ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОПЕРЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ТИПА ВОЛОКОН Российский патент 1996 года по МПК G01B21/08 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптическим средствам измерения толщины объектов небольшого поперечного размера (толщин порядка 5 1000 мкм). Такими объектами могут быть отрезки волокон, в которых линейная протяженность в несколько раз повышает поперечные размеры, например, капроновые нити и т.п. по распределению поперечных размеров которых можно судить о качестве продукции.

Известна измерительная головка фотоэлектронного прибора для автоматического бесконтактного контроля размера сечения стекловолокна (авт. св. СССР N 551501, кл. G 01 B 11/02), предназначенная для единичных замеров сечений стекловолокна, нити, проволоки и обладает сложной оптической схемой и низкой производительностью измерений.

Известное устройство измерения линейных размеров изделий (авт. св. СССР N 832325, кл. G 01 B 11/02) содержит источник светового монохроматического излучения, оптическую схему, фотоэлектронное считывающее устройство, которое позволяет по характерным точкам полученной и считанной дифракционной картины судить о структуре мелких частиц, но позволяет измерять только средние размеры частиц и характеризуется невысокой точностью измерения. Наиболее близким по технической сущности устройством (прототипом) является измеритель поперечных размеров частиц типа волокон (Розов Б.С. Шуренков А.А. Измеритель поперечных размеров частиц типа волокон. Решение выдаче патента N 1809304, кл. G 01 B 21/08, 1993). Этот измеритель предназначен для определения тонины объектов волокон шерсти в овцеводческих хозяйствах при бонитировке и классировке шерсти. Устройство прототип содержат расположенные на общей оптической оси электостатическую электроннолучевую трубку (ЭЛТ) с блоком развертки, выполненным в виде жгущего генератора пилообразного напряжения с соединенными между собой счетчиком и цифро-аналоговым преобразователем, носитель объектов, окуляр и фотоприемник, который электрически связан с измерителем длительности импульсов, а выход последнего соединен с вычислительным устройством, связанным со входом ждущего генератора пилообразного напряжения и входом счетчика, шаговый двигатель, механически связанный с носителем объектов, электрический вход двигателя соединен с выходом вычислительного устройства, а выходы ждущего генератора пилообразного напряжения и цифро-аналогового преобразователя соединены с отклоняющими пластинами ЭЛТ.

Недостатком прототипа является сложность конструкции и длительность измерений вследствие механической угловой развертки носителя объектов, сообщаемой шаговым двигателем.

Целью предлагаемого технического решения является повышение производительности измерений и упрощение конструкции измерителя.

Эта цель достигается тем, что устройство содержит сумматор, шифратор и две пары дополнительных цифро-аналоговых преобразователей, причем управляющие входы опорного напряжения первой пары преобразователей соединены с выходом ждущего генератора пилообразного напряжения, управляющие входы опорного напряжения второй пары преобразователей соединены с выходом. цифро-аналогового преобразователя блока развертки, выход вычислительного устройства соединен со входом шифратора, каждый из выходов которого соединен с одним из цифро-аналоговых преобразователей каждой пары, а выходы сумматора соединены с отклоняющими пластинами электронно-лучевой трубки, при этом выходы каждого из цифро-аналоговых преобразователей и выход ждущего генератора пилообразного напряжения соединены с одним из входов сумматора. На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения поперечных размеров (толщин)частиц типа волокон. Измеритель для измерения поперечных размеров частиц типа волокон содержит электростатическую ЭЛТ с блоком развертки. Последний выполнен в виде ждущего генератора пилообразного напряжения 2 соединенными между собой счетчиком 3 и цифро-аналоговым преобразователем 4. На общей оптической оси с ЭЛТ расположены носитель объектов 5, окуляр 6 и фотоприемник 7, который электрически связан с измерителем длительности импульсов 8. Выход последнего соединен с вычислительным устройством 9, связанным со входом ждущего генератора пилообразного напряжения 2 и входом счетчика 3. Измеритель содержит также сумматор 10, шифратор 11 и две пары дополнительных цифро-аналоговых преобразователей 12, 13 и 14, 15. Управляющие входы опорного напряжения первой пары преобразователей 12, 13 соединены с выходом ждущего генератора пилообразного напряжения 2. Управляющие входы опорного напряжения второй пары преобразователей 14, 15 соединены с выходом цифро-аналогового преобразователя 4 блока развертки. Выход вычислительного устройства 9 соединен со входом шифратора 11, каждый из выходов которого соединен с одним из цифро-аналоговых преобразователей каждой пары 12, 13 и 14, 15.

