Устройство для контроля процесса нанесения покрытий

кадровой разверткой, формирователь 19 кадровой развертки, предварительный усилитель 20, формирователь 21 интервала выборки, управляемый делитель 22, узел 23 выборки-хранения (УВХ), формирователь 24 интервала хранения, компенсирующий повторитель 25, управляемое сопротивление 26, Т-триггер 27, токовые ключи 28 и 29 с разными каналами проводимости, преобразователь 30 ток-напряжение, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 31, усилитель-ограничитель 32, мостовой переключатель 33 выхода, фазоинверсный каскад 34; преобразователь 35 кода, сумматор 36, детектор 37 нуля, арифметико-логический узел (АЛУ) 38 и каскад 39 знака рассогласования,Устройство работает следующим образом.Поток излучения лазера 1 падает на расщепитель 2 потока излучения, с выходов которого поток рабочего канала и поток эталонного после отражения от отражателя 3 направляются на эталон 4 и изделие 5 (например, электроды, расположенные в гальванической ванне 6), Отражаясь, оба потока падают на две области фотокатода диссектора 7, симметрично расположенные по отношению к центру фотокатода,Рассмотрим сущность формирования и развертки диссектора, Так как в качестве АЦП двойного интегрирования может быть использована любая из серийно выпускаемых микросхем (например, микросхема типа 1107 ПВ 2), то для формирования строчной и кадровой разверток диссектора удобно использовать высокочастотное выходное напряжение этих микросхем. Выходное напряжение О частоты 1(фиг. 2) АЦП 8 с его первого выхода подается на электронные ключи 9 и 10 с противоположными каналами проводимости. С второго выхода АЦП 8 на дифференцирующий каскад 11 поступает выходное пилообразное напряжение прямого и обратного интегрирующего тактов АЦП 8. В зависимости от полярности измеряемого АЦП напряжения его выходное пилообразное напряжение может быть положительным или отрицательным, Так как ключи 9 и 10 с противоположными каналами проводимости, то независимо от полярности пилообразного напряжения один их этих ключей во время длительности прямого и обратного тактов интегрирования всегда открыт, и поэтому на общем выходе ключей во все время длительности пилообразного напряжения присутствует напряжение О частоты т АЦП 8. С выхода ключей напряжение 0 поступает на вход реверсивного счетчика 12 строчной развертки,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Значение кода йрс(фиг. 2) реверсивного счетчика 12 увеличивается от нуля до значения й и поступает на первую схему 13 сравнения кода (ССК), в которой при переходе кода через значения О, йс/2 и й формируются импульсы напряжения Ос, Импульсы ССК 13, соответствующие нулевому и коду й, реверсивного счетчика, дальше подаются на каскад 14 управления строчной разверткой. Выходное напряжение Ор, каскада 14, представляющего собой последовательно соединенные двухвходовую схему ИЛИ и Т-триггер, подается на управляющий вход реверсивного счетчика 12 и используется в нем для включения прямого или реверсивного счета соответственно при нулевом и йс значении кода йр,Таким образом, значение кода йрс изменяется по треугольному закону. Код йрс поступает также в формирователь 15,строчной развертки, который представляет собой соединенные последовательно ЦАП и преобразователь ток-напряжение с парафазным выходом, выходное напряжение которого подается на вход горизонтально отклоняющих пластин диссектора 7 и используется для развертки изображения по строке, После каждого хода развертки по строке туда и обратно формируется ступенька перемещения развертки по кадру, С этой целью выходные импульсы первой схемы 13 сравнения кодов, соответствующие переходу кода через нуль, с ее выхода подаются на реверсивный счетчик 16 кадровой развертки, выходной код йр которого с помощью второй ССК 17, каскада 18 управления кадровой разверткой и формирователя 19 кадровой