Измерительное оборудование

Поставки, консалтинг и техническое сопровождение

Заявка на патент №98108359

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ РАЗМЕРОВ ДЕТАЛЕЙ
Положительное решение по заявке №98108359
(патент не выдан всего лишь из-за неуплаты пошлины за его выдачу)
Телешевский В.И., Леун Е.В., Абдикаримов Н.Н.
МПК G01В 11/02 Дата публ. заявки: 10.02.2000
 
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерной интерферометрии и может быть использовано для определения отклонений размеров различных деталей , изделий поточного производства, проволоки, труб стержней и в т.ч. изделий с больших размерами и острыми кромками.

Известно устройство для контроля размера деталей / 1 / (аналог), содержащее источник когерентного излучения, интерферометр и измерительную головку, состоящую из пентапризмы, отражателя и фотоприемника.

Недостатками этого устройства являются низкая скорость контроля определяемая перемещением измерительной головки для определения положения границ контролируемой детали и ограничение точности измерений, вызванное амплитудным способом измерения оптического сигнала без учета дифракционных процессов, возникающих на границах детали.

Известно устройство для контроля размера деталей / 2 / (аналог), содержащее последовательно установленные и оптически связанные источник света, коллимирующий и фокусирующий объективы, между которыми устанавливается измеряемая деталь, система плоских, зеркал, матричного фотопреобразователя, электрически связанного с последовательно соединенными электронным блоком, блоком определения размера и индикатором. При этом система плоских зеркал выполнена из N отдельных секций, число N которых определено из уравнения N=D/2βr, где D - диапазон измерений, г - половина длины матрицы фотопреобразователя, β - коэффициент увеличения оптической системы.

Однако, недостатками этого устройства являются ограничения точности измерений при контроле размеров детали, вызванное амплитудным способом измерения оптического сигнала без учета дифракционных процессов, возникающих на границах детали, и диапазона измерений из-за зависимости размеров элементов оптической схемы от размера контролируемой детали.

Известно оптико-электронное устройство измерения линейных размеров / 3 / (прототип), содержащее источник когерентного излучения и последовательно установленные по ходу излучения формирователь интерференционных полос, оптический Фурье-преобразователь, светоделитель, два фотоприемника, амплитудный фильтр, два усилителя, дифференциальный усилитель, блок обработки.

Недостатком этого устройства является ограничения диапазона измерений, т.к. размеры элементов оптической схемы зависят от размера контролируемой детали и точности измерений из-за изменений параметров среды и элементов оптической схемы от различных внешних воздействий, например от температуры Т, давления Р, влажности Н.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в увеличении диапазона и повышении точности измерений.

Согласно изобретению это достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения отклонений размеров деталей, содержащее источник когерентного излучения и последовательно установленные по ходу излучения, два измерительных канала, каждый снабженный фотоприемником, причем первый измерительный канал дополнительно снабжен светоделителем, формирующим два оптических потока, направляющиеся на фотоприемники измерительных каналов, между источником когерентного излучения и измерительными каналами введены последовательно установленные по ходу излучения коллиматор и акустооптический модулятор, имеющий по одному электрическому и оптическому входам и возможность формирования трех пространственно разнесенных частично перекрывающих друг друга разночастотных выходных оптических потока, причем каждый измерительный канал снабжен зеркалом и диафрагмой, последовательно установленными по ходу излучения перед фотоприемником, а второй измерительный канал дополнительно снабжен светоделителем, установленным перед зеркалом, и в обоих измерительных каналах используются разные крайние и части среднего разночастотные выходные оптические потоки; опорный канал, состоящий из установленных после светоделителей измерительных каналов последовательно по ходу излучения двух зеркал, диафрагмы и фотоприемника, использующий один из крайних и часть среднего разночастотных оптических потока; фазочастотный преобразователь с четырьмя входами и одним выходом, являющимся выходом устройства; генератор, соединенный с электрическим входом акустооптического модулятора и четвертым входом фазочастотного преобразователя, первые два входа которого подключены к выходам измерительных каналов, а третий вход к выходу опорного канала.

