объекта, толщины д стенки трубки (или длительности импульсов Е) и длительности импульсов величинавнешнего диаметра трубки зависит от положения Х, поверхности объекта, толщины с 1 стенки трубки, внутреннего диаметра, (или длительности импульсов 1 ) и длитель 3ности импульсовполучаемое из геометрических постро ений, описывает зависимость угла поворота светового пучка в зависюости от положения Х отражающей поверхности относительно плоскости 0-0 начала отсчета, где А - расстояние от узла 2 сканирования до плоскости 0-0 начала отсчета,- угол падения светового пучка на эту плоскость при регистрации отражения 4 ютоприемником 12, Если сканирование осуществляется по косннусоидальному за 6 кону р = р, сов ы е где о- циклическая. частота сканирования; в; максюжальный угол поворота пучка, то П Вн Р (СЕт 13 йф).Поскольку для конкретного устрой" ства значения А,с(, вм являются постоянньви величинами, то определение толщин д т и ,. объекта возможно из измерений длительностей импульсов С- й после предварительно проведенной калибровки, т.е. после определения зависимостей С= й И,)- Р( пп.)Р ( вн з) которйе получаются при установке параллельно плоскостям С-С и М-М двух14657 плоскопараллельных пластин с таким же показателем и преломления во всех возможных положениях стенок трубки в измеряемом пространстве, При калиб" ровке используется набор пластин с толп 1 инами, перекрьвающнми возможные толщины стенок трубок. Калибровочные зависимости представляют собой гладкие и непрерывные функции, поэтому по экспериментальным точкам определяются аналитические зависимости толщин от измеряемых длительностей импульсов.Для калибровки устройства при измерении цилиндрических объектов используется набор пластинок разной толщины и получается зависимость"( ")Измерейие цилиндрических и труб чатых объектов возможно, когда их геометрическая ось лежит в плоскосги сканирования, в противном случае отраженные пучки расходятся и не попадают на фотоприемник 12, а если по падают, то измерения оказываются неверными. В реальных трубках центры 0и 0 внешней и внутренней поверхностей не совпадают, т.е. имеется эксцентриситет. Эксцентрично сть поверхностей трубок приводит к погрешности определения положения поверхностей трубки.Для измерения трубок, имеющих экс" центричность поверхностей, плоскость35 сканирования должна проходить между центрами поверхностен (фиг. 4), так как в этом случае отраженные от трубки световые пучки 27 н 28 расходятся под приблизительно одинаковыми углами 8 и Вотносительно плоскости И-Л сканирования, положение всех поверхностей завыпено приблизительно на одинаковую велпчину а слецовательно, толщины определяются с меньшей погрешностью, чем положение новерхностей.Система слежения плоскости скани- рования светового пучка за объектом использует отраженные от объекта све товые пучки. При правильном положении плоскости Н-М сканирования относительно объекта трубчатой формы пучки 27 и 28, отраженные от передней стенк 1 л, трубки, расходятся симметрично атно" сительно центра датчика 14 - фотоди-: одной матрицы. Центр датчика т 1 редварительно устанавливается в среднее иэ всех возможных положений плоско 04 6сти сканирования. Размеры ячеекфотодиодной матрицы таковы, что покрайней мере три Фотодиода освещеныподающим на них пучком, что позволяет определять центр отраженного пучка. Импульсы синхронизации определяют работу устройства так, что от датчика 14 в электрическую схему первыми поступают фотоэлектрические импульсы, соответствующие пучку 27, отраженному от внешней поверхностистенки трубки, вторыми - пучку 28,отраженному от внутренней поверхности передней стенки трубки, Положение общего центра этих пучков, расположенного в середине отрезка, соединяющего центры обоих пучков относительно центра датчика 14, указываетнаправление коррекции плоскости сканирования, Так, если общий центр нижецентра датчика 14, то плоскость сканирования надо поднимать, если вьппецентра датчика 14 - опускать. Приправильном положении цилиндрическогообъекта центры отраженных от его поверхностей пучков 29 и 30 (фиг. 4 г)совпадают с центром датчика 14. Еслицентр пучка 29, отраженного от передней поверхности цилиндра, ниже центра датчика 14, а центр пучка 30, отраженного от задней поверхности, выпецентра датчика 14,то плоскость сканирования надо поднимать, если, наоборот, центр пучка выше, а центрпучка ниже центра датчика 14, топлоскость сканирования надо опускать,Для наилучшей работы системы сле-:жения расстояние вдоль световых пучков от узла 13 наклона плоскости сканирования до объекта 6 и от объектадо датчиков 14 и 15 необходимо уравнять,Узлы 2 и 13 работают следующим образом,Когда на рамку гальванометра с зеркалом 26,не подается электрический сигнал, узкий пучок света от узкоколлимированного источника 1, отражаясь от зеркала 26, падает в среднюю часть зеркала 25 и задает среднее положение плоскости сканирования.При повороте зеркала 26 световой пучок перемещается по зеркалу 25 вдоль его оси и плоскость сканирования наклоняется, Иаксюальный угол наклона плоскости сканирования ограничивается размерами зеркала 25 узла 2 ска"714657 нирования и расстоянием между зеркалами 25 и 26.