развертки, аналогично рассмотренному при строчной развертке, изменяется по треугольному закону от 0 до й, преобразуется в парафазное напряжение и используется в диссекторе 7 для развертки иэображения по кадру,Таким образом, в результате развертки изображения фотокатода диссектора 7 по строке и кадру на выходе диссектора появляется непрерывная последовательность импульсов, амплитуды которых Оэ и Ор (фиг. 2) пропорциональны интенсивностям отраженных от эталонного и рабочего электродов потоков и равны соответственноОэ = йф у К (йэФ + ф ш ) + Ош К(1) Ор = Яф у К (ЯрФ + Ф ш) + Ош К(2) где Йф - величина сопротивления нагрузки диссектора;у- анодная чувствительность диссектора;К- козффициентусиления предусилителя;20 25 30 35 45 50 55 ф- поток излччения;Ф ш поток фонд;О - приведенный к входу уровень напряжения дрейфа нуля предусилителя,Импульсы Оэ и Ор постпают на вход формирователя 21 интервала времени выборки информации и управляемый делитель 22, Усиленные формирователем 21 импульсы Оэ и Ор поступают на управляемый делитель 22 и управляют его коэффициентом передачи так, что на вход управляемого делителя поступают только импульсы Оэ и Ор, С выхода управляемого делителя импульсы Оэ и Ор подаются нд выход УВХ 23. Импульсы формирователя 21 подаются также на вход формирователя 24 интервала хранения информации, на другой вход которого поступает выходное напряжение О с первого выхода АЦП 8. Формирователь 24 интервала хранения по истечении импульса формирователя 21 из высокочастотного напряжения О формирует импульсы такой длительности, что длительность выходных импульсов Г УВХ 23 находится в пределах 0,15 Тс, где Тс - длительность развертки информации по строке (фиг. 2).Выходные импульсы УВХ поступают на вход компенсирующего повторителя 25, собранного на ОУ, работающем в режиме инвертирующего повторителя с сопротивлением Во на инвертирующем входе и управляемым сопротивлением 25 в цепи обратной связи, соединенным последовательно с постоянным сопротивлением В. В качестве управляемого сопротивления может быть использован полевой транзистор,Импульсы Ос первой ССК 13, соответствующие моменту перехода кода Мрс через значения йс/2, поступают с выхода ССК 13 на вход Т-триггера 27 и формируют на его выходе напряжение О (фиг. 2), которое поступает на управляющие входы токовых электронных ключей 28 и 29 с противоположными каналами проводимости. В течение интервала времени Тр открыт ключ 29, а в течение Тэ - ключ 28(фиг. 2). В интервале времени Тэ усиливаются импульсы напряжения Оэ от эталонного электрода. В этом интервале на вход ключа 28 подается такой уровень тока 1 о, при котором коэффициент передачи компенсирующего повторителя 25 равен единице.Очевидно, в этом случае ток о в преобраэователе 30 ток - напряжение преобразуется в уровень напряжения Оо, который, поступая на вход управляемого сопротивле- НИЯ 26, ИЗМЕНЯЕТ ЕГО ДО ЗНдЧЕНИЯ Вуо (фИГ, 3), При этом В + Вуо = Во,51015 В интервале Тр действия импульсов Оруровень усиления определяется величиной выходного тока ЦАП 31, который через открытый в этом интервале ключ 29 поступает на вход преобразователя 30,Предположим, что исходный ток ЦАП 31равен 1 о. и поэтому усиление в интервале Тр равно также единице. Также предположим, что в исходном состоянии Вэ = Вр и Оэ = Ор, В этом случае выходное напряжение компенсирующего повторителя 25 поступает на вход усилителя-ограничителя 32 снизу. После ограничения снизу на неизменном, максимально допустимом для конкретных условий, уровне и усиления импульсы Оэ и Ор подаются на вход мостового переключателя 33 выхода. Мостовой переключатель выхода представляет собой четырехплечий, собранный нд электронных ключах с противоположными каналами проводимости, выпрямитель, который используется для инверсии сигналов Оэ и Ор. Так как эти сигналы поступают в интервалы Тэ и Тр, то для управления мостовым переключателем выхода используется выходное напряжение О Т-триггера 27.