ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И (ИЛИ) ДИАМЕТРА Российский патент 2000 года по МПК G01B11/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Оно может использоваться в составе аппаратуры для управления положением и (или) перемещением технических объектов или их частей, а также для измерения геометрических размеров изделий, в частности диаметров валов в машино- и приборостроении, кабелей в процессе изготовления последних на кабельных линиях.

Известно устройство для измерения геометрических параметров объекта или его линейного перемещения [1], содержащее измерительную линейку с периодической световой структурой, перемещающуюся шторку, сканирующую систему с источником и расположенным напротив него одноэлементным приемником излучения, образующими вместе оптико-электронный преобразователь (ОЭП), а также пневмотолкатель и логический блок. ОЭП устройства сложен по конструкции, громоздок и имеет ограниченные функциональные возможности - предназначен для использования в конкретной аппаратуре и иного применения найти не может.

Известен способ измерения положения границы объекта и устройство для его осуществления [2]. Устройство по этому изобретению "может быть использовано для бесконтактного измерения положения, перемещения и линейных размеров объекта", содержит электронный блок обработки информации и ОЭП, состоящий из оптически связанных фотопреобразователя в виде линейки ПЗС и объектива, который должен быть высококачественным, поскольку предназначен для создания на фотопреобразователе изображений измеряемого и эталонного объектов. В силу этого как ОЭП, так и само устройство в целом имеют ограниченные функциональные возможности.

Известно устройство для бесконтактного измерения диаметров и перемещений изделий [3], содержащее усилитель, блок преобразователя диаметра и перемещения в цифровой код и ОЭП в виде оптически связанных источника излучения - лазера, блока сканирования и фотоприемника, являющийся наиболее близким к предлагаемому. Этот ОЭП сложен по конструкции, узкоспециализирован и, следовательно, имеет ограниченную область применения и функциональные возможности.

Предлагаемым ОЭП решается задача создания простого, компактного и в значительной степени универсального устройства, пригодного для применения в лабораторной, цеховой и бортовой аппаратуре транспортных средств и летательных аппаратов.

Это достигается путем использования в ОЭП оптически связанных многоэлементного линейного фотоприемника, простого коллиматора в виде тонкого зеркала с внеосевой параболоцилиндрической отражающей поверхностью и блока осветителя, состоящего из источника излучения и механически связанного с ним сужающегося фокусирующего клина (фоклина), установленного так, что ось выходной щели фоклина совпадает с фокальной линией зеркала. Узкая выходная щель фоклина в этом случае играет роль тонкого линейного источника излучения (световой линии) и обеспечивает формирование коллиматором параллельного пучка лучей, имеющего форму параллелепипеда, опирающегося одним основанием на зеркало, а другим - на линейку фоточувствительных элементов фотоприемника. Ввиду того, что потери энергии при этом минимальны, в ОЭП могут использоваться маломощные источники излучения, например миниатюрные лампы накаливания или светоизлучающие диоды. Источник излучения с целью изменения входной и выходной апертуры фоклина может быть установлен в осветителе с возможностью перемещения вдоль его оси, а сам осветитель - с возможностью разворота вокруг фокальной линии зеркала. Это позволяет обеспечить равномерное освещение последнего и избежать погрешностей, возникающих при неравномерном освещении за счет изменения положения фиксируемой границы тени, создаваемой на линейке фоточувствительных элементов объектом, положение или размер которого определяются.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема ОЭП с осветителем, установленным перпендикулярно оси параболы, являющейся направляющей линией цилиндрической зеркальной поверхности, и щелевой диафрагмой, связанной с объектом, чье линейное перемещение или положение подлежит определению.

На фиг. 2 приведена конструктивная схема того же ОЭП, но с осветителем, установленным вдоль оси параболы, и объектом, чей диаметр подлежит измерению.

На фиг. 1: 1 - источник излучения, 2 - фоклин, 3 - короткофокусное внеосевое параболоцилиндрическое зеркало, 4 - фотоприемник, 5 - линейка фоточувствительных элементов, 6 - перемещающаяся щелевая диафрагма, F - фокальная линия зеркала, ОО - ось параболы, U₁, U₂ - входной и выходной апертурные углы фоклина.

На фиг. 2: 7 - длиннофокусное внеосевое параболоцилиндрическое зеркало, 8 - измеряемый объект, остальные обозначения те же, что и на фиг. 1.

На фиг. 1 и 2 для наглядности диафрагма и фотоприемник показаны развернутыми в сторону наблюдателя на 90^o .

Оптико-электронный преобразователь работает следующим образом. Излучение источника 1 концентрируется фоклином 2 в его выходной щели, превращая ее в светящуюся линию, совпадающую с фокальной линией F зеркала 3 и освещающую его отражающую поверхность. Зеркало формирует параллельный пучок лучей, имеющий прямоугольное сечение в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа, и направляет его в сторону фотоприемника 4.