При сканировании светового пучка датчик 14 через блок 17 сообщает в ЭВМ 18 координаты двух световых пуч 5 ков, отраженных от передней стенки для трубчатого объекта и от обоих поверхностей для цилиндрического объекта. ЭВМ 18 определяет направление коррекции и через блок 21 управляет наклоном плоскости сканирования. Для быстрой работы системы слежения необходимо установить связь между наклоном плоскости сканирования и необходимым для этого электрическим сигналом, подаваемым на узел 13,- т,е. провести калибровку системы слежения, Для этого плоскость сканирования устанавливается в среднее положение, а объект устанавливается так, чтобы датчик 14 укаэьвал о правильном положении плоскости сканирования относительно объекта. Смещение объекта перпендикулярно плоскости 25 сканирования устанавливает связь между координатами отраженных пучков на датчике 14 и цифровым кодом, подбираемым на блоке 24 калибровки, который через блок 2 управляет узлом ЗО 13 и возвращает плоскость сканирова" ния в правильное положение относительно объекта. Полученная связь закладывается в память ЭВМ 18,35При работе системы слежения координаты пучков от датчика 14 с помощью ЭВМ 18 однозначно указьвают необ ходнмый для коррекции цифровой код, которому присваивается алгебраичес 40 кий знак в зависимости от направления коррекции. ЭВИ 18 алгебраически складьвает этот код с предыдущим ко-. дом, который подавался на блок 21.В результате сложения электрический сигнал от блока 21 поступает на узел 13 и положение плоскости сканирования корректируется. Благодаря использованию ЭВМ 18 операции контроля и коррекции вплоть до подачи электрического сигнала на узел 13 выполняются в течение одного периода. Коррекция плоскости сканирования завершается к появлению очередных импульсов на датчике 14, которые сигнализируют о том, что необходима ли дополнительная корректировка плоскости сканирования, указывают ее величину и направление, С помощью блока 21 04 8ЭВМ 18 осуществляет необходимую подкорректировку.Для установки геометрической оси цилиндрического или трубчатого объекта параллельно плоскостям С-С и И-М объект прижимается роликами 9 к опорам 7 и 8.Ролики 9 с помощью привода приводятся во вращение и осуществляют продольное смещение объекта. Вместо двух роликов 9 можно использовать один (фиг. 5 б), расположенный между опорами 7 и 8 напротив них. С помощью приводов приводятся в движение два расположенных по обе стороны от ролика 9 ролика 10, ось вращения кото-. рых параллельна оси объекта 6, и осуществляется поворот объекта. Для выполнения поворота ролики 1 О поджимаются к поверхности объекта, а ролики 9 отжимаются на время совершения поворота.Цилиндрические и трубчатые объекты могут иметь участки с выпуклостями, впадинами и другими поверхностными дефектами, которые могут вызвать перекос в установке объекта относительно плоскости сканирования и неправильные измерения толщины. Контроль перекоса производится с помощью датчика 15, конструкция которого аналогична конструкции датчика 14, и осуществляется сравнением координаты отраженных от объекта световых пучков с возможно допустимыми значениями.Участки объекта, где датчик 15 регистрирует положение пучков за допустимым значением при выставленной по датчику 14 плоскости сканирования, не подлежат измерению.Измерение толщины .объектов происходит следующим образом.Объект закрепляется в узле механической фиксации. Плоскость сканирования устанавливается в среднее положение. С помощью предметного столика 6 объект смещается перпендикулярно плоскости сканирования и устанавливается так, чтобы датчики 14 и 15 сигнализировали о правильном расположении плоскости сканирования относи" тельно объекта. Для измерения прозрачных объектов трубчатой, цилиндрической и плоской форм в ЭВИ 18 производится вызов соответствующей программы и дальнейшей работой устройства управляет ЭВМ 18.9 14657Ролики 9 и 10 приводятся в движение и для измерений устанавливается начальный участок объекта. С помощью датчика 14 контролируется положение Плоскости сканирования и при необхоб димости через блок 21 производится е коррекция, С помощью датчика 15нтролируется перекос измеряемого частка объекта. Прн допустимой его еличине измерителем 20 производится змерение длительностей импульсов- й, Результаты измерений через лок 17 поступают в ЗВМ 18, где пееводятся в толщины и запоминаются. ри наличии перекоса производится ереход к другой точке. Переход от дной точки измерения к другой осуествляется в зависимости от про-раммы либо включением привода роли О ков 9, либо включением привода роликов 10, либо обоих вместе В первом случае происходит продольное смещение ,трубки и ролики 10 находятся в отжатом состоянии во втором " поворот 25 трубки вокруг оси, прижим роликов 9 ,ослаблен, в третьем - спиральное движение трубки, причем в зависимости от скорости вращения роликов 9 и.10 устанавливаются шаг спирального движения и скорость смещения.04 1 ОФормула изобретенияУстройство для дистанционного измерения толщины и расстояний,содержащее предметный столик с узлом фиксации объекта, предназначенный для вращения и продольного смещения объекта, лежащие в одной плоскости и расположенные по одну сторону от предметного столика оптически связанные источник узкоколлимированного пучка света и систему сканирования и формирования импульсов синхронизации, систему регистрации, выполненную из установленных последовательно по ходу отраженного от объекта пучка света объектива и регистрирующего фотоприемника, диафрагмированного ориентированной перпендикулярно плоскости сканирования щелью, и систему контроля взаимного расположения объекта и плоскости сканирования, содержащую два расположенных по обе стороны от объектива датчика рассогласования отраженных от объекта световыхпучков, о тличающее с я тем, что, с целью повышения быстродействия, оно снабжено узлом наклона плоскости сканирования, расположенньи между источником и системой сканирования и электрически связанным с системой контроля,46504 Составитель И. Кузнецо Техред М, идьщ, К едактор А. Огар д орректор И. Иарошч и ГКНТ СССР н Ироизводственно-издательский комбинат Патент , г од, ул. Гагарина, 101 Заказ 933/41 Тираж 683 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия 113035, Москва, Ж, Раущская наб д. 4/5