Выходное напряжение мостового переключателя выхода после прохождения фаэоинверсного каскада 34, представляющего собой повторитель с переключающимся в интервалы времени Тэ и Тр входным напряжением, подается на информационный вход АЦП 8, В качестве АЦП двойного интегрирования используется микросхема 1107 ПВ 2.АЦП измеряет разность сигналов Оэ и Ор в интервале интегрирования Ти, В рассматриваемом слччае Оэ = Ор, и поэтому выходной код на третьем выходе АЦП равен нулю. Так как в используемом АЦП на выход микросхемы выводится только код для управления семисегментными световыми индикаторами, то этот код в преобразователе 35 кода преобразуется в двоичный и после этого с выхода преобразователя подается на каскад сумматора 36 и детектора 37 нуля.В сумматоре 36 перед этим измерениембыл записан код йо, который, поступая на вход ЦАП 31, приводит к появлению на его выходе тока 1 о, Так как в этом случае выходной код преобразователя 35 кода равен нулю, то срабатывает детектор 37 нуля и его сигнал поступает в АЛУ 38, в котором регистрируется выходной код сумматора Ио Значение кода Мо и является условным нулем измерителя, который хранится в памяти АЛУ.Рассмотрим, как осуществляется процесс измерения при ВэВр (Оэ 7 Ор), Определим то значение Ь Ву измерения ве 1682783личины управляемого сопротивления 26, которое при заданном значении Вр необходимо для обеспечения компенсации, т,е. выравнивания импульсов Оэ и Ор по амплитуде,С учетом (1) и (2) при коэффициенте передачи Оэ, равном единице, и увеличении коэффициента передачи компенсирующего повторителя при усилении импульсов Ор от единицы до значения (Во+ Л Ву)/Во получимо + О,=О,о= ВфУФ. ЛВу+Ош ЛВу, (4) Проанализируем полученные результаты, Если Вэ = Вр, то Оэ = Ор и из(3) следует, что Л Ву = О, ц этом случае, как следует из (4), влияние фоновых полей Фш и напряжения дрейфа нуля Ош полностью исключается, Это чрезвычайно важно, так как именно в начале процесса анодного окисления чувствительность способа должна быть максимальной. Из (4) следует, что так как значения Фь( и Ош очень малы, а значение рабочего потока Ф очень велико, то при Л Ву ФО правая часть этого выражения будет с высокой степенью приближения также равной кулю (оба члена правой части выражения (4) содержат произведения двух малых чисел, поэтому в сравнении с членами левой части этого выражения являются малыми числами второго порядка).Это возможно только приВо(Вэ - Вр) - Вр Л Ву = О, (5) Из (5) при учете Вэ - Вр = Л В получим, что относительное изменение коэффициента отражения и относительный коэффициент отражения рабочего электрода определяются из выражений соответственноЛй ЛВ= --- (6Во ВоВо . Во оооу Изменение управляемого сопротивления на величину Л Ву в интервале Тр может быть обеспечено только за счет подачи на вход ЦАП 31 изменения кода на величину Л (ч. При этом на выходе преобразователя 30 ток-напряжение при чувствительности ЦАПи чувствительности д преобразователя 30 будет получено изменение управляющего напряжения Оу на величинуЛОу=ЛИф (8)(11) фициен Р Врп (12) льном значении коэрабочего электродаЛВ иВо + Вупдельное значение исопротивления Ву,еделимЯо о1 )п При преде та отражения ЛВп(13 Отр тро 35 40 45 50 55 Как следует из фиг. 3, значению Л Оу из (8) соответствует изменение управляемого сопротивленияЛ Ву = Л Оут 9 а = ЛМ т Р Ч а, (9) где т 9 а - экспериментально определяемая чувствительность управляемого сопротивления по напряжению,С учетом (9) значения Л В/В, и Вр/Вэ из (6) и (7) определяются как ЛВ К ЛМВэ Пренебрегая в соответствии с полученными результатами значениями фонового потока Фй излучения и напряжения Ош дрейфа нуля, определим величину изменения управляенмого сопротивления ЛВу, которая обеспечивается за счет действия обратной связи при ВрВэНапряжения Оэ и Ор от эталонного и рабочего электродов на выходе фазоинверсного каскада 34 соответственно равныОэ = Вэ Ф Вф К Коу, (14) О, = Вр фу Вф К Коу (15) где Коу - коэффициент передачи усилителя- ограничителя.