Другим отличием устройства является то, что фазочастотный преобразователь состоит из двух фазовых детекторов и последовательно соединенных суммирующего и дифференцирующего усилителей, фильтра низких частот, генератора, управляемого напряжением и второго входа частотного детектора, являющегося выходом фазочастотного преобразователя, причем выход частотного детектора соединен со вторым входом дифференцирующего усилителя, входа суммирующего усилителя подключены к выходам фазовых детекторов, причем первые входы последних являются первыми входами фазочастотного преобразователя, их вторые входы соединены и являются его третьим входом, а его четвертым входом является первый вход частотного детектора.

Полученное новое качество от данной совокупности признаков ранее не было, известно и достигается только в данном устройстве.

Функционирование устройства поясняется графическим материалом.

Фиг.1 представляет структурную схему измерительного устройства.

На фиг.2 изображены пространственные диаграммы, поясняющие процесс измерения отклонений внутренних размеров деталей.

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит следующие элементы: источник когерентного излучения (лазер) I, коллиматор 2, акустооптический модулятор (АОМ) 3, генератор 4, два измерительных 5, 6 и опорный 7 каналы, причем измерительный канал 5 состоит из светоделителя 8, зеркала 9, диафрагмы 10 и фотоприемника 11, измерительный канал 6 состоит из светоделителя 13, зеркала 14, диафрагмы 15 и фотоприемника 16, а опорный канал 7 состоит из двух зеркал 17, I8, диафрагмы 19 и фотоприемника 20, фазочастотный преобразователь 21, состоящий из фазовых детекторов (ФД) 22 и 23, суммирующего усилителя 24, дифференциального усилителя 25, фильтра низких частот (ФНЧ) 26, генератора, управляемого напряжением (ГУН) 27, частотного детектора (ЧД) 28.

Представленное устройство в процессе измерений отклонений наружных размеров работает следующим образом.

Излучение лазера 1 преобразуется коллиматором 2 в коллимированный пучок и направляется на АОМ 3. Генератор 4 формирует сигнал стабилизированной частоты f0, поступающий как на первый вход ЧД 22, так и на электрический вход АОМ 3. В АОМ 3 появляются бегущие ультразвуковые волны, которые приводят к дифракции света и появлению пространственно разнесенных дифракционных порядков Е(0), Е(-1), Е(+1), причем последние следуют под малым углом а к нулевому порядку Е(0).

Оптическая схема устройства построена так, чтобы использовать свойство Раман-натовской дифракции оптического излучения - формировать симметричный спектр дифракционных порядков и добиться равенства оптического плеча измерительного канала 5 (от точки разделения оптических потоков на светоделителе 8 до точки "касания" с поверхностью детали 12) и аналогичного плеча измерительного канала 6.

Светоделителем 8 и зеркалом 9 измерительного канала 5 из общего оптического потока выделяется оптический поток, направляющийся по касательной к верхней границе детали 12 и далее на диафрагму 10. Диафрагма 12 пространственно выделяет область, в которой перекрываются дифракционные порядки Е(-1) и Е(0). Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприемника 11 этих разночастотных   оптических порядков приводит к появлению на его выходе сигнала U1=U1msin(ωt+φ1(Δl1)), содержащего информацию о положении Δl1 границы детали 12, который далее поступает на первый вход фазового детектора 22 фазочастотного преобразователя 21.

Аналогично светоделителем 6 и зеркалом 9 измерительного канала 6 из общего оптического потока выделяется оптический поток, направляющийся по касательной к нижней границе детали 12 и далее на диафрагму 15. Диафрагма 15 пространственно выделяет область, в которой перекрываются дифракционные порядки Е(+1) и Е(0). Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприемника 16 этих разночастотных оптических порядков приводит к появлению на его выходе сигнала U2=U2msin(ωt+φ2(Δl2)), содержащего информацию о положении Δl2 нижней границы детали 12, который далее поступает на первый вход фазового детектора 23 фазочастотного преобразователя 21.

Расстояние между обоими измерительными пучками соответствует размеру эталонной, калиброванной детали.

