УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГОДНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ ЧАСТОТНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01L27/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для метрологического обеспечения технологии изготовления цилиндрических резонаторов для частотных датчиков давления, а также может найти применение при исследовании напряженно-деформированного состояния оболочек цилиндрической формы.

Известен способ определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления, основанный на анализе голографической интерферограммы, формирующейся при возбуждении в резонаторе собственных колебаний на резонансной частоте в режиме автогенерации. Наличие неискаженных форм собственных колебаний основного тона в рабочем диапазоне давлений с неизменным положением узлов и пучностей на поверхности цилиндрического резонатора с постепенным изменением числа интерференционных полос при изменении давления от минимального до максимального значения свидетельствует о годности резонатора. Для реализации этого способа было создано устройство, содержащее источник оптического когерентного излучения, оптически связанные между собой опорный и предметный тракты, зеркало дополнительной подсветки и регистратор интерферограммы, а также электронную и пневматическую части устройства. Зеркало дополнительной подсветки расширяет сектор обзора цилиндрического резонатора до 270° (см., например, авторское свидетельство СССР №1597632, G01L 11/00, 1988).

Такое техническое решение не отвечает современному уровню производства частотных датчиков давления и имеет ряд недостатков. Так, например, не обеспечивается возможность полного обзора поверхности резонатора в 360°, а также требуется сложная методика получения интерферограмм.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для определения годности цилиндрических резонаторов, которое предназначено для автоматизации процесса разбраковки резонаторов, являющихся чувствительными элементами частотных датчиков давления, в условиях как опытного, так и серийного производства, содержащее источник оптического когерентного излучения, опорный и предметный тракты, оптически связанные между собой с помощью светоделителя, а также кольцевое коническое зеркало подсветки с углом 90° при вершине конуса, регистратор голограммы, а также электронную и пневматическую части устройства (см., например, патент РФ на изобретение №2245527, G01L 27/00, 2005).

К недостаткам этого устройства можно отнести низкую контрастность получаемой интерференционной картины, свойственную методам электронной спекл-интерферометрии (см., например, Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. - М.: Мир, 1986, с.195).

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение - это получение наиболее полной и объективной картины интерферограммы для ее последующей обработки.

При этом достигаемый технический результат заключается в получении интерференционной картины максимально возможного контраста.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в устройстве для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления, содержащем источник оптического когерентного излучения, оптически связанные между собой опорный и предметный тракты с формирователями света, коническое кольцевое зеркало подсветки, узел закрепления резонатора, оптическую систему формирования картины интерференции и систему технического зрения, состоящую из видеокамеры и устройства отображения интерферограммы, в оптическую систему упомянутой видеокамеры в фокусе последней включена регулируемая диафрагма и приводной шаговый двигатель, а видеовыход видеокамеры соединен с пиковым вольтметром и вольтметром среднего значения, выход которого соединен через инвертор с первым входом сумматора, ко второму входу которого присоединен выход пикового вольтметра, при этом выход сумматора подключен к первому входу делителя, второй вход которого соединен с выходом вольтметра среднего значения, а выход - с экстремальным регулятором с запоминанием и устройством самовыключения, подключенным выходом к шаговому двигателю, а также благодаря тому, что регулируемая диафрагма выполнена в виде диска с отверстиями различного диаметра, расположенными по окружности.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема устройства.

Оптическая часть устройства содержит источник оптического когерентного излучения - лазер 1, светоделитель 2, делящий исходный лазерный луч по интенсивности на две равные части, зеркала 3 и 4 с коэффициентами отражения, близкими к 1, короткофокусную линзу 5 для формирования опорной световой волны, коллиматор 6, состоящий из двух линз с совмещенными фокусами, для формирования коллимированного излучения предметного тракта, нейтральный ослабитель света 7 для подбора требуемого отношения интенсивностей предметного и опорного трактов, диффузное стекло 8 с соответствующей шероховатостью поверхности для формирования требуемого размера спеклов на поверхности цилиндрического резонатора, полупрозрачное зеркало 9 с коэффициентом отражения 0,5 для направления световой волны опорного тракта и отраженного от поверхности резонатора света на фоторегистратор, коническое кольцевое зеркало 10 подсветки, которое имеет при вершине конуса угол 90°. С основанием меньшего диаметра кольцевого зеркала 10 сопряжен узел 11 для закрепления цилиндрического резонатора 12. При этом геометрическая ось резонатора совмещена с оптической осью кольцевого зеркала. Для того чтобы освещалась вся поверхность цилиндрического резонатора 12, размер конического кольцевого зеркала 10, а именно его основание большего диаметра D_max должно удовлетворять условию D_max≥d+2·l, где d - диаметр резонатора, l - длина резонатора.