В выражениях (14) и (15) коэффициент передачи компенсирующего повторителя 25 принят равным 1, так как значение кода Мо, поступающего на вход ЦАП, при этом не изменилось,Считая время прямого цикла интегрирования АЦП 8 равным Ти, при заданном значении чувствительности ЛОмии измерения напряжения рассогласования цепи обратной связи (цепи компенсации), значении шага квантования АЦП ЛОШ и постоянной времени ти интегратора АЦП получимЛОш = ЛОмииТи/ТиДля заданного с позиции подавления основных помех значения Ти можно определить постоянную времениЛ Омин.Тиаженные от эталонного и рабочего элекдов потоки регистрируют в таких двухсимметрично расположенных областях фотокатода, что при развертке изображенияфотокатода получается непрерывная последовательность равноудаленных друг от друга импульсов. Последнее условие из-за 5неточной установки потоков выполняетсяприближенно, и поэтому, как следует изполученных экспериментальных результатов, для исключения сбоев в работе каждыйимпульс при длительности развертки по 10строке Тс может быть расширен УВХ дозначенияТ,Кр, где Кр = ОТс - коэффициент расширения импульсов УВХ. Приэтом значение Кр должно находиться в пределах 0,15, 15С учетом этого, если зэ ремя Ти будетзарегистрировано Ир импульсов от каждогоиз электродов, то измеренная интеграторомразность средних значений входных напряжений будет равной 20Ь Оср = И р(Оэ - О р)Тс Кр/ Ги,Выходное напряжение интегратора в концетакта интегрирования определится соответственно какЛО = ЛОТ./г., 25и количество зарегистрированных на выходе интегратора квантовлоин н Оз Оте крХОш Омин ТиКод Ь И с выхода преобразователя 35 30кода поступает в сумматор Зб. С четвертоговыхода АЦП информация о знаке измеренной разности средних значений напряжений поступает в каскад 39 знакарассогласования, выходной сигнал которого дальше поступает в сумматор Зби управляет его работой на сложение или вычитаниезаписанного в нем исходного кода Ио с вновьпоступающим, В рассматриваемом случаедля увеличения напряжения Ор до уровня Оэ 40к коду Ио добавляется значение Л И и этозначение кода подается на вход ЦАП 31,Как уже было показано, при этом величина управляемого сопротивления йу изменится на значение 1 Ву, определяемое (9). 45Таким образом, с учетом (9), (14), (15),(16) для рассматриваемых условийЛ Ву=Тс КрщатуЗИр ФуКф К Коу хх(йэ - йр) / Л Омин Ти(17)Очевидно, значение предельного изменения Ь йуп величины управляемого сопротивления йу при преДельном значениикоэффициента Врп отражения рабочего электрода с учетом Вр = Врп определится из (17).55Для обеспечения оптимальных условий компенсации (максимального быстродействия при минимальном количестве уравновешивающих тактов) значение Ьйуп, определяемое из (13), должно быть равным значению из (17), т,е,Йа п1 уТс Кр 19 а 9 Р Ир (йэ - йрп) Фу йф К КоуЬ Омин Ти(18)Определим количество регистрируемых за время интегрирования Ти импульсов Ир. При длительности То процесса окисления и допустимой динамической погрешности измерения д время Ти одного цикла измерения будет примерно равным То д . При приведенных условиях сканирования изображения и регистрации по одному импульсу от каждого электрода за один ход развертки по строке количество регистрируемых импульсов от каждого электрода за время Ти будет равным Ир = То д /Тс = Ти/ТсС учетом значения Ир из (18) определяется рекомендуемое для обеспечения оптимальных условий работы значение входного сопротивления компенсирующего повтори- теля Ко Фо 19) где Ко = 319 а=- сопят.Значение предельного коэффициента отражения рабочего электрода при этомВрп = Вэ(1- 7 п).При То= 100 с;д =00001; Тс =20 м зарегистрировано Ир = 500 импул каждого электрода.