Измерительное оборудование

Поставки, консалтинг и техническое сопровождение

Заявка на патент №98113994

Способ определения пространственных параметров границы объекта и устройство для его реализации
Положительное решение по заявке №98113994
(патент не выдан всего лишь из-за неуплаты пошлины за его выдачу)
Леун Е.В.
МПК G01В 9/02, 11/03 Дата публ. заявки: 20.04.2000

     Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерной интерферометрии и может быть использовано при определении следующих пространственных параметров: направлений движения (поворота), значений смещений Δl (поворотов Δγ), линейной скорости Δl/Δt (угловой скорости Δγ/Δt) границ объектов, при определении отклонений форм границы объекта: отклонений от прямолинейности, отклонений отверстий от заданной формы (круглого, овального, квадратного сечения), размеров щелей или зазоров; при контроле за износом и направлением движения резцов на металлорежущих станках.

     Известен бесконтактный способ определения положения кромки предмета /1/ (аналог), заключающийся в получении теневой проекции предмета на расположенном в плоскости изображения объектива сканирующем фотопреобразователе, например, на приборе с зарядовой связью, преобразовании теневой проекции в видеоимпульс и определении измеряемого размера по положению фронта видеоимпульса, видеоимпульсы интегрируют, по крайней мере, в пределах его фронта, измеряют амплитуду видеоимпульса, определяют положение фронта относительно конца интервала по отношению величины полученного интеграла к амплитуде видеоимпульса, измеряемый размер определяют как сумму положения фронта относительно конца интервала и оставшейся части видеоимпульса.

     Устройство, реализующее этот способ, содержит объектив, проецирующий предмет в плоскость изображения, где расположен сканирующий фотопреобразователь, генератор тактовых импульсов, блок видеоимпульса с подключенным к нему и связанными друг с другом блоком определения амплитуды видеоимпульса, блоком формирования интервала интегрирования и вычислительным блоком, состоящим из интегратора, запоминающего устройства, счетчика, делителя и сумматора.

     Недостатком этого способа и устройства является ограничение быстродействия процесса измерения, связанное с необходимостью перемещения контролируемого объекта относительно объектива устройства.

     Известен интерференционный способ определения положения границы объекта /2/ (аналог), согласно которому сканируют объект когерентным монохроматическим световым пучком, формируют световые пучки, образующие перемещающиеся навстречу одно другому изображения границы объекта, осуществляют интерференцию этих пучков с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого излучения, и преобразуют результирующий световой поток в электрический сигнал, после сканирования каждый пучок деляг на два равных пучка со взаимным смещением их на величину, не превышающую четвертую часть их диаметра, и с разностью хода, равной нечетному числу полуволн используемого света.

     Устройство для реализации этого способа-аналога содержит щелевую диафрагму, три светоделительных элемента, четыре плоских зеркала, призму Дове, ограничительную диафрагму и фотоприемник.

    Недостатком этого способа и устройства является ограничение точности измерений из-за реализации гомодинной интерференционной схемы, в которой погрешность определяется наличием различных внешних засветок, изменений чувствительности фотоприемника и низкой помехоустойчивости. Кроме этого, в этом техническом решении также ограничено быстродействие процесса, связанное с необходимостью перемещения контролируемого объекта относительно объектива устройства.

     Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения границы объекта /3/ (прототип), который заключается в том, что формируют световой луч, объект вводят в световой луч перпендикулярно направлению распространения луча, преобразуют световой поток, прошедший мимо кромки объекта в электрический сигнал, по параметрам которого судят о положении границы объекта, сходящийся оптический луч подвергают акустооптической модуляции, получают набор световых волн дифракционных порядков, объект вводят в область интерференции дифракционных порядков, расположенную вблизи их фокальной плоскости, об изменении положения границы объекта Δl судят по изменению фазы электрического сигнала Δφ(Δl).

