ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК H05G1/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью рентгеновского излучения и может быть использовано для контроля материалов и изделий в авиакосмической технике.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, который содержит корпус с расположенной в нем телекамерой, оптическая ось которой параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, зеркало из оргстекла, направляющее на объект лазерные пучки, коллинеарные с рентгеновским пучком, и шкалу. Также содержит два микролазера, установленных симметрично и параллельно оптической оси телекамеры, которые с помощью первого зеркала формируют изображения лазерных пятен с постоянным расстоянием между ними, не зависящим от расстояния до объекта, объектив телекамеры выполнен панкратическим, формирует в плоскости ПЗС-матрицы телекамеры изображения лазерных пятен на объекте, наблюдаемые на экране видеомонитора одновременно с изображением реперных марок, формируемых на ПЗС-матрице телекамеры с помощью второго зеркала, выполненного полупрозрачным, микрообъектив и диафрагму с отверстиями, освещаемыми дополнительным источником света. Объектив телекамеры содержит механизм изменения фокусного расстояния, который имеет шкалу, отградуированную непосредственно в значениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом, и с помощью которого добиваются равенства расстояний между изображениями лазерных пятен и реперных меток, и в этот момент считывают со шкалы объектива текущее значение расстояния между рентгеновским излучателем и объектом.

Недостатки устройства - отсутствие визуализации участка изделия, просвечиваемого рентгеновским излучением, невозможность фоторегистрации контролируемой зоны изделия для привязки ее к рентгеновскому изображению, сложность измерения расстояния от рентгеновского излучателя до объекта.

Наличие в аналоге видеокамеры представляется избыточным, т.к. для офоярмления протокола контроля достаточно одного снимка изделия с указанием зоны просвечивания. Кроме того, разрешающая способность видеокамер существенно ниже, чем у современных фотографических камер, в том числе цифровых, что снижает дефектоскопическую чувствительность визуального канала при осмотре внешней поверхности издели, обращенной к рентгеновскому излучателю при использовании видеокамер.

Для устранения этих недостатков в центратор дополнительно введены ультразвуковой или лазерный дальномер, ось пучка излучения которого параллельна оси рентгеновского пучка, а базовая плоскость его корпуса, от которой ведется отсчет расстояния до объекта, совмещена о плоскостью, проходящей через продольную ось рентгеновского излучателя перпендикулярно оси рентгеновского пучка, перед дисплеем дальномера расположен объектив с фокусным расстоянием f'_д, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью светодиодного или жидкокристаллического дисплея дальномера, цифровая фотокамера с объективом с фокусным расстоянием f'_ф и ПЗС-матрицей, оптические оси объектива с фотокамерами объектива, установленного перед дисплеем дальномера, параллельны друг другу, перед объективом цифровой фотокамеры установлено полупрозрачное зеркало, после отражения от которого оптическая ось объектива фотокамеры располагается параллельно оси рентгеновского пучка и оси пучка излучения дальномера, и смещена от оси рентгеновского пучка на расстояние Δ, минимальный угол поля зрения объектива фотокамеры 2β выбирается из условия βmin≥arctg(tgα+tgγ), где tgγ=Δ/Fmin, F_min - минимальное расстояние от объекта до рентгеновского излучателя, а фокусное расстояние фотокамеры f'_ф выбирается из условия

