Устройство для дистанционного измерения толщины и расстояний

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1260 С 01 В 21/О АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ МЕЛ:"с; удовоговенный уни Хайда ОННОГОИЙ област в опти нно пр че оых сп ат бе зм ов ат ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЙЬСТ(46) 30.09,86, Бюл. Р 36 (71) Ташкентский ордена ТрКрасного Знамени государстверситет им. В,И.Ленина.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ И РАССТО (57) Изобретение относитсяизмерения линейных размерокими методами преимуществезрачных цилиндрических и тобъектов. Цель изобретениячение измерения поперечныхпрозрачных цилиндрических тых объектов за счет корре положения объектов. Устройство для дистанционного измерения толщины плоских непрозрачных объектов использует сканирование лазерного пучка света и формирование длительностей импульсов, берущих начало от опорного уровня, а конец - на поверхности объекта. Объект закрепляется на предметном столике, позволяющем сме-щать его для измерений с помощью электромеханических приводов, в устройство введена система коррекции, электрически связанная с приводами предметного столика, состоящая из двух датчиков рассогласования свето- Я вых пучков и двух однокоординаточувствительных детекторов, система позволяет корректировать как перекос, так и поперечное смещение объекта. 6 ил.5 10 15 20 25 30 т 3540 - 4550 55 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров оптическими методами, напримердля определения толщины прозрачныхобъектов плоской, цилиндрической итрубчатой форм, непрозрачных плоскихобъектов,а также для измерения расстояний до них.Целью изобретения является обеспечение воэможности измерения прозрачных объектов цилиндрической и трубчатой формы за счет корректировкиположения объекта,На фиг. 1 схематически представлено устройство, на фиг. 2 - блоксхема электронного блока, на фиг.,3 -ход лучей в случае, когда геометрическая ось цилиндрического объектаотстоит от плоскости сканированияна величину г, на фиг. 4 - образование рассогласованных и согласованных световых пучков, отраженных отцилиндрического объекта, и возможность применения специальных фоточувствительных линеек для контроля рассогласования пучков; на фиг. 5работа датчиков рассогласования световых пучков, отраженных от цилиндрического объекта; на фиг. 6 - работа координаточувствительных детекторов по контролю установки объектадля измерений.Устройство для дистанционного измерения толщины и расстояния содержиисточник 1 узкоколлимированного пучка света, систему сканирования светового пучка и формирования импульсовсинхронизации, состоящую из узла 2сканирования, зеркал 3 и двух фотоприемников 4,1 и 4.2 с диаграммой,предметный столик 5 с измеряемымобъектом б, приводы 7 смещения столика 5 в плоскости сканирования, приводы 8 смещения перпендикулярно плоскости сканирования, привод 9 поворота цилиндрического объекта 6 вокругоси, привод 10 продольного смещения,объектив 11, установленный по ходуотраженного пучка света, регистрирующий фотоприемник 12 с диафрагмой,систему коррекции, состоящую из двухдополнительных источников 13 узкоколлимированного пучка света, двухлинз 14, связанных с ними, двух каординаточувствительных детекторов 15и двух датчиков 16 рассогласования,и электронный блок 17, который содержит формирователь 18, переключатель 19 программ, измеритель 20,регистратор 21, узел 22 управленияприводами коррекции в плоскости сканирования, узел 23 управления приводами движения перпендикулярно плоскостисканирования, узел 24 управления поворотом цилиндрического объекта вокруг оси, узел 25 управленияпродольным смещением измеряемогообъекта.Устройство работает следующим образом.