    Устройство, реализующее способ-прототип, состоит из оптически связанных между собой источника монохроматического излучения, оптической схемы, акустооптического модулятора, генератора импульсов, диафрагмы и фотоприемника.

     Установлено /4/, что при дифракции световой волны в акустооптическом модуляторе, работающим в режиме дифракции Рамана-Ната с малой амплитудой фазовой модуляции, за счет частичного перекрытия дифракционных порядков Е+1o и Е-10 образуются две пространственные области (два поля) интерференции. Область интерференции, формирует бегущую пространственную интерференционную картину с периодом Λ, освещает через диафрагму фотоприемник и приводит к формированию частотного электрического сигнала.

     Введение контролируемого объекта с функцией пропускания Т=1(х-х0), где - 1(х-х0) - функция Хэвисайда, х0 - координаты границы объекта, на величину Δl в область интерференции дифракционных порядков приводят к дифракции интерферирующих оптических порядков на границе объекта, смещению интерференционной картоны и дополнительному фазовому набегу Δφ(Δl) частотного электрического сигнала. Значение фазового набега Δφ(Δl) определяется следующим соотношением

Δφ(Δl)=2πΔl/Λ,                                                                                 (1)

где Λ - период пространственной интерференционной картины, формируемой в области интерференции, Δl - смещение границы контролируемого объекта.

     Данные способ и устройство позволяют повысить точность измерений за счет использования процесса дифракции света на границе объекта и, соответственно, преобразовании смещения границы объекта Δl в изменение фазы электрического сигнала Δφ(Δl).

Однако, их точность измерений и функциональные возможности ограничены из-за пространственной селективной чувствительности и необходимости подстраивать направление перемещения объекта под направление максимальной чувствительности для выполнения принципа Аббе. Кроме того, недостатком является ограничение быстродействия процесса измерения, связанное с необходимостью перемещения контролируемого объекта относительно устройства.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей, повышении точности и скорости измерений.

Согласно изобретению указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения пространственных параметров границы объекта формируют световой поток, который подвергают акустооптической модуляции, получают измерительный поток в виде набора разночастотных дифракционных порядков, формируют измерительный канал, в котором, создают область интерференции, объект вводят перпендикулярно направлению распространения измерительного потока и освещают областью интерференции границу объекта, образуют бегущую интерференционную картину, часть которой диафрагмой направляют на фотоприемник, с помощью которого формируют электрический сигнал, а об изменении положения границы объекта судят по изменению фазы этого сигнала, пространственно выводят из измерительного потока разночастотные дифракционные порядки, за исключением одного, из которого формируют неподвижный оптический поток, а с помощью одного из выведенных разночастотных дифракционных порядков формируют подвижный оптический поток, пространственно совмещают подвижный и неподвижный оптические потоки, изменяют пространственное положение подвижного оптического потока, перемещают область интерференции вдоль границы объекта, по параметрам пространственного положения подвижного оптического потока и изменению фазы судят о пространственных параметрах границы объекта.

 

Соответственно предложенное устройство, реализующее данный способ, состоит из последовательно установленных источника монохроматического излучения и акустооптического модулятора, имеющий по одному оптическому и электрическому входам и возможность формирования на выходе разночастотных оптических потоков; генератора импульсов, выход которого является первым выходом устройства и подключен к электрическому входу акустооптического модулятора; измерительного канала с оптическим входом и электрическим выходом, являющийся вторым выходом устройства, в устройство введены коллиматор, размещенный перед акустооптическим модулятором, и пространственный модулятор света с оптическими входом, расположенным по ходу одного из разночастотных оптических потоков, и выходом и двумя электрическими входами, а в измерительном канале сформирован второй оптический вход по ходу оптического потока, следующего из оптического выхода пространственного модулятора света.

    Другим отличием устройства является то, что измерительный канал содержит, расположенные последовательно по ходу излучения, светоделитель, диафрагму и фотоприемник, выход которого является электрическим выходом измерительного канала.