где β - размер ПЗС-матрицы фотокамеры, фокусное расстояние объектива фотокамеры f'_ф и объектива, установленного перед дисплеем, f'_д выбирается из соотношения f'_ф/f'_д≤m, где m=0,1÷0,3 - масштабность изображения дисплея дальномера на ПЗС-матрице фотокамеры, выбираемый из конструктивных соображений объектив, расположенный перед дисплеем, установлен с возможностью юстировочных смещений относительно оптической оси объектива фотокамеры параллельно ей для оптимального расположения плоскости ПЗС-матрицы изображения дисплея дальномера на оси, проходящей через точку пересечения зеркала из оргстекла с осью рентгеновского пучка и параллельной продольной оси рентгеновского излучателя, установлен объектив о фокусным расстоянием f'_o и диаметром d, передний фокус которого находится на расстоянии A от точки пересечения зеркала из оргстекла с осью рентгеновского пучка, равном расстоянию от этой точки до фокуса рентгеновской трубки рентгеновского излучателя по оси рентгеновского пучка, перед объективом со стороны его заднего фокуса расположена кольцевая матрица полупроводниковых микролазеров, ось симметрии которой совпадает с осью объектива, матрица содержит N лазеров для подсветки зоны просвечивания объекта, расположенных на диаметре d_м≤d, два лазера для контроля масштаба изображения расположены на окружности D≥d и один лазер для указания точки пересечения оси рентгеновского пучка с объектом, расположенный в центре матрицы на оси объектива, оси всех лазеров параллельны друг другу и оптической оси объектива, фокусное расстояние объектива f'_o и диаметр d_м, на котором размещены лазеры для подсветки зоны просвечивания объекта рентгеновским пучком, связаны соотношением d_м=f'_o·tgα, a число этих лазеров выбирается с учетом соотношения N≤d_м·(d_л+t), где d_л - диаметр корпусов лазеров, t=0,1÷0,3 - конструктивный зазор между лазерами.

Изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором представлена общая схема устройства и схема, поясняющая вывод выражения для угла поля зрения фотокамеры (фиг.2).

Лазерный центратор содержит корпус 1, на котором закреплены цифровая фотокамера 12 с объективом 6 с фокусным расстоянием f'_ф и ПЗС-матрицей 5 размером В×В, ультразвуковой или лазерный дальномер 9 со светодиодным или жидкокристаллическим дисплеем 7 размером С×С, перед которым установлен объектив 8 с фокусным расстоянием f'_д, ось которого перпендикулярна плоскости дисплея 7 и параллельна оси объектива 6 и может смещаться в пространстве параллельно этой оси относительно центра дисплея с помощью юстировочных винтов (на фиг.1 не показаны в силу общеизвестности данной конструкции) для размещения изображения дисплея в нужном месте ПЗС-матрицы фотокамеры, между объективами 6 и 8 на их общей оси установлено полупрозрачное зеркало 13, с помощью которого оптическая ось фотокамеры 12 направляется параллельно оси рентгеновского пучка и оси пучка излучения дальномера на объект 10 перпендикулярно к нему.

На оси рентгеновского пучка на расстоянии А от фокуса рентгеновской трубки рентгеновского излучателя установлено под углом 45° к ней зеркало 2 из оргстекла.

На оси, проходящей через точку пересечения зеркала 2 с осью рентгеновского пучка и параллельной продольной оси корпуса рентгеновского излучателя расположен объектив 4 с фокусным расстоянием f'_o и диаметром d, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, а передний фокус находится на расстоянии А от точки пересечения осей рентгеновского пучка с зеркалом 2, равного расстоянию от фокуса рентгеновской трубки до этой точки вдоль оси рентгеновского пучка.

Перед объективом 4 на его оптической оси со стороны заднего фокуса установлена матрица 3 идентичных полупроводников микролазеров диаметром d_л, оптические оси которых параллельны друг другу и оптической оси объектива 4. Один микролазер 14 установлен в центре матрицы, его ось совпадает с осью объектива 2 и после отражения от зеркала 2 его излучение распространяется соосно с осью рентгеновского пучка, формируя на объекте яркую точку в месте пересечения с ним оси рентгеновского пучка. Два микролазера 15 расположены на расстоянии D>d друг от друга, их излучение проходит мимо объектива 4 и после отражения от зеркала из оргстекла 2 направляется параллельно друг другу и оси рентгеновского пучка на объект, формируя на нем изображения двух ярких точек, расстояние D между которыми на объекте не зависит от расстояния между объектом и рентгеновским излучателем и служит масштабной меткой при измерении размеров дефектов поверхности объекта.

На окружности диаметром d_м≤d в матрице расположена кольцевая структура из микрлазеров 16, число которых определяется из соотношения N≤d_м/(d_л÷К·d_л)≤d_м/d_л(1+K), где K=(0,1÷0,2) - конструктивный коэффициент зазора между лазерами.