Выходы сумматора 10 соединены с отклоняющими пластинами ЭЛТ 1. При этом выходы каждого из цифровых преобразователей 4, 12, 13, 14 и 15 и выход ждущего генератора пилообразного напряжения 2 соединены с одним из выходов сумматора 10.

Шифратор 11 состоит из последовательно соединенных делителя частоты на 2ⁿ, где n число разрядов счетчика 3 и цифро-аналогового преобразователя 4, и счетчика импульсов, двух цифровых шифраторов, входами которых является выход счетчика. Цена одного входного счетного импульса счетчика равна элементарному приращению ΔΦ угла поворота v телевизионной развертки ЭЛТ 1. Поэтому при нулевых начальных условиях состояние счетчика соответствует этому углу v, а выходы цифровых шифраторов, которые являются выходными сигналами шифратора 11, представляют собой сигналы
y₁= sinΦ и y₂= 1+cosΦ (1)
в диапазоне 0 180^o углов Φ поворота направления развертки сканов телевизионного растра.

Дополнительные цифро-аналоговые преобразователи 12, 13, 14 и 15 с выходными сигналами U₁, U₂, U₃, U₄ соответственно реализуют операции цифро-аналогового умножения своих входных сигналов y₁ и y₂ шифратора 11 с сигналом y₃ на выходе ждущего генератора 2 и выхода цифро-аналогового преобразователя 4 блока развертки так, что

Эти сигналы преобразуются в сумматоре 10 в сигнал горизонтального управляющего входа ЭЛТ 1
X = u₂+u₃-y₃= y₃cosΦ +y₄sinΦ (3) и в сигнал вертикального управляющего входа ЭЛТ 1
Y = -u₁+u₄-y₄= -y₃sinΦ +y₄cosΦ
Носитель 5 объектов это неподвижное стекло, на которое можно насыпать хаотически ( в произвольном порядке) измеряемые волокна ( шерстинки) либо положить стандартную амплитудно-пропускающую решетку или уменьшенную фотографию чередования темных и светлых полос.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Измерение распределения поперечных размеров (толщины) частиц типа волокон проводится в два этапа.

На первом этапе на носитель 5 объектов помещают стандартную амплитудно-пропускающую дифракционную решетку, запускают в момент времени t₀ на счет программу вычислительного устройства (ЭВМ) 9, в соответствии с которой задается начальное значение угла Φ v_o 0 поворота направления развертки сканов телевизионного растра и нулевое состояние счетчика шифратора 11. Через определенные промежутки времени, например Δt 1 с, посылаются тактовые импульсные сигналы в устройство развертки светового луча ЭЛТ 1 (на вход ждущего генератора 2 и последовательно соединенных счетчика 3 и цифро-аналогового преобразователя 4), а через каждые промежутки времени Δt•2ⁿ, которые соответствуют полной телевизионной развертке, получает приращение Φ = Φ+ΔΦ угол поворота направления развертки сканов телевизионного растра с соответствующим знаком (1) формирования цифровых сигналов y₁ и y₂ шифратора 11 и формирование законов (2), (3) управляющих сигналов ЭЛТ 1, соответствующих повороту направления на угол v сканов телевизионного растра ЭЛТ 1, где n-разрядность счетчика 3 и цифро-аналогового преобразователя 4. При этом приращение Dv угла v выбирают так, чтобы величина была целым числом. С каждым тактовым импульсным сигналом световое пятно ЭЛТ 1 сканирует поле носителя 5 объектов и длительности считанных импульсов фотоприемника 7 (за исключением импульсов в ближайшей временной окрестности тактовых импульсов) заносятся в память вычислительного устройства 9. Частота ждущей развертки ЭЛТ 1 выбирается из условия
.

Измерение и запоминание длительностей считанных импульсов фотоприемника 7 заканчивается, когда длительность отсчета времени достигает
.

Если форму темных линий дифракционной решетки можно считать прямолинейной, поперечный размер темных линий d, длительность считанных сигналов t, скорость сканирующего пятна V и отклонение a направления сканирования от поперечного направления темных линий связаны следующим простым равенством
d = Vτcosα.