     Другим отличием устройства является то, что пространственный модулятор света содержит зеркало, закрепленное на пьезоэлементе, два электрических входа которого являются электрическими входами пространственного модулятора света.

     Полученное новые свойства от данной совокупности признаков ранее не были известны и достигается только в данных способе и устройстве.

    Работа способа и устройства поясняются графическим материалом. На фиг.1а представлена схема заявляемого устройства при определении пространственного положения границы объекта, а на фиг. 1б представляет измерительный канал устройства при контроле формы отверстия. На фиг2. изображены пространственные диаграммы, поясняющие работу устройства при определении пространственного положения границы объекта, для следующих случаев: фиг.2а - поворот объекта, фиг.2б - линейное смещение объекта. Фиг.3 демонстрирует пространственную диаграмму, поясняющую работу устройства при контроле формы отверстия.

     Устройство, реализующее заявляемый способ, состоит из следующих элементов (фиг.1а): источник монохроматического излучения (лазер) 1, коллиматор 2, акустооптический модулятор (АОМ) 3, генератор импульсов 4, измерительный канал 5, состоящий из светоделителя 6, диафрагмы 7 , фотоприемника 8; пространственный модулятор света 9, состоящий из зеркала 10 и пьезокерамического дефлектора 11.

     Измерения положения границы объекта (фиг. 1а) осуществляют следующим образом.

    Излучение лазера 1 преобразуется коллиматором 2 в коллимированный пучок и проходит сквозь АОМ 3, в котором создаются бегущие ультразвуковые волны. Блок АОМ 3 возбуждается генератором импульсов 4, формирующим опорный электрический сигнал U1=U0sinωt, следующим на первый выход устройства. Коллимированный пучок дифрагирует в АОМ 3 в режиме Брэгга на два дифракционных порядка E+1 и Е0. Нулевой дифракционный порядок Е0 после АОМ 3 следует на первый оптический вход измерительного канала 5, проходит сквозь светоделитель 6 и освещает (на фиг.2а - границу, а на фиг.2б - отверстие) контролируемый объект 12.

     Первый дифракционный порядок Е+1 отклоняется от прямолинейного направления на угол дифракции а и следует на оптический вход пространственного модулятора света 9. Отразившись от зеркала 10 этот дифракционный порядок выходит через оптический выход пространственного модулятора света 9 и направляется на второй оптический вход измерительного канала 5. Там он попадает на светоделитель 6, после которого его часть следует вместе с нулевым дифракционным порядком Е0 в направлении контролируемого объекта 12.

     Пространственный модулятор света 9 представляет собой зеркальный пьезокерамический дефлектор, состоящий из пьезоэлемента 11 и зеркала 10 закрепленного на нем. При подаче напряжений ΔUx(t) и ΔUу(t) пьезоэлемент 11 изгибается по соответствующей координате и отклоняет зеркало 10, которое, в свою очередь, отклоняет дифракционный порядок Е+1. Формируя электрические сигналы ΔUx(t), ΔUу(t) нужной временной последовательности задают соответствующую пространственную развертку дифракционного порядка Е+1.

   Положение пространственного модулятора света 9 и угол отражения света в нем подобраны такими, чтобы дифракционные порядки Е+1 и Е0 в светоделителе 6 пространственно совмещаются под малым углом β<<α. Пространственное совмещение подвижного Е+1 и неподвижного Е0 дифракционных порядков приводит к образованию подвижной области интерференции, которая используется в качестве пространственно чувствительной области (фиг.2,3). Образовавшаяся область интерференции освещает границу объекта 12, на которой происходит дифракция интерферирующих оптических порядков. Оптический поток после дифракции на границе объекта следует на диафрагму 7 и фотоприемник 8 измерительного канала 5.

    Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприемника 8 этих разночастотных потоков приводит к появлению на его выходе частотного электрического сигнала U2(Δl)=U0sin[ωt+Δφ(Δl)]. Фазовый набег Δφ(Δl), возникаемый в устройстве между двумя электрическими сигналами U1 и U2(Δl), определяется согласно выражению (1), в котором величина Δl - это пространственное отклонение положения границы контролируемого объекта от траектории движения области интерференции. Таким образом, зная текущее значение фазового набега Δφ(Δl), возникаемого в устройстве, можно определить пространственные параметры положения границы объекта.

     Представленное описание работы устройства составлено для дифракции света в режиме Брэгга, однако состав и работа устройства не меняется при использовании режима дифракции Рамана-Ната.

     Сущность способа заключается в следующем.

     При неподвижном дифракционном порядке Е0 положение поля интерференции полностью зависит от положения дифракционного порядка E+1. Ускорение процесса контроля осуществляется за счет управляемого смещения поля интерференции относительно контролируемой границы объекта. Перемещение области интерференции можно осуществлять как по линии, так и по замкнутой траектории. В первом случае контролируются пространственные параметры положения границы объекта (фиг.2а,б). Второй режим работы можно использовать для определения отклонений от круглости или другой формы (фиг.З).

    При перемещении подвижного дифракционного порядка E+1 в пределах неподвижного дифракционного порядка Е0 по круговой траектории контролируется отклонение от круглости отверстия. При этом, образующаяся область перекрытия как-бы «скользит» по окружности, вдоль края отверстия (фиг.3), а положение края объекта относительно траектории движения определяется по текущему значению разности фаз Δφ. На этом рисунке показана траектория движения подвижного дифракционного порядка E+1 через равные промежутки времени Δt. 

     Аналогично может осуществляться контроль отверстий с любой другой криволинейной формой, например с эллиптическим, квадратным.

Круговые движения подвижного дифракционного порядка E+1 в пределах Е0 формирует вращающееся по круговой траектории поле интерференции, что эквивалентно созданию «коаксиального» пространственно-чувствительного оптического луча. Такой луч обладает одинаковой чувствительностью во всех направлениях на плоскости XOY и его использование позволяет выполнить принцип Аббе в процессе измерений. Это позволяет как расширяет функциональные возможности, так и повышает точность измерений.

В качестве пространственного модулятора света могут использоваться не только пьезодефлекторы, но и двумерные акустооптические дефлекторы, модуляторы, построенные на других принципах действия /5-8/. Указанные типы модуляторов позволят сканировать пространственно-чувствительной областью интерференции с высокой скоростью, что повышает скорость контроля.

Методика определения отклонения от круглости отверстия предлагаемым способом заключается в том, что деталь, например, ушко с отверстием устанавливают в подготовленную оснастку так, чтобы отверстие было полностью освещено неподвижным нулевым пучком Е0. А затем, осуществляя круговое вращение с помощью пространственного модулятора света подвижным дифракционным порядком Е+1, определяют текущее изменение разности фаз Δφ.

 

Литература

     1. А.с.№1068702 (СССР), МКИ G 01 В 11/24. Бесконтактный способ определения положения кромки предмета. И.А. Аронов, Э.Ш. Зельман// Опубл. в Б.и. -1984, №3.                                                                                    (аналог)

       2. А.с.№1089404 (СССР), МКИ G 01 В 9/02,11/02. Интерференцион­ный способ определения положения границы объекта. Е.К. Чехович, Ю.Г. Буров// Опубл. в Б.и. -1984, №16.                                                                                 (аналог)

     3. А.с.№ 1714359 (СССР), МКИ G 01 В 21/00. Способ определения положения границы объекта. В.И.Телешевский, Н.Н.Абдикаримов // Опубл. в Б.И. -1992, N7.                                                                                                   (прототип)

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

5.              Якушкин С.В., Суханов И.И., Троицкий Ю.В. Измерение и стабилизация направления оси лазерного пучка. Приборы и техника эксперимента,1987, №4, с.181-183.

6. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.E. Физические основы акустооптики. -М.:Радио и связь,1985.-280с.

7. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света.М.:Наука,1970.295с.