С помощью зеркал 8 и 10 опорного канала 7 оптический поток, не касаясь границ детали 12, направляется на диафрагму 19, которая выделяет одну из областей перекрытия дифракционных порядков, например Е(+1)-Е(0), и направляет на фотоприемник 17 опорного канала 7. Оптическое гетеродинирование на входе фотоприемника 20 этих порядков приводит к появлению опорного сигнала U3=U3msin(ωt+φ0), который далее поступает на вторые входа фазовых детекторов 22 и 23 фазочастотного преобразователя 21.

Фазовый детектор 22 формирует электрический сигнал, поступающий на первый вход суммирующего усилителя 24:

U4(Δl1)=kфд11(Δl1)-φ0)=2πkфд1Δl1и,                               (1)

где kфд1-коэффициент преобразования ФД 22, Λи - период интерференционных полос, образуемых в дифракционными порядками Е(0) и E(-1), Δl1 - положение верхней границы объекта относительно границы верхнего луча.

Аналогичный сигнал на выходе ФД 23 поступает на второй вход суммирующего усилителя 24:

U5(Δl2)=kфд22(Δl2)-φ0)=2πkфд2Δl2и,                                (2)

где kфд2- коэффициент преобразования ФД 23, Δl2- положение нижней границы контролируемого объекта относительно границы нижнего луча.

Если kфд1=kфд2=kфд , то выходной сигнал суммирующего усилителя 24 описывается выражением

U6=kус(U5(Δl2)+U4(Δl1))=2πkфдkус(Δl2+Δl1)/Λи,                         (3)

где kус - коэффициент усиления суммирующего усилителя 24.

Этот сигнал поступает на первый вход дифференциального усилителя 25, а его второй вход соединен с выходом ЧД 28.

Дифференциальный усилитель 25 соединен с последовательно включенными ФНЧ 26, ГУН 27 и вторым входом ЧД 28, который является выходом устройства. Такое соединение образует замкнутое кольцо - схему автоматической подстройки частоты. В линейном режиме работы этой схемы имеется равенство U6=U7.

Блок ЧД 28 преобразует входную разность частот в напряжение

U7=kчд(fвых-f0)=kчд Δf,                                          (4)

где kчд - коэффициент преобразования частотного детектора, f0 - частота кварцевого генератора, Δf – выходное частотное приращение.

Сумма Δl2+Δl1 в выражении (3) фактически является разницей между фактическим размером детали Lдет и эталонным расстоянием между лазерными лучами Lл и представляет собой искомое отклонение размера детали Δl2+Δl1=Lдет-Lл=ΔL.

Уравнивая выражения  (2) и (4) и с учетом вышесказанного получаем

Δf=2πkфдkус(Δl2+Δl1)/Λи = А∙ΔL/Λи                             (5)

где A - постоянный коэффициент.

Как видно частотное приращение Δf пропорционально отклонению размера детали ΔL, а чувствительность может регулироваться за счет изменения соотношений между коэффициентами преобразований фазовых детекторов 22, 23, суммирующего усилителя 24 и частотного детектора 28.

При измерении отклонений внутренних размеров деталей (фиг.2) в оптическом потоке, измеряющим положение верхней границы используется область перекрытия дифракционных порядков Е(+1)-Е(0), а для нижней границы соответственно - Е(-1)-Е(0). При этом изменяется только пространственное положение соответствующих диафрагм 10 и 11,                      а состав устройства и режим его работы остается неизменным.

Сущность работы устройства заключается в следующем .

1. При дифракции световой волны в акустооптическом модуляторе, работающем в режиме дифракции Рамана-Ната с малой амплитудой фазовой модуляции, образуется две области перекрытия разночастотных дифракционных порядков (два поля интерференции): Е(+1)-Е(0) и E(-I)-E(Q) с периодом интерференционных полос Λи, зависящим от параметров оптико-электронной схемы /4,5/.

Введение в одну из областей перекрытия порядков границы объекта, приводит, в конечном итоге, к изменению фазы электрического сигнала.