Для регистрации интерферограмм используется видеокамера 13 с ее оптической системой. В фокусе оптической системы видеокамеры помещена регулируемая диафрагма, выполненная в виде диска 14 с отверстиями различного диаметра, расположенными на одной окружности.

Электрическая часть 15 устройства содержит автогенератор, частотомер и контрольно-измерительные приборы. Цилиндрический резонатор 12 имеет не показанные на чертеже расположенные внутри него две электромагнитные катушки возбуждения и съема колебаний, полюса которых развернуты относительно друг друга на 90°. При этом катушка возбуждения резонатора включена в цепь положительной обратной связи автогенератора для возбуждения колебаний на резонансной частоте в режиме автогенерации.

Также электрическая часть устройства содержит пиковый вольтметр 16, вольтметр среднего значения 17 (см., например, Брянский Л.Н., Левин М.М., Розенберг В.Я. Радиоизмерения. - М.: Издательство комитета стандартов мер и измерительных приборов, 1970, с.177), инвертор 18, сумматор 19, делитель 20, экстремальный регулятор 21 с запоминанием и устройством самовыключения, состоящий из блока запоминающих устройств, блока сигнум-реле, блока коммутатора, блока самоотключения и генератора импульсов (см., например, Либерзон Л.М., Родов А.Б. Системы экстремального регулирования. - М., Л.: Энергия, 1965, с.126-130), и шаговый двигатель 22, механически соединенный с приводом диафрагмы 14.

Пневматическая часть 23 устройства содержит задатчик давлений, соединенный каналом с внутренней полостью резонатора, контрольно-измерительный прибор и коммутирующие элементы.

Для регистрации, обработки и отображения получаемого изображения интерферограммы помимо видеокамеры 13 используется персональный компьютер 24 и монитор 25.

Известно, что контрастность интерферограммы является функцией коэффициента видности. При этом коэффициент видности определяется из выражения К_вид=(I_max-I_min)/(I_max+I_min), где I_max и I_min - максимальное и минимальное значение освещенности интерференционной картины (см., например, Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. - М.: Мир, 1986, с.29). Поскольку освещенность пропорциональна напряжению, снимаемому со светочувствительного элемента видеокамеры 13, то К_вид=(U_max-U_min)/(U_max+U_min)=(U_max-U_cp)/U_cp, где U_max и U_min - максимальное и минимальное значение напряжения в пределах кадра, а среднее значение напряжения U_ср=(U_max+U_min)/2. Описанная конструкция устройства благодаря диафрагме переменного диаметра, выполненной в виде диска с отверстиями и помещенной в фокусе оптической системы видеокамеры 13, позволяет автоматически подбирать оптимальный контраст регистрируемой интерференционной картины посредством подбора оптимального диаметра диафрагмы по соответствующему ей значению коэффициента видности, вычисляемому для каждого значения диаметра диафрагмы. Типичные диаметры отверстий диафрагм лежат в пределах 5-50 мкм, а коэффициент видности является объективным мерилом контрастности полученного изображения.

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем. Сначала в цилиндрическом резонаторе 12 возбуждаются собственные колебания на основном тоне в режиме автогенерации, контролируя при этом значение выходного сигнала возбуждения, его частоту и форму с помощью соответствующих электронных приборов электрической части 15. Затем резонатор освещается лазерным излучением предметного тракта, сформированного из луча лазера 1, отраженного от делителя света 2, и прошедшего через коллиматор 6, диффузное стекло 8 и полупрозрачное зеркало 9. Диффузное стекло 8 предназначено для создания спекловой структуры освещения зеркальной поверхности цилиндрического резонатора. Полученный таким образом параллельный пучок света поступает на коническое кольцевое зеркало подсветки 10 и затем на поверхность цилиндрического резонатора, освещая полностью всю его поверхность в диапазоне 360°. Далее отраженный от поверхности резонатора 12 свет возвращается вновь на коническое зеркало 10, которое имеет угол при вершине конуса 90°, и направляет его с тем же самым световым диаметром на полупрозрачное зеркало 9 и далее на поверхность светочувствительного элемента видеокамеры 13. Сюда же поступает световой пучок опорного тракта, сформированный с помощью оптических элементов 3, 5, 7 и 4.

В результате взаимодействия опорной световой волны со световым распределением изображения поверхности резонатора, отображаемом в зеркале 10, на поверхности светочувствительного элемента видеокамеры формируется интерферограмма механических колебаний поверхности исследуемого резонатора. Эта интерферограмма несет в себе информацию о распределении амплитуд и фаз, узлов и пучностей форм собственных колебаний поверхности резонатора и представляется совокупностью интерференционных полос.