Поперечный размер темных линий дифракционной решетки d является перемножением случайной длительности t считанных сигналов и случайной величины (cosα), плотность распределения которой

для значения аргумента u и в полуинтервале (0,1), при условии равномерности закона распределения угла α в диапазоне углов от нуля до 360^o, которое обеспечивается законом развертки светового пятна по полю носителя объектов. Легко убедиться в том, что длительность импульсного сигнала не изменится, если угол a заменить на a + 180^o, что позволяет ограничивать угол поворота v носителя объектов до диапазона от 0 до 180^o.

Средняя скорость V движения сканирующего светового пятна ЭЛТ 1 в плоскости носителя объектов 5 и измерения плотности распределения считанных импульсов сигналов при сканировании эталонной дифракционной решетки связаны следующим соотношением
,
где f_d1(d) плотность распределения поперечных размеров темных линий дифракционной решетки;
ε₁= d_min/l_max;
d_min минимальный поперечный размер темных линий дифракционной решетки и измеряемых частиц типа волокон;
l_max максимальный размер темных линий дифракционной решетки и частиц типа волокон;
ε₂ небольшое положительное число.

Поэтому среднюю скорость V можно рассчитать из следующего уравнения:
, где
среднее значение темных линий стандартной дифракционной решетки;
среднее значение длительностей считанных импульсов с поправкой на отклонение направления сканирования от поперечного направления темных линий дифракционной решетки и на среднюю скорость.

На втором этапе на носитель 5 объектов помещают измеряемые частицы типа волокон и повторяют операции первого этапа по измерению и запоминанию считанных импульсов фотоприемника 7 для этих насыпанных измеряемых частиц.

Плотность распределения f_d2(d) поперечных размеров частиц типа волокон находится из выражения
,
где измеренная плотность распределения считанных импульсов при сканировании световым пятном ЭЛТ 1 измеряемых частиц типа волокон.

Предлагаемое устройство создает экономический эффект, обусловленный тем, что устройство позволяет вести процесс исследования волоконных и нитевых материалов с высокой производительностью, объективностью и точностью.

Использование в измерительной технике, в частности оптические средства измерения толщины объектов небольшого поперечного размера (толщин порядка 5 - 1000 мкм), например, отрезки волокон. Сущность изобретения: с целью повышения производительности измерений и упрощения конструкции измерителя, устройство содержит расположенные на общей оптической оси электростатическую электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) с блоком развертки, носитель объектов, окуляр и фотоприемник, а также цифровой шифратор и две пары цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), причем управляющие входы опорного напряжения первой пары преобразователей соединены с выходом генератора пилообразного напряжения, управляющие входы опорного напряжения второй пары преобразователей соединены блоком развертки, выход вычислительного устройства соединен с входом шифратора, каждый из выходов которого соединен с одним из цифро-аналоговых преобразователей каждой пары, а выходы сумматора соединены с отклоняющими пластинами ЭЛТ, при этом выходы каждого из ЦАП и выход генератора пилообразного напряжения соединены с одним из входов сумматора. 1 ил.

Устройство для измерения поперечных размеров частиц типа волокон, содержащее расположенные на общей оптической оси электростатическую электроннолучевую трубку с блоком развертки, выполненным в виде ждущего генератора пилообразного напряжения с соединенными между собой счетчиком и цифроаналоговым преобразователем, носитель объектов, окуляр и фотоприемник, который электрически связан с измерителем длительности импульсов, а выход последнего соединен с вычислительным устройством, связанным с входом ждущего генератора пилообразного напряжения и входом счетчика, отличающееся тем, что устройство снабжено сумматором, цифровым шифратором и двумя парами дополнительных цифроаналоговых преобразователей, причем управляющие входы опорного напряжения первой пары преобразователей соединены с выходом цифроаналогового преобразователя блока развертки, выход вычислительного устройства соединен с входом цифрового шифратора, каждый из выходов которого соединен с одним из входов цифроаналогового преобразователя каждой пары, а выходы сумматора соединены с отклоняющими пластинами электроннолучевой трубки, при этом выходы каждого из цифроаналоговых преобразователей и выход генератора пилообразного напряжения соединены с одним из входов сумматора.