СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО СМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01B11/00 G01B11/02 

Изобретение относится к измерительной технике, к способам и устройствам контроля линейных смещений объектов и может быть использовано для решения широкого круга научных и технических задач, таких как измерение непараллельности и неплоскостности, центровка деталей турбин, направляющих крупногабаритных станков и др.

При разработке технологий контроля прямолинейности направляющих металлообрабатывающих станков, взаимного расположения опор подшипников валопроводов, выверки положения корпусных деталей и т.д. используются прецизионные методы оптической диагностики. Существующие в настоящее время методы и приборы, в основу которых положен принцип “нулевого метода”, вносят существенные погрешности в результаты измерений, затрудняют автоматизацию процесса контроля, сложны в эксплуатации и обслуживании.

Известны технические решения контроля линейных смещений объектов, основанные на формировании равносигнальной базовой линии. Например, способ для измерения линейного смещения объекта / см. А.с. СССР, №1312384, МПК G 01 В 21/00, приор. 03.01.86./, включающий формирование равносигнальной базовой линии, формирование на позиционно-чувствительном приемнике распределения облученности, преобразование светового сигнала в электрический с выделением разностного сигнала, компенсацию сигнала рассогласования (приведение в нуль) смещением базовой линии и определение по нему величины смещения объекта.

Известно устройство, реализующее описанный способ /см. А.с. СССР, №1312384, МПК G 01 В 21/00, приор. 03.01.86/, включающее предназначенный для размещения на объекте контрольный элемент в виде зеркально-линзового отражателя, приемную систему с размещенным по ходу луча объективом, светоделителем и фотоприемником, блоком обработки сигналов с выделением разностного и привод с регистратором. Отраженный от смещенного объекта поток направляют на фотоприемник, сигнал с которого поступает на блок обработки сигналов, где вырабатывается сигнал управления перемещением плоскопараллельной пластины для реализации нулевого метода.

К существенным недостаткам этой группы изобретений относится недостаточно высокая точность при работе в большом диапазоне рабочих дистанций, вызванная нестабильностью положения равносигнальной зоны, необходимостью компенсации разностного сигнала, большим разбросом чувствительности в пределах измерительных дистанций.

Известны технические решения, основанные на принципе создания равночувствительной зоны. Например, выбранный нами в качестве прототипа способ измерения линейного смещения объекта /см. Пат. РФ, №2155321, МПК G 01 В 21/00, приор. 25.01.99/, включающий формирование равночувствительной базовой линии, построение изображения световой марки на позиционно-чувствительной приемной системе, формирование распределения облученности в изображении световой марки для разных дистанций в пределах измеряемого диапазона, преобразование светового сигнала в электрический, регистрацию сигнала рассогласования, его компенсацию и определение величины смещения.

Известно устройство, реализующее этот способ /см. Пат. РФ, №2155321, МПК G 01 В 21/00, приор. 25.01.99/, включающее предназначенный для размещения на объекте равнояркий протяженный осветитель, установленный на оптической оси прибора с возможностью перемещения в плоскостях, перпендикулярных ей, приемную систему с размещенными по ходу луча объективом, светоделителем, вблизи фокальной плоскости объектива двумя разделительными элементами с взаимно перпендикулярными разделительными гранями и установленными попарно с каждым разделительным элементом четырьмя независимыми приемниками, выходы которых соединены с блоком обработки сигналов с выделением разностного, и привод с регистратором.

Такая группа изобретений имеет ряд существенных недостатков, к которым следует отнести:

- переменную чувствительность при изменении дистанции, что снижает точность измерений;

- использование “нулевого метода” в данной группе решений требует компенсации разностного сигнала за счет смещения базовой линии (или световой марки относительно базовой линии), техническая реализация чего снижает точность измерений;

- отсутствие прямых измерений затрудняет автоматизацию процесса контроля, делает решение более сложным, дорогим, в том числе при эксплуатации.

Предложенные нами “Способ измерения линейного смещения объекта и устройство для его осуществления” основаны на прямом методе измерений, отличном от “нулевого”, обладают высокой точностью и чувствительностью измерений, просты в эксплуатации и обслуживании, позволяют автоматизировать процесс измерений.