Интерферограмма на поверхности светочувствительного элемента видеокамеры существует в виде электрического потенциального рельефа. Этот рельеф считывается, преобразуется в электрические сигналы, которые обрабатываются с помощью персонального компьютера 24 и отображаются на экране монитора 25. Электрические сигналы также обрабатываются при помощи пикового вольтметра 16 и вольтметра среднего значения 17. Полученные таким образом максимальное U_max и среднее U_cp значения напряжения выходного сигнала в пределах одного кадра обрабатываются при помощи инвертора 18, сумматора 19 и делителя 20, получая таким образом коэффициент видности К_вид=(U_max-U_cp)/U_cp. Полученное значение поступает на вход экстремального регулятора 21, где заносится в блок запоминающих устройств, состоящий из двух ячеек памяти для хранения текущего и максимального значения, обнуленных в начальный момет времени, сравнивается с выбранным ранее максимальным значением, максимальное из них сохраняется в ячейке для хранения максимального значение, и в зависимости от результата сравнения передается положительный или отрицательный управляющий сигнал на генератор импульсов, который управляет вращением шагового двигателя 22, вращающего диск с отверстиями 14 на одну позицию по или против часовой стрелки. Центры отверстий в диске 14 расположены в вершинах правильного многоугольника, так что заранее рассчитанное количество управляющих импульсов генератора заставляет шаговый двигатель 22 поместить следующее отверстие на место текущего. После достижения системой максимума устройство самоотключения останавливает процесс. Таким образом, изменяя направление вращения диска с отверстиями 14, подбирается оптимальное значение из набора первоначально сделанных в диске отверстий.

Изменение давления от минимального до максимального значения в рабочем диапазоне будет создавать интерференционную картину с неизменным положением узлов и пучностей, но с переменным числом интерференционных полос, что свидетельствует о нормальной работе резонатора и, следовательно, о его годности.

Искажение форм собственных колебаний основного тона проявляется в отсутствии узлов или в искривлении интерференционных полос. Это обусловлено неравномерностью толщины стенки резонатора в окружном и осевом направлениях, а также дефектами типа вмятин, царапин и т.п., что свидетельствует о некачественном изготовлении резонатора.

Разработка устройства для определения годности цилиндрических резонаторов находится на стадии опытно-конструкторских работ, по завершении которых устройство будет использовано для автоматизации процесса разбраковки резонаторов, являющихся чувствительными элементами частотных датчиков давления, в условиях как опытного, так и серийного производства.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для метрологического обеспечения технологии изготовления цилиндрических резонаторов для частотных датчиков давления. Техническим результатом является получение наиболее полной и объективной картины интерферограммы для ее последующей обработки. Устройство для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления содержит источник оптического когерентного излучения, оптически связанные между собой опорный и предметный тракты с формирователями света, коническое кольцевое зеркало подсветки, узел закрепления резонатора, оптическую систему формирования картины интерференции и систему технического зрения, состоящую из видеокамеры и устройства отображения интерферограммы. При этом в нем в оптическую систему видеокамеры в фокусе последней включена регулируемая диафрагма и приводной шаговый двигатель, а видеовыход видеокамеры соединен с пиковым вольтметром и вольтметром среднего значения, выход которого соединен через инвертор с первым входом сумматора, ко второму входу которого присоединен выход пикового вольтметра. При этом выход сумматора подключен к первому входу делителя, второй вход которого соединен с выходом вольтметра среднего значения, а выход - с экстремальным регулятором с запоминанием и устройством самовыключения, подключенного выходом к шаговому двигателю. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления, содержащее источник оптического когерентного излучения, оптически связанные между собой опорный и предметный тракты с формирователями света, коническое кольцевое зеркало подсветки, узел закрепления резонатора, оптическую систему формирования картины интерференции и систему технического зрения, состоящую из видеокамеры и устройства отображения интерферограммы, отличающееся тем, что в нем в оптическую систему видеокамеры в фокусе последней включена регулируемая диафрагма и приводной шаговый двигатель, а видеовыход видеокамеры соединен с пиковым вольтметром и вольтметром среднего значения, выход которого соединен через инвертор с первым входом сумматора, ко второму входу которого присоединен выход пикового вольтметра, при этом выход сумматора подключен к первому входу делителя, второй вход которого соединен с выходом вольтметра среднего значения, а выход - с экстремальным регулятором с запоминанием и устройством самовыключения, подключенного выходом к шаговому двигателю.2. Устройство для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления по п.1, отличающееся тем, что регулируемая диафрагма выполнена в виде диска с отверстиями различного диаметра, расположенными по окружности.