Измерительное оборудование

Поставки, консалтинг и техническое сопровождение

Заявка № 99102921

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦЫ ОБЪЕКТА
Положительное решение по заявке №99102921
(патент не выдан всего лишь из-за неуплаты пошлины за его выдачу)
Леун Е.В.
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 положения границы объектов, которое необходимо при измерении размеров объектов и параметров их движения в пространстве, аттестации концевых мер, определения износа резцов на 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, и определяют положение фронта относительно конца интервала по отношению интеграла к амплитуде видеоимпульса, измеряемый размер определяют как сумму положения фронта относительно конца интервала и оставшейся части видеоимпульса.

Недостатком этого способа является ограничение точности измерений, обусловленное большими размерами фоточувствительных элементов и отсутствием в процессе измерения учета дифракции света на кромке объекта.

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 делят 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.

Недостатком этого способа является ограничение точности измерений из-за реализации гомодинной интерференционной схемы, в которой погрешность определяется наличием различных внешних засветок, изменений чувствительности  фотоприемника и низкой помехоустойчивости.

Наиболее, близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения границы объекта /3/ (прототип), который заключается 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 акустостооптической 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(Δ1).

Установлено /4/, что при дифракции световой волны в акустооптическом модуляторе, работающем в режиме дифракции Рамана-Ната с малой амплитудой фазовой модуляции, за счет частичного перекрытия дифракционных порядков Е(+1)-Е(0) и Е(-1)-Е(0) образуются две пространственные интерференционные картины с периодом Λ=λ/sinα, где α - угол дифракции световой волны в акустооптическом модуляторе. Эта интерференционная картина, освещая через диафрагму фотоприемник, приводит к формированию частотного электрического сигнала.

Введение  контролируемого  объекта  с  функцией  пропускания  Т=1(l-l0), где - 1(l-l0) - функция Хэвисайда, l0- координаты границы объекта, на величину Δl в любой из крайних дифракционных порядков (Е(+1) , Е(-1)) и дифракция этого порядка на границе объекта приводят к смещению интерференционной картины и дополнительному фазовому набегу Δφ(Δ1) частотного электрического сигнала.

Данный способ позволяет повысить точность измерений за счет использования процесса дифракции света на границе объекта и, соответственно, преобразовании смещения границы объекта Δ1 в изменение фазы электрического сигнала Δφ(Δ1). Для малых углов α период интерференционной картины Λ достаточен, чтобы при размере диафрагмы ≥0,1 мм обеспечить минимальные световые потери и получать с высоким соотношением сигнал/шум. Повышение чувствительности требует уменьшения значения Λ и соответственно уменьшения размера диафрагмы, что приводит к снижению coотношения сигнал/шум и соответствующему снижению точности измерений. Недостатками способа и устройства являются как невысокая чувствительность измерений, так и ограничение функциональных возможностей, связанное со сложностью определения положения границы объекта.

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

Согласно изобретению указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе формирует световой поток, который подвергают акустооптической модуляции, получают набор световых волн дифракционных порядков, объект вводят в дифракционный порядок перпендикулярно его направлению распространения, создают область интерференции дифракционных порядков с бегущей интерференционной картиной, формируют измерительный канал, в котором преобразуют бегущую интерференционную картину в электрический сигнал, по изменению фазы которого судят о положении границы объекта, формируют второй измерительный канал по направлению распространения другого дифракционного порядка, в котором создают вторую область интерференции, в первом и втором измерительных каналах размещают неподвижные периодические структуры с периодами, соответственно, Λ1 и Λ2 , в обоих измерительных каналах делят дифракционные порядки на два пучка, причем первые пучки направляют на неподвижные , периодические структуры, а вторые пучки, направляют в противоположные каналы и пространственно совмещают под углами β и γ с первыми пучками, соответственно, первого и второго измерительных каналов, с образованием в этих измерительных каналах областей интерференции с периодами Λ3 и Λ4, которыми освещают неподвижные периодические структуры с периодами Λ1 и Λ2, что создает на них бегущие интерференционные картины с периодами, соответственно, Λ5 и Λ6, во втором измерительном канале преобразуют оптический сигнал бегущей интерференционной картины в электрический сигнал, а изменение фазы определяют по изменению сигнала между каналами.

 

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

Осуществление способа поясняется графическим материалом.

Устройство для определения смещений, границы объекта (фиг.1), реализующее заявляемый способ, состоит из следующих элементов: источник монохроматического излучения (лазер) 1, коллиматор 2, акустооптический модулятор (АОМ) 3, генератор 4, первый и второй измерительные каналы 5 и 10, каждый состоящий соответственно из светоделителей 6 и 11, дифракционных решеток с шагом полос Λ1 и Λ2 7 и 12, диафрагм 8 и 13, фотоприемников 9 и 14.

Измерения осуществляют следующим образом.