При сканировании световые пучки,отраженные от зеркал 3, на фотоприемниках 4,1 и 4.2 формируют импульсысинхронизации, а пучки, отраженныеот объекта 6, объективом 11 собираются на фотоприемнике 12 и формируютимпульсы, соответствующие пучкам,отраженным от всех поверхностейобъекта 6,За прямое прохождение пучка принято направление, при котором сначалапоявляется импульс на фотоприемнике4.1, затем импульс на фотоприемникее12 и завершающий прохождение импульсна фотоприемнике 4.2, обратное - соответственно импульс на фотоприемнике 42, импульсы на фотоприемнике 12и импульсы на фотоприемнике 4,1. Всеэти импульсы поступают в формирователь 18, который формирует импульсытолько при прямом прохождении пучка,длительность которых равна временимежду появлением импульса на фотоприемнике 4.1 и на фотоприемнике 12(й, ), что соответствует расстояниюот воображаемой плоскости С-С до поверхности объекта; времени междупоявлением первого и второго импульса на фотоприемнике 12 (с,), чтосоответствует в случае измерениятрубки толщине передней стенки, а в .случае измерения цилиндра его диаметру, времени между появлением первого и третьего импульса на фотоприемнике 12 (й ), что соответствует длятрубки расстоянию от внешней поверхности передней стенки до внутреннейповерхности задней стенки; временимежду появлением первого.и четвертого импульса на фотоприемнике 12 (С ),что соответствует внешнему диаметрутрубки, времени между появлениемимпульса на фотоприемниках 4,1 и4.2 И ), что соответствует расстоянию между плоскостями С-С и М-М, ограничивающими измеряемое пространство, и служит стандартом для контроля за работой устройства.Плоскости С-С и М-М перпендикулярны к плоскости сканирования. Сод з 1 пЦотношение - = , -- , получаеА з 1 П(2 а - 3)мое из геометрических построений, описывает зависимость угла поворота луча3 в зависимости от толщины д, отмеряемой от плоскости С-С, где А - расстояние от сканирующего элемента до плоскости С-С, Ы - угол падения на эту плоскость и максимальный угол поворота луча ,н являются пос тоянными величинами конкретного устройства и определяются экспериментально. Если сканирование осуществляется по синусоидальному законуэапц,С, где Ы, - циклическая 20 частота сканирования, то угол поворота луча при изменении толщины определяется соотношениемв 1 =н 81 п 1 о а - з 1 п (до (г +ь 1,) где 1- - время поворота луча из среднего положения до появления импульса на фотоприемнике 4;1 при прямом прохождении луча (д,С 100), Ь С,1 временные интервалы С С, ++ С С + й 4, 1, . Переход от 30 временйых интервалов к толщинам производится через калибровочную кривую, 1дающую зависимость длительности импульса , от расстояния Ь от опорной плоскости С-С до поверхности 35 эталонного плоского образца, который последовательно, шаг за шагом отодвигается от плоскости С-С, оставаясьпараллельным к неиИспользуя установленную зависимость, из измеренных 40 длительностей временных интервалов определяются толщины прозрачных объектов. Длительность интервала й показывает расстояние 1, от плоскости .С-С, принятой за начало отсчета,. 45 до поверхности объекта. Толщины определяются временными интервалами+ с , С, + с г., + с , которые по той же зависимости дают расстояния от плоскости С-С до измеряемых 50 поверхностей - 0, 7, Р, на которых получаются: толщйна йередней стенки .д = 21 - У, объекта, расстояние от внешней поверхности передней стенки до внутренней поверхности задней 55 стенки П = 7 з - У внешний диаметробъекта 6 (трубки) 0 вн = в 4 - У,Определенные таким образом толщины, вследствие преломления в материале,отличаются от истинных и связаны с ними следующими соотношениями: Ы .1 д Я соз Ы= нЗ 1 П М,( ц + С, )З 1 ПЧ("О + 1) вгде Ь = О, й 1 = О.Решив эту систему, можем определить зависимость Ю от Ь и вычислить. таблицу (или кривую) поправок.Все элементы устройства, входящие в оптическую схему, лежат в одной плоскости, плоскости сканирования светового пучка, Для измерения поверхность плоских объектов должна располагаться перпендикулярно к плоскости сканирования пучка, Если поместить в оптическую схему объект цилиндрической формы (фиг. 3), геометрическая ось 00 которого параллельна плоскости сканирования ИК, но отот нее на г,.