Такой технический результат получен нами, когда

- в способе измерения линейного смещения объекта, включающем формирование равночувствительной базовой линии, формирование распределения облученности в изображении протяженной равнояркой световой марки для разных дистанций в пределах измеряемого диапазона, преобразование светового сигнала в электрический, измерение базового сигнала, выделение и регистрацию сигнала рассогласования, определение величины смещения, новым является то, что распределение облученности от каждой дистанции формируют подобным по форме в виде квадрата, с зоной постоянной облученности в центре изображения световой марки и ее спадом к границе изображения световой марки по линейному закону, регистрируют сигнал рассогласования, имеющий линейную зависимость от величины смещения, нормируется сигнал рассогласования к базовому сигналу по формуле:

U*_c.p=U_c.p./U_б,

где U*_с.р. - нормированный сигнал рассогласования,

U_c.p - сигнал рассогласования,

U_б - базовый сигнал;

а величину смещения l контролируемого объекта определяют по величине нормированного сигнала рассогласования по формуле:

l=k× U*_c.p.,

где k - коэффициент, постоянный для всех измерительных дистанций в пределах динамического диапазона;

- в устройстве для измерения линейного смещения объекта, включающем предназначенный для размещения на контролируемом объекте осветитель, формирующий протяженный равнояркий источник излучения, установленный на оптической оси прибора с возможностью перемещения в плоскостях, перпендикулярных ей, приемную систему из объектива и фотоприемного устройства с четырьмя чувствительными площадками, границы раздела которых совпадают с координатными осями ОХ и ОY и имеют общую точку, которая с центром входного зрачка объектива лежит на оптической оси, образующей базовую линию, от которой ведется отсчет измерения линейных смещений, соединенный с выходами чувствительных площадок блок обработки электрических сигналов для выделения и регистрации сигналов рассогласования, новым является то, что в устройстве на оптической оси прибора дополнительно установлены две квадратные разного размера диафрагмы у входного зрачка осветителя и у входного зрачка объектива приемной системы так, что стороны "а" и "A" этих квадратов попарно ориентированы параллельно координатным осям, в которых ведут измерения линейных смещений, а их разность Δ =(А-а) по абсолютной величине равна динамическому диапазону измеряемых смещений, фото приемное устройство выполнено в виде квадрантного приемника, установленного в фокальной плоскости объектива приемной системы, блок обработки сигналов выполнен так, что обеспечивает регистрацию базового сигнала, падающего на приемник, вычисление нормированных сигналов U*_c.p.x и U*_c.p.у рассогласования по осям ОХ и ОY и вычисление величины смещения объекта относительно базовой линии по зависимости

l_x=k× U*_c.p.x и l_y=k × U*_c.p.y,

где l_х и l_у - величины смещения соответственно по осям OX и OY;

k - постоянный для всех дистанций и во всем рабочем диапазоне коэффициент, равный k=А/2 при А>a и k=а/2 при А<а.

Такое решение стало возможным после того, как нами было обосновано теоретически и подтверждено экспериментально, что в фокальной плоскости приемной системы формируется изображение протяженного равнояркого осветителя с одинаковым относительным распределением для всех измерительных дистанций, что позволяет регистрировать сигнал, имеющий линейную зависимость от величины смещения, которая в свою очередь зависит для всех измерительных дистанций только от сформированного сигнала рассогласования при постоянном коэффициенте пропорциональности k=A/2 при А>а и k=a/2 при А<а (см. Приложение).

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего способ измерения линейного смещения объекта, где осветитель 1, контролируемый объект 2, приемная система 3 из объектива 4 и фотоприемника 5, квадратная диафрагма 6 осветителя, квадратная диафрагма 7 приемной системы, усилитель 8, блок 9 обработки, объектив 10 осветителя;

О - центр фотоприемника (общая точка четырех чувствительных площадок), O₁ - центр входного зрачка объектива, D - диаметр выходного окна осветителя, а - сторона квадратной диафрагмы 6, А - сторона квадратной диафрагмы 7;

OX - горизонтальная ось;

OY - вертикальная ось.

На фиг.2 (см. Приложение) представлен вид распределения облученности на фотоприемнике при смещении на величину у^' _о, где

I, II, III, IV - изображение световой марки на чувствительных площадках фотоприемника; V - область равномерного распределения облученности в изображении световой марки;

О - центр фотоприемника (общая точка четырех чувствительных площадок);

а - сторона квадратной диафрагмы 6,

А - сторона квадратной диафрагмы 7;

у^' _о - смещение изображения выходного зрачка осветителя по оси OY;

V - увеличение для приемной системы.

На фиг.3 (см. Приложение) представлен вид эффективной площади входного зрачка объектива приемного устройства, формирующей облученность в плоскости фотоприемника в точке, смещенной относительно оси на величины х^' и у^', где

а - сторона квадратной диафрагмы 6,

А - сторона квадратной диафрагмы 7;

S_эф - эффективная площадь входного зрачка приемной системы со сторонами a_x, d_y, формирующая облученность в точке с координатами Vx' и Vy',

Способ измерения линейного смещения объекта и устройство для его осуществления работают следующим образом. Равнояркий протяженный осветитель (световая марка) 1, скрепленный с контролируемым объектом 2, направляет пучок излучения в приемную систему 3. Подходы к построению равнояркого протяженного осветителя известны.