После объектива 4 лучи микролазеров 16 фокусируются в его переднем фокусе и затем, после отражения от зеркала 2 и 3 из оргстекла, распространяются в сторону объекта в виде конического веерного пучка, ось симметрии которого совпадает с осью рентгеновского пучка, а угол его расходимости, определяемый из очевидного соотношения

выбирается за счет подбора диаметра d_м и фокусного расстояния f'_o, равным углу расходимости рентгеновского пучка 2α. Так как передний фокус объектива 4, совпадающий с вершиной конического лазерного пучка, расположен относительно зеркала 2 симметрично с фокусом рентгеновской трубки излучателя, на объекте формируется кольцевая структура лазерных пятен, диаметр которой совпадает с диаметром участка объекта, просвечиваемого рентгеновским излучением. По степени эллиптичности этой кольцевой структуры судят о перпендикулярности оси рентгеновского пучка к поверхности объекта. Совершая угловые и линейные перемещения центратора относительно объекта, добиваются круговой формы структуры лазерных пятен на объекте и совпадения центрального лазерного пятна с центром контролируемого участка объекта.

Для лучшего различения лазерных пятен от микролазеров 14, 15 и 16 их излучение может модулироваться с различными частотами (f'≤1÷20 Гц).

Кроме того, микролазеры могут иметь различные длины волн излучения, что особенно эффективно при их анализе на снимках, сделанных с помощью цветной цифровой фотокамеры.

В кадре цифровой фотокамеры формируется изображение внешней поверхности объекта в зоне контроля, кольцевая структура лазерных пятен, подсвечивающих область просвечивания объекта рентгеновским пучком, два лазерных пятна, реализующих масштабную метку, пятно от центрального лазера в центре зоны просвечивания, а также необходимая служебная информация - расстояние до объекта, дата и время контроля (фиг.1).

На фиг.2 приведена расчетная схема для выбора величины угла поля зрения цифровой фотокамеры в зависимости от минимального расстояния F_min от объекта до рентгеновского излучателя и расстояния Δ между осями рентгеновского пучка и объектива фотокамеры.

Из треугольников АСД, АСЕ и ВДЕ с учетом принятых обозначений после несложных преобразований получаем СД=Fmin·tgγ, СЕ=Fmin·tgβ, ДЕ=Fmin·tgα, АВ=СД=Δ, т.к. АС//ВД, СЕ=Δ+Fmin·tgα окончательно получаем

но т.к. Δ/F_min=tgγ, получаем

β_min=arctg(tgα+tgγ).

Исходя из этого значения угла поля зрения βmin выбирают соответствующее значение фокусного расстояния объектива фотокамеры (треугольник AMQ для заданного размера β ПЗС-матрицы

Устройство работает следующим образом. Оператор включает фотокамеру, дальномер и микролазеры и наводит рентгеновский излучатель на нужную область объекта, совершая его угловые и поступательные перемещения, добиваясь круговой формы лазерных пятен кольцевой структуры и совпадения центрального лазерного пятна с центром контролируемой области объекта. Затем вводят в фотокамеру информацию о дате и времени контроля, расстоянии от объекта до рентгеновского излучателя, индицируемого на дисплее дальномера, и производят съемку объекта. После этого с минимальным временным интервалом включают питание рентгеновской трубки и производят экспонирование рентгеновской пленки 11, заранее размещенной на объекте в зоне контроля со стороны, обратной по отношению к излучателю.

Фотосъемка объекта и его экспонирование могут производиться дистанционно, с помощью соответствующих пультов управления.

Затем рентгеновский излучатель перемещают вдоль объекта и/или устанавливают другой объект и повторят вышеизложенные процедуры.