то отраженные отта пучки разойдутся под углом где д - толщина пер дтрубки с учетом преломления,1Ы - угол падения лучренин стенки,Э, - внутренний диаметр трубки,вн 1 рж - угол падения луча при измерении величины Р,п - показатель преломления материала объекта 6 (трубки).Для введения поправок необходимознать показатель преломления материала объекта п и зависимость угла падения луча с от длительности временныхинтервалов, которая соответствуетразличным положениям измеряемой поверхности объекта 6 в измеряемомпространстве и определяется из данных калибровки измеряемого пространства,Калибровочная кривая - график зависимостиот Ь - строится поточечно, те. дискретными изменениями Ь. Значит для каждого Ь (п = 1,2,3,) по приведенным уравнениямможно составить следующие соотно"шения9 к падающему пучку и не попадут на регистрирующий фотоприемник 12. Только когда геометрическая ось цилиндрического (трубки) объекта 6 будет лежать в плоскости сканирова ния, геометрическая ось параллельна опорным плоскостям С-С и М-М, возможно измерение объекта, Так как падающий световой пучок имеет размеры г, то отраженные пучки вследствие кривизны поверхности будут представлять собой световые полосы неравномерной интенсивности (фиг. 4). Максимум яркости приходится на центральную часть полоски, а к краям интенсив ность спадает. Если пучок падающего на цилиндрический объект света не проходит через геометрическую ось, то отраженные пучки представляют собой две параллельные симметрично сдвинутые полосы 26 и 27, т.е. имеется рассогласование отраженных пучков, Когда падающий пучок проходит через геометрическую ось, то отраженные пучки представляют собой параллельные полосы 28 и 29 (фиг. 4)- согласование отраженных пучков. При сканировании светового пучка, падающего на цилиндрический объект 6, отражение пучков происходит вдоль З 0 некоторой длины объекта. Контроль рассогласования отраженных пучков в двух крайних точках этой длины обеспечивает установку геометрической оси этого участка в плоскость 35 сканирования. Датчики 16 рассогласо" вания световых пучков, представляющие собой фоточувствительные линейки, могут быть выполнены, например, в виде линеек из шести фотоэлементов 40 с размерами фоточувствительной области,сравнимой с размерами отраженногосветового пятна. Расстояние между фотоприемниками выбирается таким,что при прохождении через любое место 45 линейки световой пучок вызывает электрический импульс. Линейка из фотоэлементов устанавливается перпендикулярно плоскости сканирования та-ким образом, что, когда геометричес кая ось объекта находится в плоскости сканирования, падающие в центральную область линейки пучки приводятк возникновению электрических им" пульсов на фотоэлементах 30 и 3 55 одновременно (фиг. 4) . Если геометрическая ось выйдет из плоскости сканирования, то одновременность электрических импульсов на фотоэлементах 30 и 31 исчезнет и появятся импульсы на фотоприемниках 32 и 33 или 34 и 35, линейку можно разделить на две части - верхнюю и нижнюю и судить о месте прохождения светового пучка через линейку по месту возникновения электрических импульсов.Для коррекции установки геометрической оси участка измеряемого цилиндрического (трубчатого) объекта используются две такие линейки фотоэлементов, расположенные по обе стороны объектива 11.При прямом прохождении через линейки всегда первым пройдет пучок, отраженный от передней (ближней к регистрирующему фотоприемнику) поверхности объекта. На фиг. 5 прямое направление соответствует ходу отраженных от объекта пучков справа налево.Световые пучки (фиг. 5 а), отраженные от объекта 5 и проходящие через объектив 14 линейки, представляют собой одну горизонтальную полоску. Первый и второй импульсы возникают в верхней и нижней половинах линейки одновременноЭтот случай соответствует установке геометрической оси участка объекта 6 в плоскость сканирования.Световые пучки (фиг. 5 б), проходящие на линейки через объектив 11, представляют собой две параллельные горизонтальные полоски. Если первый импульс возникает в верхней части линейки, то объектив параллельно поднимают вверх. Если первый импульс возникает в нижней части линеек, то объектив надо опускать вниз.