УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 2006 года по МПК G01B11/24 G01B11/30 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения профиля поверхности с помощью лазерного излучения.

Известно устройство для измерения параметров внутренней поверхности трубопровода, использующее триангуляционный принцип и состоящее из источника излучения, отклоняющего зеркала и детектора. Плоскость зеркала составляет с оптической осью источника угол 45°, а ось вращения зеркала совпадает с оптической осью источника (1). Формируемый источником зондирующий световой луч падает на зеркало, которое отклоняет его на поверхность трубопровода. Отраженный луч падает на зеркало и, отражаясь от него, регистрируется детектором. Вращение зеркала позволяет осуществить сканирование зондирующего луча и получить информацию о профиле поверхности трубопровода в данном сечении. Перемещая источник излучения вдоль оси трубопровода, можно определить параметры внутренней поверхности трубопровода (диаметр, топологию).

Известна электронно-оптическая система для определения профиля, содержащая источник лазерного излучения, зеркало, снабженное шаговыми двигателями, подключенными к компьютеру для вращения зеркала в двух, взаимно ортогональных плоскостях, и фотоприемник отраженного от измеряемой поверхности лазерного луча (2).

Известное устройство работает следующим образом. Вырабатываемый лазерным источником луч направляется на зеркало, которое, вращаясь в двух плоскостях, проецирует его на измеряемую поверхность. Отраженный от поверхности луч поступает на зеркало и регистрируется фотодетектором. Измеряемая величина определяется по углу поворота шагового двигателя.

Недостатком известного устройства является следующее.

Использование в качестве средств перемещения зеркала шаговых двигателей, даже при относительно высокой точности шага - 3 мрад на один импульс, вырабатываемый компьютером, приводит на больших расстояниях между зеркалом и диагностируемой поверхностью к измерительной ошибке, которой нельзя пренебрегать. Использование одного зондирующего луча на поверхности объекта и «точечного» фотоприемника существенно снижает скорость измерений.

Кроме того, при регистрации отраженного луча посредством «точечного» фотоприемника возможны ошибки измерения, связанные с уходом элементов измерительной системы, например, зеркала, или измеряемого объекта, из заданного положения.

В качестве прототипа заявляемого технического решения выбрано устройство для определения профиля внутренней поверхности объекта цилиндрической конфигурации, включающее основание, на котором на общей оси, совпадающей с осью объекта, установлены два лазера и расположенные напротив них конусообразные отражатели, снабженные средствами для вращения на 360°, средства перемещения платформы по оси объекта и приемник отраженного от измеряемой поверхности отраженного луча, выполненный виде камеры (3).

Известное устройство работает следующим образом. Лазеры излучают в противоположных направлениях лучи, лежащие в одной плоскости и падающие на конусообразные отражатели, которые направляют лучи на измеряемую поверхность объекта, в результате чего лучи пересекаются на поверхности в одной точке. Падение двух лучей на поверхность объекта под различными углами позволяет лучше выявить топологию поверхности и, тем самым, повысить точность измерения ее профиля.

Вращение отражателей обеспечивает перемещение лучей по поверхности объекта в радиальном направлении и формирование линии сканирования. Отраженный сигнал регистрируется видеокамерой.

Недостатком известного устройства является фиксированное положение конических отражателей на горизонтальной оси объекта и, соответственно, фиксированный угол падения лазерных лучей на измеряемую поверхность, что не позволяет осуществлять с высокой точностью измерение профиля поверхности, характеризующейся развитой микротопологией, так как в этом случае требуется направлять зондирующие лучи на поверхность объекта под различными углами.

Кроме того, время, требуемое для формирования линии сканирования, определяется временем полного оборота отражателя на 360°. Это снижает оперативность измерений.