В данном техническом решении используются два оптических потока, задающих верхний (E(-I)-E(O)) и нижний диапазон (Е(+1)-Е(0)) измерения отклонений размеров деталей.

2. Использование двух оптических потоков позволяет фиксировать положение обоих границ объекта и, таким образом, погрешности, образованные как смещениями оси диаграммы направленности световых потоков, так и смещениями объекта, в следствие различных вибраций компенсируют друг друга.

Применение третьего опорного луча дает возможность сформировать опорный электрический сигнал, который исключает погрешности, вызванные флуктуациями параметров воздуха, акустооптического модулятора и нестабильностью оси диаграммы направленности лазера.

3. Совместное использование в устройстве кварцевого генератора и схемы автоподстройки частоты / 6 / позволяет уменьшить погрешность линейности в пределах всего частотного диапазона.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет увеличить диапазон измерений устранив связь между размерами контролируемых деталей и размерами элементов оптической схемы, а кроме того повысить точность измерений путем введения опорного канала.

 

          Источники информации, используемые при составлении описания:

I. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры.-Новосибирск:Наука,1985.                             ( аналог )

2. А.с.№1670382 (СССР) МКИ G 01B 11/02 Устройство для контроля размеров деталей. Оржекаускас С.И., Кранчюкас Р.Б., Римша Г.Э., Рондоманскас M.C., Дербенев В.Н. Опубл. в Б.и.№30, 1991 (аналог).

3. А.с.4 1044968 (СССР) МКИ G 01 В 11/02. Оптико- электронное устройство измерения линейных размеров. Дубнищев Ю.Н., Павлов В.А. Опубл. в Б.И.-1983,436                                                             (прототип)

4. А.с.4 I7I4359 (СССР) МКИ G 01 В 21/00. Способ определения положения границы объекта. Телешевский В.И., Абдикаримов Н.Н. Опубл. в Б.и.-1992, №7.

5. Гетеродинный лазерный акустооптоэлектронный сенсор для бесконтактного определения положения границ объектов. Телешевский В.И., Абдикаримов Н.Н.//Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез. докл. 8 Всесоюзной научно-технической конференции. Москва, ноябрь 1990 г., М., 1990. –с. 242.

6. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. -М.: Радио и связь,1991.-264с.:ил.

 

Формула изобретения

     1. Устройство для измерения отклонений размеров деталей, содержащее источник когерентного излучения и последовательно установленные по ходу излучения, два измерительных канала каждый снабженный фотоприемником, причем первый измерительный канал дополнительно снабжен светоделителем, формирующим два оптических потока, направляющиеся на фотоприемники измерительных каналов отличающееся тем, что в устройство между источником когерентного излучения и измерительными каналами введены последовательно установленные по ходу излучения коллиматор и акустооптический модулятор, имеющий по одному электрическому и оптическому входам и возможность формирования трех пространственно разнесенных частично перекрывающих друг друга разночастотных выходных оптических потока, причем каждый измерительный канал снабжен зеркалом и диафрагмой, последовательно установленными по ходу излучения перед фотоприемником, а второй измерительный канал дополнительно снабжен светоделителем, установленным перед зеркалом, и в обоих измерительных каналах используются разные крайние и части среднего разночастотные выходные оптические потоки; опорный канал, состоящий из установленных после светоделителей измерительных каналов последовательно по ходу излучения двух зеркал, диафрагмы и фотоприемника, использующий один из крайних и часть среднего разночастотных оптических потока; фазочастотный преобразователь с четырьмя входами и одним выходом, являющимся выходом устройства; генератор, соединённый с электрическим входом акустооптического модулятора и четвертым входом фазочастотного преобразователя, первые два входа которого подключены к выходам измерительных каналов, а третий вход к выходу опорного канала.