Световые полоски (фиг 5 в) представляют собой две перекрещивающиеся на объективе 1 1 полоски, Такой вид полосок говорит о том, что объектив 6 наклонен относительно плоскости сканирования. Если первый импульс возникает в верхней части правой линейки и в нижней части левой линейки, то правый торец объекта 6 надо поднимать, а левый опускать. Если первый импульс возникает в нижней части правой линейки и в верхней части левой, то надо правйй торец объекта 6 опускать, а левый поднимать.Полоски скрещиваются (фиг. 5 г), и узел скрещивания приходится на левую линейку. В этом случае на ле 1260683вой линейке первый и второй им 1 уль - сы возникают в верхней и нижней половинах одновременно. Левый торец объекта 6 остается неподвижен, а направление смещения правого торца 5 зависит от того, через какую часть линейки пройдет первым световой пу -чок: через верхнюю - вверх, черезнижнюю - вниз,Полоски скрзшиваются (фиг, 5 д),и узел скрешивания приходится направую линейку. Аналогично случаючетвертому правый торец неподвижен,а направление смещения левого торцазависит от того, через какую частьли 11 сйки 11 р Ойдет пер 1311= с 13 ет 0 130 й пуЧОКТаким образом, комбинация электрических импульсов Одновременно указывает, в какую сторону необходимо смещать Объект 6 для уста. Овзи г.О- метрической оси в плоско.ть скани - роьания. Еасш 11 фровку комбпнац 1 шэлекричсских импульсов и подачу сигналов на приводы предметного столикадля коррекции в плоскости, нерпенди 1 улярной плоскости сканрова 11 и 51 Осу ществляет узел 23 управ 31 е 11 ия. Наличие нескольких фотоприем 11 ико 13 1 а лпнейке можно использовать для измене- ЗОни 51 скорости смещеЕИ 151 объекта так,если пучки падают на фотоприемникиФ и 3то скорост. сме 1 це 11 и йаксимальпа, если па Ф и 11 - минпмальна.Цил 11 ндрические (трубчатые) объекты отлича 1 отся от идеального цилиндра,они имеют прогиб и неоцйородноститол 1 ци 11 ы с 1 зязанн 11 е с технотогиейпроизводства. Поэтому в процессе измерения необходимо корректировать 40положение объекта, чтобы поверхности измеряемого участка были параллельны опорным плоскостям С-С и ЕЕ-М. Дляэтой цели использу 1 отся координаточувствительные детекторы 15, Работа 45детектора 15 по контролю установкиобъекта 6 представлена па 411 г. 6,Передняя поверхность (фиг, ба)измеряемого участка объекта 6 параллельна опорным плоскостям. Световые 50пучки от источншов 13, пройдя черезлинзы 14 и отраз 11 вшись от переднейповерхности объекта 6, попадают гцентральную область координаточувствительных,цетекторов 15 - электричес кий сигнал отсутствует,Передняя поверхность (фиг. 6 б) па,раллельна опорным плоскостям, но ниже первоначально установленного положени 51. Световые пучки не попадают вцентральную область детекторов 15,с правого и ле 1 зого детедктора 15 снимается сгнал одной полярности (дляопрсделенности примем полярностьсогласно рисунку фиг. 6) положительной. Обьект надо смещать вверх.Передля поверхность (фиг. 6 в) параллельна опорным плоскостям, но выше первоначально установленного положения, С правого и левого детектора15 снимается сигнал отрицательной полярности. Объект 6 необходимо смещать вниз.Объект (фиг. 6 г) наклонен вправо.С правого детектора 15 снимается сигнал положительной полярности, с левого - отрицательной. Правый торецобъекта 6 необходима смещать вверх,а левый вниз,Объект (фиг. 6 д) наклонен влево.С правого детектора 15 снимается сигнал отрицательной полярности, с левого - положительной. Правый торецобъе та 6 необходимо смещать вниз,а левый вверх.Таким образом, используя два коорд 11 наточувствительных детектора 15,переднюю поверхность измеряемогоуЕастка обьекта 6 можно однозначноустанавливать параллельно опорнымплоскостям в одно и то же место. Подача сигналов на приводы смещенияпредметного столика в плоскости скаЕп 1 рования Осуществляется с помощьюузла 22 управления.11 змеренпе цилиндрических или трубчатых объектов происходит следующимобразом (фиг. 1 и 2).