Излучение лазера 1 преобразуется коллиматором 2 в коллимированный пучок, проходит сквозь АОМ 3, в котором создаются бегущие ультразвуковые волны. Блок АОМ 3 возбуждается генератором 4, формирующим опорный электрический сигнал U1=U0sinωt, следующим на первый выход устройства. Коллимированный пучок дифрагирует в АОМ 3 (например в режиме Брэгга) на два дифракционных порядка Е(+1) и Е(0). Нулевой дифракционный порядок Е(0) следует мимо границы объекта 15, дифрагирует на ней результирующее дифрагированное излучение следует на светоделитель 6 первого измерительного канала 5. Там он разделяется на два пучка, второй из которых направляется во второй измерительный канал 10, а первый - проходит через светоделитель 6, пространственно совмещается под углом β со втором пучком первого дифракционного порядка Е(+1), следующего из второго измерительного канала 10.

Первый дифракционный порядок Е(+1) дифрагирует на угол дифракции α и следует на светоделитель 11 второго измерительного канала 10. Там; он разделяется на два пучка, причем первый пучок первого дифракционного порядка Е(+1) проходит через светоделитель 11, пространственно совмещается под углом γ со вторым пучком нулевого дифракционного порядка Е(0), продифрагированного на границе объекта 15 и следующего из первого измерительного канала 5.

 

Пространственное совмещение пучков дифракционных порядков Е(+1), Е(0) в первом и втором измерительных каналах 5 и 10 соответственно под углами β и γ приводит к образованию бегущих интерференционных картин с периодами Λ3= λ/sinβ и Λ4= λ/sinγ, где λ - длина волны, β и γ - углы пространственного совмещения дифракционных порядков Е(+1) и Е(0) в первом и втором измерительных каналах 5 и 10.

Пространственное совмещение интерференционных картин с периодами Λ3 и Λ4 в первом и втором измерительных каналах 5, 10 и дифракционных решеток с шагом Λ1 и Λ2 приводит к формированию бегущих комбинационных полос, период которых определяется следующими выражениями:

- для измерительного канала 5              Λ5= Λ1Λ3/(Λ1 - Λ3),                    ( 1 )

- для измерительного канала 10            Λ6= Λ2Λ4/(Λ2 – Λ4),                    ( 2 )

 

Для равных размеров диафрагм 8 и 13 целесообразно выбирать значения углов пространственною совмещения β и γ дифракционных порядков Е(+1) и Е(0) и шагов полос дифракционных решеток Λ1 и Λ3 та ми ???, чтобы Λ5≈Λ6.

Смещение контролируемого объекта 15 в нулевом дифракционном порядке Е(0) на значение Δl приводит к соответствующему смещению интерференционных картин в oбoих измерительных каналах 5 и 10. При этом фазовый набег Δφ(Δl), возникаемый в измерительном канале 5, будет

определяться как

Δφ1(Δl)=2πΔl/Λ3                                                                   ( 3 )

а в измерительном канале 6

Δφ2(Δl)=2πΔl/Λ4 .                                                                   ( 4 )

В результате оптического гетеродинирования разночастотных световых потоков на выходе фотоприемников 9 и 14 появляются электрические сигналы, изменение фазы в которых пропорционально смещению Δl границы объекта 15:

                                      U2(Δl)=U0sin[ωt+ Δφ1(Δl)],                                     ( 5 )

U3(Δl)=U0sin[ωt+ Δφ2(Δl)],                                      ( 6 )

Таким образом, измерения фазовых набегов, возникающих в первом и втором измерительных каналах 5 и 10, используются для определения смещения границы объекта 15 в режиме «относительного отсчета» с высокой разрешающей способностью. Положение границы объекта 15 в режиме «абсолютного отсчета» определяется помощью разности фаз ΔΨ между фазовыми набегами Δφ1(Δl) и Δφ2(Δl), возникающими в первом и втором измерительных каналах 5 и 10:

ΔΨ(Δl)=Δφ2(Δl)-Δφ1(Δl) =2πΔl(1/Λ4- 1/Λ3)=2πΔl(Λ3-Λ4)/Λ3Λ4=2πΔl/Λэкв ( 7 )

где Λэкв= Λ3Λ4/(Λ34) – эквивалентная длина волны.

Оптимальный подбор параметров оптической схемы устройства позволяет, обеспечивая условие Λ4>>(Λ34), увеличить значение Λэкв и выполнить условие:                            Λэкв≥lраб,                                                    ( 8 )

где lраб - рабочий диапазон устройства.

Выполнение условия ( 8 ) позволяет достичь однозначности измерений, определять положение границы объекта и преобразовать выражение ( 7 ) к следующему виду

ΔΨ(l)=2πl/Λэкв,                                          ( 9 )

где 1 - положение границы объекта.

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

 

Сущность способа заключается в следующем.

