СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ СРЕДНЕГО ДИАМЕТРА ОБЪЕКТОВ В ГРУППЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01B11/08 

Изобретение относится к оптике, более точно к оптическим измерениям, а именно к способу измерения размеров среднего диаметра объектов в группе и устройству для его осуществления, и наиболее целесообразно для использования при определении толщины тонковолокнистых объектов, например, шерсти.

Известен и находит практическое применение способ измерения среднего диаметра объектов в группе с помощью микроскопа, обеспечивающий высокую точность, но обладающий большой трудоемкостью [1]
Известен способ измерения среднего диаметра частиц по результатам измерения параметров рассеянного ими излучения [2]
По данному способу группу измеряемых объектов помещают хаотически между двумя стеклянными пластинами, освещают их параллельным пучком излучения с длиной волны λ фокусируют световой поток, в результате чего в фокальной плоскости получают дифракционные концентрические зоны, по расстояниям между которыми судят о среднем диаметре объектов, используя уравнение:
Φ=C_i (1) где Φ средний диаметр частиц;
λ длина волны излучения;
R_i радиус i-го дифракционного кольца;
C_i постоянная, соответствующая i-му кольцу;
f фокусное расстояние фокусирующей линзы.

Такой способ легко автоматизировать, поэтому он менее трудоемок. Однако при применении протяженных объектов, у которых длина существенно больше диаметра, каждый объект дает не круговой, а линейный спектр рассеянного света и при их хаотическом расположении совокупность таких спектров не дает четких сплошных дифракционных колец, что снижает точность измерения.

Известный способ реализуется с помощью устройства, которое содержит источник монохроматического света, коллиматор для формирования параллельного пучка, фокусирующую линзу, предметные стекла для расположения частиц, фотоприемник для измерения радиуса дифракционных колец. Параллельным пучком освещают частицы, помещенные между стеклянными пластинами и фокальной плоскостью, получают дифракционную картину, перемещая в последней фотоприемник. По изменению уровня измеряемого сигнала определяют расстояния между кольцами и по ним по формуле (1) определяют средний диаметр частиц.

Данное устройство обладает теми же недостатками, что и вышеописанный способ.

В основу изобретения положена задача создать достаточно точный для целей экспресс-анализа способ измерения средних размеров диаметров объектов в группе по результатам измерения параметров рассеянного ими излучения, а также создать устройство для его осуществления.

Это решается тем, что в способе измерения размеров среднего диаметра объектов в группе формируют параллельный пучок когерентного излучения, освещают этим пучком измеряемые объекты, регистрируют величину световой энергии прошедшего объекты излучения в двух концентрических зонах, расположенных в фокальной плоскости и характеризующиеся углами рассеянного объектами излучения θ₁ и θ₂. С помощью фотодиода световая энергия преобразуется в электрические сигналы U₁, U₂, величины которых измеряют и по ним определяют средний диаметр объектов по формуле:
a_o= (2) где а_о средний диаметр объекта;
λ длина волны излучения;
θ- угол рассеянного объектами излучения;
U величина электрического сигнала.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства для измерения среднего диаметра объектов в группе, содержащего источник когерентного излучения и последовательно расположенные по ходу излучения коллимирующую систему, предметные стекла, между которыми хаотически расположены объекты измерения, объектив, приемник излучения и электронный блок обработки, в котором согласно изобретению перед приемником в фокальной плоскости объектива установлено средство для выделения части излучения для двух значений угла рассеяния.

Для удобства работы данного устройства средство для выделения части излучения может быть выполнено в виде непрозрачного экрана с двумя кольцевыми щелями различного радиуса и одинаковой площади. В этом случае экран установлен в плоскости, перпендикулярной оси объектива, с возможностью перемещения в этой плоскости для совмещения центров кольцевых щелей с оптической осью объектива. Выполненная таким образом диафрагма позволяет перемещением ее производить измерения светового потока для различных углов рассеяния. Также легко устанавливается соответствие радиуса кольцевой щели и угла рассеяния, что позволяет автоматизировать процесс измерения, а следовательно, еще больше увеличить производительность процесса измерения и на выходе устройства сразу получать средний диаметр объектов измерения. Такое устройство позволяет быстро получать информацию о качестве шерсти.

На фиг.1 изображено устройство, общая схема; на фиг.2 сменная диафрагма; на фиг. 3 расположение координатных осей в плоскости волокна и в плоскости его спектра.

Устройство содержит гелий-неоновый лазер 1, телескопическую систему 2, состоящую из отрицательной и положительной линз и формирующую параллельный пучок излучения. Перпендикулярно оптической оси коллимирующей системы 2 установлены два предметных стекла 3, между которыми хаотично расположены волокна 4. За предметными стеклами соосно с коллимирующей системой установлен объектив 5, в задней фокальной плоскости которого расположено средство для выделения части излучения, представляющее собой сменную диафрагму 6, центр которой совмещен с оптической осью объектива 5. За сменной диафрагмой установлен фотоэлектрический детектор 7, выход которого соединен через усилитель 8 с микропроцессором 9, информация с которого выводится на цифровое табло 10.