Использование: для неразрушающего контроля с помощью рентгеновского излучения. Сущность заключается в том, что в известную конструкцию центратора дополнительно введены ультразвуковой или лазерный дальномер, ось пучка излучения которого параллельна оси рентгеновского пучка, а базовая плоскость его корпуса, от которой ведется отсчет расстояния до объекта, совмещена с плоскостью, проходящей через продольную ось рентгеновского излучателя перпендикулярно оси рентгеновского пучка, перед дисплеем дальномера расположен объектив, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью дисплея дальномера, цифровая фотокамера, содержащая ПЗС-матрицу и объектив, оптические оси объективов фотокамеры и объектива перед дисплеем дальномера совпадают, между этими объективами установлено полупрозрачное зеркало, с помощью которого оптическая ось объектива фотокамеры направляется на объект параллельно оси рентгеновского пучка, параллельно продольной оси рентгеновского излучателя установлен объектив, передний фокус которого находится на расстоянии А вдоль оси объектива от точки пересечения зеркала из оргстекла с осью рентгеновского пучка, за объективом со стороны его заднего фокуса установлена матрица идентичных полупроводниковых микролазеров, оси излучения которых параллельны друг другу и продольной оси рентгеновского излучателя. Технический результат: облегчение измерения расстояния от рентгеновского излучателя до контролируемого изделия, обеспечение привязки контролируемой зоны к ее рентгеновскому изображению. 3 ил.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенными в нем двумя микролазерами, установленными симметрично и параллельно продольной оси рентгеновского излучателя и которые с помощью зеркала из оргстекла, установленного на оси рентгеновского пучка, направляют на объект лазерные пучки, коллинеарные с рентгеновским пучком и формирующие на нем изображения лазерных пятен с постоянным расстоянием между ними, не зависящим от расстояния до объекта, отличающийся тем, что в центратор дополнительно введены ультразвуковой или лазерный дальномер, ось пучка излучения которого параллельна оси рентгеновского пучка, а базовая плоскость его корпуса, от которой ведется отсчет расстояния до объекта, совмещена с плоскостью, проходящей через продольную ось рентгеновского излучателя перпендикулярно оси рентгеновского пучка, перед дисплеем дальномера расположен объектив с фокусным расстоянием f'_∂, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью дисплея дальномера, цифровая фотокамера, содержащая ПЗС-матрицу и объектив с фокусным расстоянием f'_ф и углом поля зрения 2β, оптические оси объективов фотокамеры и объектива перед дисплеем дальномера совпадают, между этими объективами установлено полупрозрачное зеркало, с помощью которого оптическая ось объектива фотокамеры направляется на объект параллельно оси рентгеновского пучка на расстоянии Δ от нее, минимальный угол поля зрения объектива фотокамеры выбирается с учетом выражения β_min≥arctg(tgα+tgγ), где α - угол расхождения пучка рентгеновского излучения, tgγ=Δ/F_min, F_min - минимальное расстояние от объекта до рентгеновского излучателя, фокусное расстояние объектива фотокамеры выбирается согласно выражению

β - размер ПЗС-матрицы, фокусное расстояние объектива перед дисплеем дальномера выбирается с учетом соотношения f'_ф/f'_д≤m, где m=0,1-0,3 - масштабность изображения дисплея на ПЗС-матрице фотокамеры, которая выбирается из конструктивных соображений, на оси, проходящей через точку пересечения зеркала из оргстекла с осью рентгеновского пучка, параллельно продольной оси рентгеновского излучателя установлен объектив с фокусным расстоянием f'_o и диаметром d, передний фокус которого находится на расстоянии А вдоль оси объектива от точки пересечения зеркала из оргстекла с осью рентгеновского пучка, за объективом со стороны его заднего фокуса установлена матрица идентичных полупроводиковых микролазеров диаметром d_л, оси излучения которых параллельны друг другу и продольной оси рентгеновского излучателя, один из лазеров установлен на оси объектива, проходящей через центр матрицы, и служит для подсветки на объекте точки его пересечения с осью рентгеновского пучка, в матрице на окружности диаметра d_м≤d расположена кольцевая структура из лазеров, число которых определяется из соотношения N≤d_м/(d_л+К·d_л), где К=(0,1-0,2) - конструктивный коэффициент зазора между лазерами, лучи лазеров кольцевой структуры матрицы после преломления объективом фокусируются в его переднем фокусе и после отражения от зеркала из оргстекла распространяются в виде конического веерного пучка симметрично относительно рентгеновского пучка, полностью повторяют его геометрию и формируют на поверхности объекта кольцевую структуру лазерных пятен, диаметр которой соответствует диаметру зоны просвечивания объекта рентгеновским пучком, а форма характеризует перпендикулярность осей этого пучка к поверхности объекта, фокусное расстояние объектива f'_o и диаметр d_м связаны соотношением d_м=f'_o·tgα.