Таким образом, для конкретных условий сначала из (19) определяют оптимальное значение йо, после чего иэ (13) определяютЛ йуп )и йо/(" )и)по величине которого выбираются тип регулируемого полевого транзистора и конкретные значения кс будет ьсов от Вуо+ й Во.Если значение Во выбрано в соответствии с (19), то по цепи обратной связи поступит такой уравновешивающий сигнал, при котором импульсы Ор от рабочего электрода будут усилены так, что в следующем такте измерения на третьем выходе АЦП будет зарегистрирован нуль, В этом случае сигнал детектора 37 нуля поступает в АЛУ 38, и выходной код сумматора Зб Ио+ ЛИ считывается в АЛУ.В АЛУ по значению Ио, зарегистрированному при йр = Вэ в начале процесса, и значению Ио + Л И определяют Ь И и в соответствии с выражениями (10) и (11) определяют значения Ьй/йэ и Вр/Вз.Практически из-за влияния различных нестабильностей и неточности расчета полное уравновешивэние за один измеритель 1682783ный такт не достигается, За каждый такт только уменьшается степень рассогласования, а процесс измерения также заканчивается при срабатывании детектора нуля, Но в рассмотренном случае при многократном измерении зарегистрированный в сумматоре 36 результат будет являться результатом статистического осреднения многократных измерений одной и той же величины. Таким образом, в этом случае осуществляется дальнейшее (после уменьшения в УВХ и в интервале Ти интегратора) уменьшение влияния случайных погрешностей. нескомпенсированные погрешности при усреднении в коротких интервалах времени компенсируются в более продолжительных, Это увеличивает чувствительность и точность измерения,Особенности работы описанного устройства следующие,Сигналы от изделия и эталона однополярны и так как ослабленный (при йр с йз) сигнал от изделия усиливается до уровня эталонного, то это позволяет осуществлять ограничение сигнала на неизменном уровне с последующим усилением, уменьшает нелинейные искажения, увеличивает и стабилизирует чувствительность по всему рабочему диапазону.Влияние фоновых потоков, темнового тока диссектора и шума предусилителя при предложенной структуре обработки информации на базе диссектора может не учитываться, Это приводит к увеличению надежности и уровня автоматизации, так как исключает необходимость применения модуляторов потока излучения и вращающихся зеркал.Увеличение чувствительности и ее стабилизация по диапазону, работа при больших потоках излучения и разработка электронной схемы компенсации, практически не требующей мощности для управления, позволили осуществлять работу без применения электромеханических узлов для компенсации и исключили необходимость автоматической регулировки ширины щели.Увеличение надежности и уровня автоматизации достигается также за счет применения цифровой регистрации и обработки информации.Увеличение чувствительности и точности измерения обусловлено также за счет ограничения мощности шума посредством открывания усилительного тракта только на время выборки сигнала; за счет расширения импульсов с помощью УВХ, преобразующего Реальные сигналы в квазистатические и увеличивающего среднее значение сигнала;5 10 за счет применения ограничения - усиления сигнала снизу; за счет последовательного интегрирования шума в накопительной емкости УВХ, интегрирования в течение времени Ти АЦП и применения метода статистического осреднения при электронном уравновешивании; за счет применения одноканальной схемы обработки и компенсации сигнала; за счет применения способа компенсации, не требующего большой управляющей мощности; за счет высокого быстродействия электронной схемы компенсации (уменьшения динамической погрешности); за счет работы при больших 15 значениях потока излучения; за счет слабого влияния фоновых полей.