Устройство работает следующим образом.

Пучок хаотически расположенных волокон 4, например шерсти, размещают между двумя предметными стеклами 3 и освещают лазерным пучком, расширенным коллимирующей системой 2 до диаметра 10-15 мм. Рассеянное на предметных стеклах с хаотически расположенными волокнами 4 лазерное излучение собирают объективом 5, в задней фокальной плоскости которого из светового потока вырезают часть излучения с помощью сменной диафрагмы 6, выполненной в виде непрозрачного экрана с кольцевой щелью. Центр кольцевой щели диафрагмы совмещен с оптической осью объектива 5. Диафрагма сo средним радиусом щели r₁ вырезаeт часть светового потока, которая соответствует определенному углу рассеяния потока излучения после прохождения им предметных стекол 3. Величину светового потока за диафрагмой 6 измеряют. Затем устанавливают аналогичную диафрагму с щелью, только радиус щели r₂, а площадь щели такая же, и вновь измеряют величину светового потока за диафрагмой.

Суть предлагаемого способа измерения диаметра волокон заключается в формировании параллельного пучка когерентного излучения, освещении этим пучком хаотически расположенных волокон, выделении части излучения по меньшей мере для двух значений угла рассеяния и измерении величины этих световых потоков, по которым судят о диаметре волокон.

Для удобства сравнения величин световых потоков их преобразуют в электрические сигналы, используя в качестве приемника фотоэлектрический детектор 7.

Фиг. 3 поясняет вывод формулы для определения среднего диаметра волокна. На фиг.3 приняты следующие обозначения:
V волокно;
S дифракционный спектр волокна;
θ_x θ_y система координат в фокальной плоскости объектива;
ζ η система координат в плоскости предметного стекла;
ϕ угол между осью ординат η и волокном;
α угол между осями абсцисс и осями ординат соответственно предметной плоскости и фокальной плоскости.

В плоскости фотодетектора 7 в системе координат ( θ_x θ_y ) интенсивность света, рассеянного одним прямолинейным волокном (или его прямолинейным участком), равна
I₁(θ, α) δ(θcos(ϕ+α)·x (3) где θ²=θ2x

+θ2y, θ угол рассеяния; ϕ угол между осью ординат и волокном в плоскости предметного стекла (фиг.3); α угол между осями абсцисс в предметной и фокальной плоскостях; r величина радиус-вектора в фокальной плоскости; Х диаметр волокна, измеренный в длинах волн освещающего излучения; f фокусное расстояние объектива; δ дельта-функция Дирака, описывает ортогональную ориентацию спектра дифракции относительно волокна.

Для системы волокон одинакового диаметра Х с хаотической (равновероятной по углу ϕ ) ориентацией отдельных волокон интенсивность света в фокальной плоскости определяется интегралом выражения (3) по ϕ в пределах от 0 до . Используя известные свойства дельта-функции, в результате интегрирования получают
I(θ) (4)
Световой поток Φ (0), попадающий на фотодетектор 7 через узкие кольцевые диафрагмы 6 равной площади со средним радиусом r θ ˙f, пропорционален интенсивности (4).

Электрический сигнал U (θ) с выхода фотодетектора 7 также пропорционален интенсивности, а его значения при различных углах рассеяния θ могут служить исходными данными для определения толщины волокна в соответствии с формулой:
U(θ) (5)
Для практической реализации алгоритма (5) целесообразно использовать более простую, но достаточно точную аппроксимацию правой части формулы (5). Как показали вычисления, такой цели с погрешностью не более 2% в области значений θ от 0 до отвечает функция exp(-3,6 θ²x²), т.е.

U(θ) exp(-3,6θ²x²); 0≅ θ ≅ (6)
Для волокон с функцией распределения по диаметрам N(X) электрический сигнал равен
U(θ) xeN(X)dx, (7) где N(X)dx число волокон в диапазоне толщин от Х до Х + dx. Для равномерной функции распределения
N(X) (8) где а среднее значение диаметра волокна в длинах волн;
Δ ширина функции распределения, с относительной погрешностью ε < из формулы (7) находим
U(θ) exp(-3,6θ²a²) (9)
Как показывают измерения с помощью микроскопа,
≃ 0,05-0,1, следовательно, с погрешностью не более 1% среднее значение диаметра волокон согласно (9) можно определить по формуле
a_o=a·λ- (10) где θ₂ > θ₁ U₁ и U₂ электрические сигналы при значениях угла рассеяния соответственно θ₁ и θ₂ т.е. радиусы кольцевых диафрагм r₁= θ₁ ˙ f и r₂ θ₂ ˙ f.