1.       Пространственное совмещение разночастотных "опорного" (дифракционного порядка Е(+1)) и "измерительного” (дифракционного порядка Е(0) после дифракции на границе объекта) пучков в измерительных каналах под углами β и γ, приводит к образованию бегущих интерференционных картин с периодами Λ3 и Λ4. Так как перед фотоприемниками обоих каналов размещены дифракционные решетки с периодами Λ1 и Λ2, то их освещение бегущими интерференционными картинами приводит к образованию бегущих комбинационных полос с периодами / 5 / Λ5 и Λ6. Это дает возможность одновременно как повысить чувствительность путем уменьшения значений Λ3 и Λ4, так и увеличить значение периода комбинационных полос до значений сопоставимых с размерами фотоприемников (на уровне 0,1-2 мм). При таком техническом решении уменьшаются световые потери и повышается помехоустойчивость устройства / 6 /.

2.                 Оптимальный подбор значений углов пространственного совмещения β, γ и периодов дифракционных решеток Λ1 и Λ2 позволяет реализовать режим работы эквивалентный режиму двухволнового (двухчастотного) интерферометра с длинами волн Λ5 и Λ6 и за счет этого сформировать эквивалентную длину волны Λэкв . Выполнение условия Λ4>>(Λ34) позволяет увеличить значение Λэкв, обеспечить выполнение условия ( 6 ), реализовать режим, «абсолютного отсчета» и однозначно определять положение границы объекта.

3.                 Если в первом измерительном канале применить дифракционную решетку с шагом полос Λ1 =10 мкм подбирая значение угла β между интерферирующими пучками так, чтобы период бегущей интерференционной картины был равен Λ3=9,9 мкм, то период бегущих комбинационных полос будет равен Λ5≈l мм. Для этого случая диаметр диафрагмы может быть ≤ 0,3 мм. Таким образом, для данного технического решения при повышении разрешающей - способности использование дифракционных решеток позволяет применять обычные, стандартные фотоприемники без значительных потерь светового потока.

Если подобрать значение аналогичного угла γ между интерферирующими пучками во втором измерительном канале так, чтобы период бегущей интерференционной, картины был равен Λ4=9,95 мкм, то эквивалентная длина волны будет равна Λэкв≈2 мм. Таким образом, если диаметр нулевого дифракционного порядка Е(0) будет меньше 2 мм, то будет выполнено условие ( 8 ) и появится возможность однозначно определить сложение границы объекта.

К настоящему времени технологически возможно диафрагму и полосы дифракционных решеток наносить непосредственно на входное стекло фотоприемника. Кроме того, возможно исполнение всего устройства в виде цельной твердотельной оптоэлектронной микросхемы.

 

 

Источники информации, используемые при составлении описания:

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.                  A.c.N 1714359 (СССР), МКИ G01 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 !990г.-М.,1990.-с.242

5.   Преснухин Л.Н., Майоров С.А, Меськин И.В. Фотоэлектрические преобразователи информации/ (Под ред. Л.Н. Преснухина, М., Машиностроение, 1974, 376с. ^

6.  Иванов В.А., Привалов В.Е. Применение лазеров в приборах точной механики. -СПб. Политехника, 1993 -216с.

 

 

 

 

 

Формула изобретения

 

Способ определения положения границы объекта формирует световой поток, который подвергают акустооптической модуляции, получают набор световых волн дифракционных порядков, объект вводят в дифракционный порядок перпендикулярно его направлению распространения, создают область интерференции дифракционных порядков с бегущей интерференционной картиной, формируют измерительный канал, в котором преобразуют бегущую интерференционную картину в электрический сигнал, по изменению фазы которого судят о положении границы объекта, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что формируют второй измерительный канал по направлению распространения другого дифракционного порядка, в котором создают вторую область интерференции, в первом и втором измерительных каналах размещают неподвижные периодические структуры с периодами, соответственно, Λ1 и Λ2 , в обоих измерительных каналах делят дифракционные порядки на два пучка, причем первые пучки направляют на неподвижные, периодические структуры, а вторые пучки, направляют в противоположные каналы и пространственно совмещают под углами β и γ с первыми пучками, соответственно, первого и второго измерительных каналов, с образованием в этих измерительных каналах областей интерференции с периодами Λ3 и Λ4, которыми освещают неподвижные периодические структуры с периодами Λ1 и Λ2, что создает на них бегущие интерференционные картины с периодами, соответственно, Λ5 и Λ6, во втором измерительном канале преобразуют оптический сигнал бегущей интерференционной картины в электрический сигнал, а изменение фазы определяют по изменению сигнала между каналами.

 

 

 

 

Способ определения положения границы объекта

 

 
 Подпись: (

 

 

 

 

 

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 './izmiral/watchdog.MYD' 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-no-99102921 [:db_insert_placeholder_7] => [:db_insert_placeholder_8] => 87.118.126.220 [:db_insert_placeholder_9] => 1576485993 ) 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.