Формула изоб ретения Устройство для контроля процесса нанесения покрытий, содержащее оптически 20 связанные источник излучения и расщепитель потока излучения на два равных, фотоприемник, предназначенный для установки по ходу отраженных от эталона и контролируемого изделия потоков излу чения, последовательно соединенныепредварительный усилитель и систему автоматической электронной компенсации оптической асимметрии рабочего и эталонного каналов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, 30 что, с целью повышения точности и надежности, фотоприемник выполнен в виде приемника с электронным сканированием иэображения фотокатода, система автоматической электронной компенсации оптиче ской асимметрии - в виде соединенныхпоследовательно уп равляемого делителя, узла выборки-хранения, компенсирующего повторителя с регистром на входе, мостового переключателя с двумя выходами, фазо инверсного каскада, аналогО-цифровогопреобразователя, параллельно включеных двух электронных ключей с разными каналами проводимости, реверсивного счетчика строчной развертки и формирователя 45 строчной развертки, два выхода которогоподключены к первой паре входов фотоприемника, соединенных последовательно первой схемы сравнения кода, реверсивного счетчика кадровой развертки и формиро вателя кадрювой развертки, два выхода которого подключены к второй паре входов фотоприемника, второй схемы сравнения кода и каскада управления кадровой разверткой, входы которого соединены с дву мя выходами второй схемы сравнения, авыход - с вторым входом реверсивного счетчика кадровой развертки, каскада управления строчной разверткой, два входа которого подключены к двум выходам первой схемы сравнения, а выход - к второмувходу реверсивного счетчика строчной развертки, дифференцирующего каскада, включенного между вторым выходом аналого-цифрового и реобразователя и управляющими входами электронных ключей, преобразователя кода, входом соединенного с четвертым выходом аналого-цифрового преобразователя, сумматора и детектора нуля, вход которого и первый вход сумматора объединены и подключены к выходу преобразователя кода, каскада знака рассогласования, включенного между третьим выходом аналого-цифрового преобразователя и вторым входом сумматора, арифметико-логическо о узла и цифроаналогового преобразователя, входы которых объединены и подключены к выходу сумматора, второй вход арифметико-ло ического узла соединен с выходом детектора нуля, двух токовых ключей с разными каналами проводимости, Т-триггера, преобразователя ток - напряжение и управляемого сопротивления с резистором, включенного параллельно компенсирующему повторителю, выход цифроаналогового преобразователя связан с входом одного из двух токовых ключей с разными каналами проводимости, выход которого подсоединен к одному из двух входов преобразователя ток - напряжение, а управляющий вход - к управляющему входу 5 другого токового ключа с разными каналамипроводимости, второму входу мостового переключателя и выходу Т-триггера, вход которого связан с третьим выходом первой схемы сравнения кода, вход второго токо вого ключа с разными каналами проводимости предназначен для подключения к источнику тока уровняо э его выход - к второму входу преобразователя ток - напряжение, выход которого связан с уп равляющим входом управляемогосопротивления, формирователя интервала выборки и формирователя интервала хранения, первый вход которого соединен с первым выходом аналого-цифрового пре образователя, второй вход - с вторым входом управляемого делителя и подключен к выходу формирОвателя интервала выборки, вход которого соединен с первым входом управляемого делителя и подключен к 25 выходу предварительного усилителя, выход формирователя интервала хранения соединен с вторым входом узла выборки- хранения.1682783 РСоставитель Е. Глазковаехред М,Моргентал едактор В, Данко ктор М. Кучерявая Заказ 3402 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раувская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101