Более точное, чем (9) приближение содержит слагаемое, зависящее от Δ Следовательно, для экспериментального определения ширины распределения Δ необходимо измерение U₃ для значения угла рассеяния θ₃ (т.е. использование трех диафрагм) и решениe соответствующей системы уравнений. Как отмечалось выше, параметры распределения Х_о, Δ и точность измерений электрического сигнала взаимосвязаны. Электрический сигнал с детектора 7 через усилитель 8 поступает на вход микропроцессора 9. Микропроцессор 9 осуществляет вычисление среднего диаметра волокна a_o по формуле (2)
a_o=
Результат вычислений высвечивается на цифровом табло 10 микропроцессора 9.

Для быстрой смены диафрагмы ее целесообразно выполнить, как показано на фиг. 2, в виде непрозрачного экрана с двумя прозрачными кольцевыми щелями одинаковой площади с различными средними радиусами r₁и r₂. Центры этих щелей лежат на одной прямой, вдоль которой диафрагма 6 может перемещаться. Это позволит ускорить процесс измерения. В остальном процесс измерения остается таким же.

Нами были произведены измерения волокон с помощью микроскопа и вышеописанного устройства. Контролируемая зона рассматривалась под микроскопом и определялся диаметр волокна как среднее арифметическое значение толщин всех волокон порядка 100 штук в поле зрения. Затем эти же волокна устанавливались в поле зрения лазерного излучения и определялась интенсивность света для двух щелей шириной 1 мм и радиусами 1,5 и 2,5 мм, затем рассчитывался диаметр волокна по формуле (2) с учетом отношения площадей щелей.

В таблице приведены данные для трех групп однородных волокон.

Итак, из таблицы видно, что предлагаемые способ и устройство, основанные на анализе углового распределения интенсивности лазерного излучения, рассеянного хаотически расположенными волокнами, дают расхождение в результатах не более 6% при высокой скорости измерений.

Выше были описаны предпочтительные варианты осуществления устройства, в которые могут быть внесены изменения, не выходящие, однако, за пределы изобретения, так, например, узел диафрагмы может быть выполнен в виде системы из стационарной и ирисовой диафрагмы, с помощью которой изменяют радиус вырезаемого потока.

Возможен вариант устройства, при котором рассеянное излучение предварительно разделено куб-призмой на два потока, в каждом из полученных потоков стационарно установлены диафрагмы различных радиусов перед регистрирующими фотодетекторами. Электрические сигналы с выходов фотодетекторов поступают в микропроцессор, где и происходит вычисление средней толщины волокна.

Может быть предложен и другой алгоритм анализа световых потоков и получена другая формула, по которой рассчитывают средний диаметр волокон.

Способ измерения размеров среднего диаметра объектов в группе позволяет просто и быстро проводить измерения средней толщины хаотически расположенных волокон. Формируют параллельный пучок когерентного излучения, освещают этим пучком измеряемые волокна и измеряют за ними величину светового потока. Располагают волокна хаотично и освещают все их одновременно, выделяют часть излучения по меньшей мере для двух значений угла рассеяния, измеряют величины этих световых потоков по формуле с помощью устройства, в котором между коллимирующей системой и объектом устанавливают предметное стекло для расположения волокон, а перед приемником в фокальной плоскости объектива средство для выделения части излучения по меньшей мере для двух значений угла рассеяния, выполненное в виде непрозрачного экрана по меньшей мере с двумя кольцевыми одинаковой площади и различного радиуса, который установлен в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива с возможностью перемещения в этой плоскости. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. 1 табл.

1. Способ измерения размеров среднего диаметра объектов в группе, заключающийся в том, что освещают группу хаотически расположенных объектов параллельным пучком когерентного излучения с длиной волны λ, регистрируют величину световой энергии прошедшего объекта излучения и определяют средний диаметр объектов, отличающийся тем, что величину световой энергии прошедшего объекта излучения регистрируют в двух зонах рассеянного излучения, соответствующих углам θ₁ и θ₂ преобразуют ее в электрические сигналы, измеряют амплитуды U₁ и U₂ этих сигналов, а средний диаметр a₀ объектов определяют по формуле

2. Устройство для измерения диаметра волокон, содержащее источник когерентного излучения, последовательно расположенные по ходу излучения коллимирующую систему, предметное стекло для расположения волокон, объектив, приемник излучения и электронный блок обработки, отличающееся тем, что оно снабжено непрозрачным экраном, установленным перед приемником в фокальной плоскости объектива перпендикулярно его оптической оси с возможностью перемещения в этой плоскости и выполненным с двумя кольцевыми щелями различного радиуса.