Задача, решаемая изобретением, - повышение точности и оперативности измерения профиля внутренней поверхности объекта.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для определения профиля внутренней поверхности объекта, включающем лазер, отражатели, связанные с механизмом вращения, и приемник отраженного от поверхности объекта лазерного луча, между лазером и отражателями расположен расщепитель лазерного луча, а отражатели выполнены в виде двух зеркал, симметрично установленных на механизме вращения, снабженном средствами для углового сканирования зеркал относительно оси упомянутого механизма.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображено заявляемое устройство.

Устройство для определения профиля внутренней поверхности объекта включает лазер 1, расщепитель лазерного пучка, содержащий полупрозрачное зеркало 2 и направляющие зеркала 3, 4, 5; рабочие зеркала 6 и 7, установленные симметрично на механизме вращения, выполненном в виде двигателя 8, вал которого связан с зеркалами 6 и 7. Средства углового перемещения зеркал относительно оси Z механизма вращения, совпадающей с направлением распространения луча, вырабатываемого лазером 1, реализованы в выполнении в виде установленного на оси вала 8 соленоида 9. Приемник 10 отраженного от поверхности объекта 11 лазерного излучения выполнен, например, в виде фотолинейки приборов с зарядовой связью.

Устройство работает следующим образом. Лазер 1 вырабатывает коллимированный пучок света, который падает на полупрозрачное зеркало 2. Часть лазерного излучения отражается от зеркала 2 и посредством зеркала 3 направляется на рабочее зеркало 7; оставшаяся часть излучения посредством зеркал 4 и 5 направляется на рабочее зеркало 6. Падающие на поверхность зеркал 6 и 7 под равными углами лучи отражаются от них и формируют на поверхности объекта 11 зондирующие пятна малого диаметра, лежащие в плоскости, перпендикулярной оси Z. Посредством двигателя 8 осуществляется синхронный поворот зеркал 6 и 7 на 180° и, соответственно, сканирование лучей по поверхности объекта 11. Изображение замкнутой круговой линии проектируется на поверхность приемника 10. Для измерения профиля некоторой области как локально - в окрестности зондируемой точки, так и на большем расстоянии посредством соленоида 9 осуществляется изменение угла наклона зеркал 6 и 7 относительно оси Z. Это приводит к изменению углов наклона зондирующих лучей относительно поверхности объекта и позволяет с более высокой точностью измерить его микротопологию.

Использование двух зеркал позволяет сформировать линию сканирования за время, равное 1/2Т, где Т - время полного оборота зеркал вокруг своей оси, что существенно ниже времени, требуемого для формирования линии сканирования в устройстве - прототипе.

Таким образом, по сравнению с устройством - прототипом заявляемое устройство для измерения профиля внутренней поверхности объекта имеет более высокую точность и оперативность измерений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент ФРГ № 4206608, кл. G 01 B 11/12, 1993 г.

2. Патент США № 4300836, кл.356/376, 1981 г.

3. Патент Великобритании № 2094470, кл. G 01 B 11/24, 1981 г. (прототип).

Устройство для определения профиля внутренней поверхности объекта включает лазер, отражатели, симметрично установленные на механизме вращения, снабженном средствами для углового сканирования отражателей относительно оси упомянутого механизма, и приемник отраженного от поверхности объекта лазерного луча. Механизм вращения выполнен в виде двигателя, вал которого связан с отражателями; средства углового сканирования отражателей относительно оси механизма вращения выполнены в виде соленоида, установленного на оси вала двигателя, а между лазером и отражателями расположен расщепитель лазерного луча. Технический результат - повышение точности и оперативности измерения профиля. 1 ил.

Устройство для определения профиля внутренней поверхности объекта, включающее лазер, отражатели, симметрично установленные на механизме вращения, снабженном средствами для углового сканирования отражателей относительно оси упомянутого механизма, и приемник отраженного от поверхности объекта лазерного луча, отличающееся тем, что механизм вращения выполнен в виде двигателя, вал которого связан с отражателями; средства углового сканирования отражателей относительно оси механизма вращения выполнены в виде соленоида, установленного на оси вала двигателя, а между лазером и отражателями расположен расщепитель лазерного луча.