Приемная система для формирования базовой измерительной линии и построения распределения облученности в изображении световой марки включает объектив 4 и установленный в его фокальной плоскости фотоприемник 5. Оптическая ось прибора проходит через общую точку О четырехплощадочного позиционного чувствительного фотоприемника и точку О₁ (центр входного зрачка объектива), формируя в измерительном пространстве базовую равночувствительную линию, относительно которой ведут отсчет линейных смещений световой марки в вертикальной OY и горизонтальной ОХ направлениях. Установка перед осветителем 1 квадратной диафрагмы 6 размером а× а, в пределах которой сохраняется равнояркость, обеспечивает для всех измерительных дистанций (находящихся на конечных дистанциях) формирование объективом 4 приемной системы равнояркого протяженного изображения квадратной формы за фокальной плоскостью.

Перед входным зрачком приемной системы также установлена квадратная диафрагма 7 со стороной “А” (А ≠ а); стороны обеих диафрагм попарно ориентированы, что обеспечивает с одной стороны формирование облученности и в фокальной плоскости с равномерным распределением квадратной формы в центре изображения, размер которого равен |А-а|/V, где V=s/ƒ ^' - увеличение, s - измерительная дистанция, ƒ ^' - фокус объектива приемной системы, и с другой стороны спад облученности по линейному закону к краю изображения.

Именно установка приемника в фокальной плоскости, где ведется анализ изображения, обеспечивает формирование здесь распределения облученности, подобного для всего диапазона контролируемых дистанций (переменной яркости с одинаковым относительным распределением).

Установленные перед зрачками диафрагмы специально выбирают с разным размером сторон, при этом не принципиально, какая из диафрагм больше. (При установке диафрагм равного размера в изображении отсутствовала бы область конечного размера равномерной облученности. При этом облученность от края изображения росла бы до центра, а затем симметрично падала к другому краю, не обеспечивая динамический диапазон измерений линейных смещений; в этом случае он равен 0, а система может работать только по “нулевому” методу.) Так как стороны квадратного изображения ориентированы параллельно границам раздела квадрантного приемника, которые в свою очередь совпадают с координатными осями, где ведется измерение, то при смещении осветителя с базовой линии прирост освещенности на паре чувствительных площадок и соответствующее уменьшение на другой паре происходит линейно для всего измеряемого диапазона линейных смещений, равного |А-а|. Линейность обеспечивается за счет равномерного распределения облученности в центре изображения и линейности его падения к краю (см. Приложение). Площадки приемника вырабатывают электрические сигналы, которые после усилителя 8 поступают в блок обработки 9, где вычисляются разностные сигналы U_с.р.х, U_c.р.у, пропорциональные линейному смещению по двум осям, и базовый сигнал с четырех площадок. Алгоритмы для реализации таких функций известны.

Полученные разностные сигналы U_c.р.х и U_c.р.у нормируются к базовому. Операция нормирования необходима для обеспечения одинаковой чувствительности для всех измерительных дистанций, что обеспечивает постоянный коэффициент пропорциональности "k" между величиной разностного сигнала и величиной смещений. Подходы к нахождению "k" известны. Величина линейного смещения контролируемого объекта относительно базовой линии, в частности, может быть вычислена по формулам:

l_x=k× U*_с.р., l_у=k× U*_с.р.у,

где l_х, l_у - величины линейных смещений по осям ОХ и ОY;

k - постоянный для всех дистанций и во всем рабочем диапазоне коэффициент, равный, соответственно, k=А/2 при А>а и k=а/2 при А<а.

В Приложении приведены расчеты, подтверждающие справедливость данных соотношений.

Пример конкретного исполнения

На нашем предприятии был изготовлен макет предлагаемого устройства, реализующего заявленный способ измерения линейных смещений объекта. Осветитель представляет собой полую сферу диаметром 40 мм, с выходным окном диаметром 10 мм. Выходное окно определяет размер протяженного равнояркого светового источника. Внутренняя поверхность сферы выполнена с диффузно-рассеивающим покрытием (белое, глубокоматовое по ОСТ3-1898-73) с коэффициентом отражения 0,95. Внутри сферы размещены 8 светодиодов АЛ 119. Светодиоды связаны с источником питания, выполненным в виде генератора переменных напряжений на базе однотактного таймера типа К1006В41. Источник питания подключался к сети =220 В, 50 Гц.