     2. Устройство по п.1 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что фазочастотный преобразователь состоит из двух фазовых детекторов и последовательно соединенных суммирующего и дифференцирующего усилителей, фильтра низких частот, генератора, управляемого напряжением и второго входа частотного детектора, являющегося выходом фазочастотного преобразователя, причем выход частотного детектора соединен со вторым входом дифференцирующего усилителя, входы суммирующего усилителя подключены к выходам фазовых детекторов, причем первые входы последних являются первыми входами фазочастотного преобразователя, их вторые входы соединены и являются его третьим входом, а его четвертым входом является первый вход частотного детектора.

 

 


’/гтхг-'.гтрфсг! тттга иг:»я?рт?итд<т лфтг тгАШтиют с-л qwpap щгтлтгопг

’• - A.*- '.-«l-.iiJv                         •-- liiiti. A iJL^i. J_b' iV i *. jn.r_i«U_ij» --  ^ 1- nwti.;i!t

фиг. I

 

 


      
  

на первый вход

фазочастотного преобразователя

 
  

на второй вход

фазочастотного преобразователя

 
 

б |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



РЕФЕРАТ

 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерной интерферометрии и может быть использовано для определения отклонений размеров различных деталей, изделий поточного производства, проволоки, труб, стержней б т.ч. изделий с большими размерами и острыми кромками.

В предлагаемом устройстве сформированы три оптических потока, причем два из них являются измерительными, а третий – опорный. Расстояние между измерительными оптическими потоками является базовым, эталонным. В процессе измерения контролируемая деталь вводится между измерительными потоками и измеряется отклонение от эталонного расстояния. Этот параметр регистрируется с высокой точностью при использовании гетеродинного метода измерения. Выходным сигналом является изменение частоты сигнала.

Опорный оптический поток используется для введения компенсации от изменений параметров среды и элементов оптической схемы (лазера, акустооптического модулятора и др.) от различных внешних воздействий, например от температуры Т, давления Р, влажности Н.

 
 
 
 
 
 

 

Ошибка | Измираль

Ошибка

Сообщение об ошибке

  • Warning: Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /var/www/globuswww/data/www/izmiral.ru/includes/common.inc:2726) в функции drupal_send_headers() (строка 1233 в файле /var/www/globuswww/data/www/izmiral.ru/includes/bootstrap.inc).
  • PDOException: SQLSTATE[HY000]: General error: 29 File './izmiral/watchdog.MYD' not found (Errcode: 2): INSERT INTO {watchdog} (uid, type, message, variables, severity, link, location, referer, hostname, timestamp) VALUES (:db_insert_placeholder_0, :db_insert_placeholder_1, :db_insert_placeholder_2, :db_insert_placeholder_3, :db_insert_placeholder_4, :db_insert_placeholder_5, :db_insert_placeholder_6, :db_insert_placeholder_7, :db_insert_placeholder_8, :db_insert_placeholder_9); Array ( [:db_insert_placeholder_0] => 0 [:db_insert_placeholder_1] => cron [:db_insert_placeholder_2] => %type: !message in %function (line %line of %file). [:db_insert_placeholder_3] => a:6:{s:5:"%type";s:12:"PDOException";s:8:"!message";s:186:"SQLSTATE[HY000]: General error: 29 File &#039;./izmiral/watchdog.MYD&#039; not found (Errcode: 2): SELECT w.wid AS wid FROM {watchdog} w ORDER BY wid DESC LIMIT 1 OFFSET 999; Array ( ) ";s:9:"%function";s:12:"dblog_cron()";s:5:"%file";s:65:"/var/www/globuswww/data/www/izmiral.ru/modules/dblog/dblog.module";s:5:"%line";i:113;s:14:"severity_level";i:3;} [:db_insert_placeholder_4] => 3 [:db_insert_placeholder_5] => [:db_insert_placeholder_6] => http://izmiral.ru/content/zayavka-na-patent-no98108359 [:db_insert_placeholder_7] => [:db_insert_placeholder_8] => 87.118.126.220 [:db_insert_placeholder_9] => 1576486047 ) в функции dblog_watchdog() (строка 160 в файле /var/www/globuswww/data/www/izmiral.ru/modules/dblog/dblog.module).
На сайте произошла непредвиденная ошибка. Пожалуйста, повторите попытку позже.