Объект 6 закрепляют на предметномстолике 5 и, установив на переключателе 19 программ реж 11 м коррекцииобъекта, приводят, в движение привод10 продольного смещения гредметногостолика и устанавливают объект 6 дляизмерения у левого торца. Затем приводят в дв 1 ежение приводы коррекциидля установки объекта так, чтобы световые пучки, отражезип 1 е от объекта,попали на координаточувсгв 11 тельныедетекторы 15 системы коррекции. После,этого устапавлина 1 от на переключателе 19 программ режим автоматическойкоррекции. Система коррекции, управляя приводами предметного столика 5,устанавливает участок объекта 6 дляизмерений. Измерения начинаются в12606зависимости от установки программы либо от внешнего сигнала (кнопки),о либо автоматически при поступлении на переключатель 19 программ сигнала "Установка объекта завершена". Пере ключатель 19 программ подает импульс "Измерение разрешено" на формирователь 18 импульсов. Формирователь 18 из поступающих на него импульсов "Начало измерения" от фотоприемника 4.1 "Конец измерения" от фотоприемника 4.2 и "Информация" от регистрирующего фотоприемника 12 формируетффф4поступлении на формирователь 18 импульса "Измерение разрешено" на измеритель 20 поступает импульс с, для измерения. Результат измерения записывается регистратором 21, который по окончании регистрации выдает сиг-. 2 О нал "Конец печати" на переключатель 19 программ. Переключатель 19 программ в зависимости от установленной программы повторяет измерение необходимое число раз и после последнего измерения и регистрации с с приходом импульса "Конец печати" дает команду на формирователь 18 для измерения Т , Затем на измеритель 20 поступает импульс С для измерения. Измерение С происходит также согласно устащэвленной программе необходимое число раз, по окончании последнего измерения и регистрации 1 с приходом импульса "Конец печати" переклю чатель 19 программ дает команду на формирователь 18 для измерения импульса с . Импульс Т измеряется аналогичйо. Таким же образом измеряются импульсыи. По окончании 4 последнего измерения и регистрациис приходом импульса "Конец печати" переключатель 18 программ в за" висимости от программ либо выдает сигнализацию "Измерение серии за вершено", либо подает сигнал на узел 24 управления для поворота объекта 6. Узел 24 управления снаб 83 10жен датчиком поворота, Поворот объекта 6 происходит на угол, соответствующий установленной на переключателе 18 программ величине. Далее работа устройства аналогична описанному. Когда будет сделан полный оборот объекта 6, датчик поворота, входящий в узел 24 управления, выдает на переключатель программ импульс "Оборот завершен". Переключатель 18 программ в зависимости от программы либо выдает сигнализацию "Измерение цикла серий завершено", либо подает сигнал на узел управления 25 для смещения объекта,Повороты и смещения объекта при измерениях продолжаются до тех пор, пока концевой выключатель предметного столика 5 не остановит устройство.Формула изобретенияУстройство для дистанционного измерения толщины и расстояний, содержащее предметный столик с приводами и расположенные по одну сторону от предметного столика источник узкоколлимированного пучка света, систему сканирования светового пучка и формирования импульсов синхронизации и систему регистрации, включающую в себя объектив, установленный по ходу отраженного пучка света, и фотоприемник с диафрагмой, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью обеспечения измерения толщины прозрачных объектов цилиндрической и трубчатой форм, оно снабжено системой коррекции положения объекта, электрически связанной с приводами предметного столика и выполненной иэ двух датчиков рассогласования световых пучков, расположенных по обе стороны оптической осй объектива в плоскости сканирования пучка, и двух координаточувствительных детекторов, лежащих в плоскости сканирования пучка..Черни ек едактор А.Куликов писное Тираж 670 Под НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4