Для увеличения размера выходного окна перед осветителем был установлен двухлинзовый объектив с фокусом 50 мм, проектирующий световой источник в плоскость анализа. За объективом установлена квадратная диафрагма 10× 10 мм.

Фотоприемное устройство выполнено в виде цилиндра диаметром 50 мм и состоит из трехлинзового объектива с фокусом 100 мм, четырехплощадочного (квадрантного) фотоприемника ФД-142, трех электронных плат круглой формы, размещенных параллельно плоскости фотоприемника. На платах размещены предварительные усилители, коммутатор сигналов и усилитель с программируемым коэффициентом усиления.

Перед входным зрачком осветителя и объектива приемной системы установлена квадратная диафрагма размером 30× 30 мм.

Блок обработки электрических сигналов построен с использованием известных подходов. Он включает предварительные усилители, выполненные на операционных усилителях с низким уровнем шума, типа ОР 284. Информация о величине сигналов передается последовательно по одному электронному тракту, что обеспечивается коммутацией аналоговых сигналов при помощи коммутатора типа ADG 409. Изменение дистанции автоматически компенсируется изменением коэффициента усиления электронного тракта. В качестве усилителя используется прецизионный усилитель с переменным коэффициентом усиления типа AD 526. Диапазон значений коэффициента усиления 1-256. Управление выбором канала измерения и установка необходимого коэффициента осуществляется программно от ЭВМ по параллельному порту LPT.

Перед измерениями осветитель устанавливают на контролируемом объекте соосно и центрично относительно приемной системы. При перемещении осветителя по контролируемому объекту (направляющая станка) контролируется линейное смещение в вертикальной и горизонтальной плоскостях по величине разностного сигнала.

Испытания макета устройства производились для диапазона измерительных дистанций от 1 до 10 м, наиболее востребованный диапазон (8 м) для операции центровки турбин, контроля направляющих крупногабаритных станков и др. Испытания показали, что при данных параметрах устройства чувствительность к линейным смещениям как одного из основных показателей точности составляет десятые доли микрона, что в несколько раз выше точности современных методов и устройств на их основе.

В настоящее время на нашем предприятии заканчивается корректировка конструкторской документации по результатам испытаний макета, и в 2004 г. по заявке Правительства Ленинградской области запланировано изготовление двух образцов прибора для нужд промышленных предприятий Ленинградской области.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВЫВОД ЗАВИСИМОСТИ ЛИНЕЙНЫХ СМЕЩЕНИЙ ОТ ВЕЛИЧИНЫ НОРМИРОВАННОГО РАЗНОСТНОГО СИГНАЛА

Объектив приемной системы формирует в плоскости фотоприемника расфокусированное изображение квадратной формы выходного зрачка осветителя со сторонами квадрата (A+а)/V, где V - увеличение для приемной системы, равное S/ƒ ^', где S - измерительная дистанция; ƒ ^' - фокусное расстояние объектива приемной системы.

Пусть осветитель смещается с оптической оси OY на величину y_o. В этом случае изображение выходного зрачка осветителя смещается по оси OY' на величину y_о ^'=y₀/V (см. фиг.2), что приводит к увеличению лучистого потока на чувствительных площадках I и II и к уменьшению на такую же величину на чувствительных площадках III и IV.

Поэтому можно записать:

где Δ Р - величина разностного потока излучения между площадками I, II и III, IV при смещении осветителя с оптической оси приемной системы;

Р - величина потока излучения, попадающего на каждую площадку приемника, когда осветитель находится на оптической оси приемной системы;

Δ р_I, Δ р_II, Δ р_III, Δ p_IV - величина изменения потоков излучения на каждой площадке при смещении изображения осветителя относительно центра приемника на у_о ^'.

Учитывая симметрию изображения зрачка осветителя в плоскости фотоприемника относительно координатных осей, получаем:

Для вычисления Δ р найдем распределение облученности в плоскости фотоприемника.

Облученность Е в изображении выходного зрачка осветителя в произвольной точке в плоскости фотоприемника определяется формулой [1]:

где В - лучистость выходного зрачка осветителя;

τ - суммарный коэффициент пропускания;

f^' - фокусное расстояние объектива приемной системы;

S_эф - эффективная площадь входного зрачка приемной системы, формирующая облученность в точке с координатами х^' и y^'.

В рассматриваемом случае (квадратные зрачки и размещение фотоприемника в фокальной плоскости объектива приемной системы) эффективная площадь S_эф определяется пересечением двух квадратов, один из которых со стороной А является входным зрачком объектива приемной системы, а второй со стороной а - выходным зрачком осветителя, смещенным относительно первого квадрата на величины х и у, где и (см. фиг.3).