Для фоклина отношение синусов входного U₁ и выходного U₂ апертурных углов для луча, идущего в плоскости чертежа и параллельных ей, определяется отношением ширины входной L₁ и выходной L₂ щелей и имеет вид [4]

Из этого выражения следует, что для сужающегося фоклина U₂ > U₁ и, следовательно, захватывая излучение источника с узкой диаграммой направленности, что выгодно с энергетической точки зрения, фоклин может осветить отражающую поверхность зеркала, угол видимости которой из фокуса параболы больше угловой ширины диаграммы направленности источника излучения.

С целью согласования угловой ширины диаграммы направленности апертурных углов и угла видимости зеркала источник излучения может устанавливаться с возможностью перемещения вдоль оси осветителя. При использовании короткофокусного зеркала и расположении осветителя перпендикулярно оси параболы ОО - как это показано на фиг. 1 - облученность отражающей поверхности зеркала будет неравномерной: максимальной в зоне, лежащей на оси осветителя, и спадающей к его краям, что может служить дополнительным источником погрешностей измерения. Обеспечить равномерную освещенность зеркала можно разворотом осветителя вокруг фокальной линии зеркала, вплоть до его совпадения с осью параболы, как это показано на фиг. 2. Возможности для такого разворота будут большими при использовании зеркала с большим фокусным расстоянием. Кроме того, такое зеркало обеспечивает большую степень коллимированности пучка лучей, характеризуемую углом их расхождения U_λ, связанным с размером источника излучения - в нашем случае с шириной выходной щели фоклина L₂ соотношением где f - фокусное расстояние зеркала, что позволяет снизить еще одну составляющую погрешность измерения. Это легко показать на примере фиг. 2, где тень от объекта 8 в идеально параллельном пучке лучей будет точно совпадать с его размером, а в расходящемся пучке превосходить его.

В качестве фотоприемника в ОЭП могут использоваться устройства с многоэлементными линейками 5 фотодиодов или приборов с зарядовой связью.

Сигнал с фотоприемника поступает в блок обработки информации, преимущественно микропроцессорный, организованный в зависимости от решаемой задачи - измерение перемещения, размера или и того и другого.

Измерение перемещения объекта производится по перемещению тени, создаваемой на линейке 5, перемещающейся между зеркалом и фотоприемником частью объекта или связанной с ним шторкой, или щелевой диафрагмой 6. По конструктивным соображениям шторка или щелевая диафрагма могут быть заменены плоским зеркалом, установленным под некоторым углом (например, 45^o) к плоскости чертежа, что позволит вынести фотоприемник из этой плоскости. Блок обработки информации может определять при этом величину и направление перемещения тени. При измерении диаметра блок обработки информации определяет длину тени объекта 8 на линейке 5 и, при необходимости, может определять и ее положение в пределах линейки.

Литература
1. А.с. СССР 1465703, кл. G 01 B 21/00, 1987.

2. А.с. СССР 1472759, кл. G 01 В 21/00, 1987.

3. А.с. СССР 1439402, кл. G 01 В 21/08, 1987.

4. Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. - Оптика световодов. Л.: Машиностроение, 1977.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Преобразователь содержит источник излучения, фокусирующий клин, механически связанные в единый блок-осветитель, зеркало с внеосевой параболоцилиндрической отражающей поверхностью и фотоприемник с линейкой фоточувствительных элементов. Зеркало формирует параллельный пучок излучения. Измеряемый объект создает тень на линейке фотоприемника, по величине и (или) перемещению которой определяют диаметр и (или) положение объекта. С помощью данного изобретения решается задача создания простого, компактного, точного и универсального устройства, пригодного для применения в лабораторной, цеховой и бортовой аппаратуре. 9 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Оптико-электронный преобразователь для бесконтактного измерения линейного перемещения и(или) диаметра, содержащий оптически связанные источник излучения и фотоприемник, отличающийся тем, что он снабжен последовательно установленными по ходу излучения сужающимся фокусирующим клином и коллиматором. 2. Оптико-электронный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что фотоприемник выполнен многоэлементным линейным. 3. Оптико-электронный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что коллиматор выполнен в виде зеркала с внеосевой параболоцилиндрической отражающей поверхностью. 4. Оптико-электронный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что источник излучения и фокусирующий клин механически связаны и образуют единый узел-осветитель. 5. Оптико-электронный преобразователь по п.4, отличающийся тем, что осветитель установлен так, что ось выходной щели фокусирующего клина совпадает с фокальной линией зеркала. 6. Оптико-электронный преобразователь по любому из пп.4 и 5, отличающийся тем, что осветитель установлен с возможностью разворота вокруг фокальной линии зеркала. 7. Оптико-электронный преобразователь по п.4, отличающийся тем, что источник излучения установлен с возможностью перемещения вдоль оси осветителя. 8. Оптико-электронный преобразователь по п.7, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде лампы накаливания. 9. Оптико-электронный преобразователь по п.7, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде светоизлучающего диода. 10. Оптико-электронный преобразователь по п.7, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде лазера.