8. Мазуров М.Е., Обухов В.И. Оптические модуляторы и устройства отклонений луча.М.:1970.140с.

 

Формула изобретения

    1. Способ определения пространственных параметров границы объекта заключающийся в том, что формируют световой поток, который подвергают акустооптической модуляции, получают измерительный поток в виде набора разночастотных дифракционных порядков, формируют измерительный канал, в котором, создают область интерференции, объект вводят перпендикулярно направлению распространения измерительного потока и освещают областью интерференции границу объекта, образуют бегущую интерференционную картину, часть которой диафрагмой направляют на фотоприемник, с помощью которого формируют электрический сигнал, а об изменении положения границы объекта судят по изменению фазы этого сигнала отличающийся тем, что пространственно выводят из измерительного потока разночастотные дифракционные порядки, за исключением одного, из которого формируют неподвижный оптический поток, а с помощью одного из выведенных разночастотных дифракционных порядков формируют подвижный оптический поток, пространственно совмещают подвижный и неподвижный оптические потоки, изменяют пространственное положение подвижного оптического потока, перемещают область интерференции вдоль границы объекта, по параметрам пространственного положения подвижного оптического потока и изменению фазы судят о пространственных параметрах границы объекта.

     2. Устройство для определения пространственных параметров границы объекта состоящее из последовательно установленных источника монохроматического излучения и акустооптического модулятора, имеющий по одному оптическому и электрическому входам и возможность формирования на выходе разночастотных оптических потоков; генератора импульсов, выход которого является первым выходом устройства и подключен к электрическому входу акустооптического модулятора; измерительного канала с оптическим входом и электрическим выходом, являющийся вторым выходом устройства, отличающееся тем, что в устройство введены коллиматор, размещенный перед акустооптическим модулятором, и пространственный модулятор света с оптическими входом, расположенным по ходу одного из разночастотных оптических потоков, и выходом и двумя электрическими входами, а в измерительном канале сформирован второй оптический вход по ходу оптического потока, следующего из оптического выхода пространственного модулятора света.

     3. Устройство по п.2 отличающееся тем, что измерительный канал содержит, расположенные последовательно по ходу излучения, светоделитель, диафрагму и фотоприемник, выход которого является электрическим выходом измерительного канала.

     4. Устройство по п.2 отличающееся тем, что пространственный модулятор света содержит зеркало, закрепленное на пьезоэлементе, два электрических входа которого являются электрическими входами пространственного модулятора света.

РЕФЕРАТ

     Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к лазерной интерферометрии и может быть использовано при определении следующих пространственных параметров: направлений движения (поворота), значений смещений Δ1 (поворотов Δγ), линейной скорости Δ1/Δt (угловой скорости Δγ/Δt) границ объектов, при определении отклонений форм границы объекта: отклонений от прямолинейности, отклонений отверстий от заданной формы (круглого, овального, квадратного сечения и др.), размеров щелей или зазоров; при контроле за износом и направлением движения резцов на металлорежущих станках.

     Предлагаемый способ заключается в том, что в схеме формируется подвижный и неподвижный разночастотные дифракционные порядки оптического потока. Их пространственное совмещение позволяет создать управляемую пространственно-чувствительную область интерференции, с помощью которой сканируется, исследуется граница контролируемого объекта, приводящая к дифракции этих порядков. Продифрагированные порядки приводят к формированию на выходе фотоприемника частотного сигнала. Изменение положения исследуемой границы приводит к фазовому набегу этого сигнала. Если сканировать пространственно-чувствительной областью интерференции границу объекта по заданной траектории, то по текущему фазовому набегу можно судить о пространственных параметрах этой границы, в т.ч. о параметрах движения (поворота) и отклонений формы от заданной. 

 
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-no98113994 [:db_insert_placeholder_7] => [:db_insert_placeholder_8] => 87.118.126.220 [:db_insert_placeholder_9] => 1576485885 ) 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.