Область пересечения двух квадратов представляет собой прямоугольник со сторонами а_х и а_у, следовательно

Легко показать, что при и (соответственно и прямоугольник пересечения вырождается в квадрат со сторонами a_x=a_y=а и S_эф=а².

Таким образом, в пределах изображения в плоскости фотоприемника образуется зона квадратной формы со сторонами (А-а)/V постоянной облученности Е_о, равной:

Введем обозначение:

где f(x^'; y^') - нормированная функция распределения облученности в плоскости фотоприемника.

***Из анализа фиг.3 легко получить:

Найденная функция распределения облученности от осветителя в плоскости фотоприемника позволяет определить разностный и суммарный потоки путем интегрирования этой функции по х^' и у^'.

Рассмотрим далее основной представляющий интерес случай у_o ≤_(А-а)/2.

Величина разностного потока при смещении осветителя с оптической оси на величину y_o определяется формулой:

Разбиваем двойной интеграл с учетом значений и области определения функции ƒ (х^'; у^'):

Интегрируя, получаем:

Аналогично получаем формулу для суммарного потока с четырех чувствительных площадок фотоприемника:

Энергетические величины (потоки излучения) Δ Р и Р преобразуются фотоприемниками в электрические сигналы пропорционально вольтовой чувствительности фотоприемников S_V.

Следовательно, можно записать:

- для разностного сигнала (сигнала рассогласования)

для базового сигнала (суммарного сигнала с четырех чувствительных площадок фотоприемника)

Нормируя текущее значение сигнала рассогласования к базовому сигналу, получаем:

где U*_c.p. - нормированный сигнал рассогласования.

Откуда окончательно получаем:

Таким образом, величина линейных смещений зависит для всех измерительных дистанций только от нормированного сигнала рассогласования, коэффициент пропорциональности k=А/2 постоянный для всех измерительных дистанций в пределах динамического диапазона (у_о≤_(А-а)/2).

Легко показать, что при А<а зависимость сохраняется. При этом k=а/2.

Список используемых источников

1. Гридин А.С. Распределение энергии в оптической равносигнальной зоне.// Изв. вузов. Приборостроение. 1967 г. №1, стр.19-23.

Изобретение относится к технике контроля линейных смещений объектов и может использоваться для контроля неплоскостности, непараллельности, при центровке валов турбин, направляющих станков и др. Заявленные способ и устройство с формированием равносигнальной базовой линии основаны на прямом методе измерений, отличном от “нулевого”, регистрируют сигнал рассогласования, имеющий линейную зависимость от величины смещения, которая в свою очередь зависит для всех измерительных дистанций только от нормированного сигнала рассогласования при постоянном коэффициенте пропорциональности. Это достигнуто благодаря установке перед входными зрачками равно яркой протяженной осветительной системы и фотоприемной системы с квадрантным приемником квадратных диафрагм разного размера, осуществлению регистрации распределения облученности в фокальной плоскости приемной системы и нормировки сигнала рассогласования к базовому. Технический результат - повышение точности и чувствительности измерений, простота в эксплуатации и в обслуживании, автоматизирование процесса измерений. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения линейного смещения объекта, включающий формирование равночувствительной базовой линии, формирование распределения облученности в изображении протяженной равнояркой световой марки для разных дистанций в пределах измеряемого диапазона, преобразование светового сигнала в электрический, измерение базового сигнала, выделение и регистрацию сигнала рассогласования, определение величины смещения, отличающийся тем, что распределение облученности от каждой дистанции формируют подобным по форме в виде квадрата с зоной постоянной облученности в центре изображения световой марки и ее спадом к границе изображения световой марки по линейному закону, регистрируют сигнал рассогласования, имеющий линейную зависимость от величины смещения, нормируется сигнал рассогласования к базовому сигналу по формуле

U^* _с.р.=U_с.р./U_б,

где U^* _с.р. - нормированный сигнал рассогласования,

U_c.p. - сигнал рассогласования,

U_б - базовый сигнал;

а величину смещения l контролируемого объекта определяют по величине нормированного сигнала рассогласования по формуле

l=k×U^* _c.p.,

где k - коэффициент, постоянный для всех измерительных дистанций в пределах динамического диапазона.

l_x=k×U^* _с.р.x и l_y=k×U^* _с.р.у,

где l_x и l_y - величины смещения соответственно по осям ОХ и OY,

k - постоянный для всех дистанций и во всем рабочем диапазоне коэффициент, равный k=А/2 при А>a и k=а/2 при А<а.