ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК H05G1/00 

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

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным 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 объективом.

Недостаток изобретения - невозможность измерения величины дефектов на поверхности объекта из-за отсутствия соответствующих измерительных шкал.

Цель изобретения - устранение этого недостатка.

Для этого в лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус, в котором расположены телекамера, состоящая из панкратического объектива, ПЗС-матрицы и видеомонитора, оптическая ось которой параллельна оптической оси рентгеновсково излучателя, первое зеркало из оргстекла, установленное на пересечении осей рентгеновского пучка и объектива телекамеры перпендикулярно образованной ими плоскости, два микролазера, установленные симметрично и параллельно оптической оси объектива телекамеры на фиксированном расстоянии друг от друга, формирующие с помощью первого зеркала на объекте изображения лазерных пятен с постоянным расстоянием между ними, не зависящим от расстояния до объекта от рентгеновского излучателя, второе зеркало, выполненное полупрозрачным и установленное на оси объектива телекамеры, между ним и ПЗС-матрицей, диафрагма с отверстиями, первый источник света для ее подсветки, микрообъектив для проектирования отверстий диафрагмы, играющих роль реперных меток, на ПЗС-матрицу, механизм изменения фокусного расстояния панкратического объектива телекамеры с измерительной шкалой, отградуированной непосредственно в значениях расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, с которой считывают значение этого расстояния в момент равенства расстояний между изображениями лазерных пятен и реперными метками, дополнительно введены третье зеркало, выполненное полупрозрачным и расположенное на оптической оси объектива телекамеры между ним и первым зеркалом, второй объектив, оптическая ось которого совпадает с осью, проведенной через точку пересечения третьего зеркала с оптической осью объектива телекамеры перпендикулярно к этой оси, вторая измерительная шкала для измерения размеров дефектов в плоскости объекта, расположенная в фокальной плоскости второго объектива с возможностью вращения относительно его оптической оси, второй источник света для подсветки этой шкалы, причем цена деления второй измерительной шкалы в плоскости объекта определяется выражением , где Со - цена деления второй измерительной шкалы, f'₂ - фокусное расстояние второго объектива, F - текущее значение расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, - константа, на шкале механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива телекамеры нанесены значения цены деления второй измерительной шкалы в плоскости объекта, соответствующие различным расстояниям F, а размер дефекта в плоскости объекта определяется выражением D=С_F·N, где N - число деления второй измерительной шкалы, приходящееся на изображение дефекта, С_F - цена деления этой шкалы.

Изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором показана общая схема устройства (а), вид экрана видеомонитора (б) и расчетная схема выбора основных геометрических параметров (фиг.2).

Устройство содержит рентгеновский излучатель 1, на котором крепится корпус, в котором располагаются телекамера с панкратическим объективом 4, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два микролазера 3, 8, расположенных симметрично относительно оптической оси объектива на расстоянии В друг от друга и параллельно оси объектива, первое зеркало из оргстекла 2, установленное на пересечении осей симметрично рентгеновскому пучку и оптической оси панкратического объектива и направляющее на объект лучи микролазеров 3 и 8 для создания на нем дальномерной базы в виде двух светящихся точек, расстояние между которыми на объективе не меняется при изменениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом, второе зеркало 5, выполненное полупрозрачным и установленное на оптической оси панкратического объектива между ним и ПЗС-матрицей 6 телекамеры, с помощью которого в ее плоскостях строится с помощью оптической системы, состоящей из источника света, диафрагмы 10 с отверстиями и микрообъектива 9, изображения реперных меток, расположенных на расстоянии С друг от друга и наблюдаемых на экране видеомонитора 7 одновременно с изображениями светящихся лазерных точек на объекте, расстояние между которыми (В'), пропорциональное расстоянию между рентгеновским излучателем и объектом, поддерживается постоянным и равным расстоянию (С) между метками с помощью механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива, отсчет по шкале которого в момент равенства величины В'=С непосредственно определяет текущее значение расстояния между рентгеновским излучателем и объектом.

На оптической оси объектива 4 между ним и первым зеркалом 2 под углом 45° к этой оси установлено третье зеркало 12, выполненное полупрозрачным. На оси, проходящей через точку пересечения оптической оси объектива 4 с третьим зеркалом 12 перпендикулярно к оси объектива 4 расположены последовательно третий объектив 13, вторая измерительная шкала 14 и второй источник света для ее подсветки. Второе измерительное направление шкалы 14 установлено с возможностью ее вращения относительно оптической оси объектива 13 для оценки размеров дефектов в различных направлениях.

На шкале 17 механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива 4 нанесены значения цены деления второй измерительной шкалы 14 в плоскости объекта, соответствующие различным расстояниям F от объекта до рентгеновского излучателя (фиг.2).

На фиг.1(б) представлен вид экрана при измерении расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, а на фиг.1(в) - вид экрана при измерении размера дефектов в плоскости объекта.

Устройство работает следующим образом.

Оператор направляет на объект центратор и наблюдает на видеомониторе одновременно изображения светящихся лазерных точек на объекте и двух реперных меток. При несовпадении расстояний между метками и изображениями лазерных точек с помощью механизма изменения фокусного расстояния объектива добиваются их равенства и в момент С=B' отсчитывают соответствующее значение расстояния между излучателем и объектом по шкале, связанной с механизмом изменения фокусного расстояния панкратического объектива.

При этом второй источник света 15 может быть выключен.

Затем оператор включает второй источник света 15 и отключает первый источник света 11, а также источники питания микролазеров 3 и 8, чтобы на экране не было изображений, затрудняющих выполнение операций по измерению размеров дефектов в плоскости объекта 16. Подсчитывая число делений N изображения шкалы 14 на экране видеомонитора и умножая его на цену деления этой шкалы для данного значения расстояния F от объекта до рентгеновского излучателя, зафиксированного на шкале механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива 4, оценивают размер дефекта по формуле L=C·N. В случае необходимости измерения проводят для различных направлений по изображению дефекта, вращая шкалу 14.

Отметим, что измерения размеров дефектов на поверхности объекта могут быть выполнены при любом значении фокусного расстоянии панкратического объектива 4, однако при этом цена деления шкалы 14 в пространстве объектов С_F остается постоянной, соответствующей значению расстояния F от объекта до рентгеновского излучателя, определенного при выполнении процедуры измерения этого расстояния на первом этапе работы с центратором.

Это помогает при оценке размеров дефектов, особенно сложной формы, когда анализ их изображений может потребовать значения фокусного расстояния панкратического объектива 4 и соответственно масштабах этих изображений, зафиксированного при измерении расстояния от объекта до рентгеновского излучателя.

На фиг.2 приведена расчетная схема для оценки цены деления второй измерительной шкалы в плоскости объекта.

Поскольку расстояние от объекта до рентгеновского излучателя на практике существенно превышает даже минимальное значение фокусного расстояния f'₁, панкратического объектива 4, т.е. F>>f'₁, то объектив 4 работает в режиме фокусировки на бесконечно удаленный объект. Например, для характерных значений F_min≥3000 мм, f'_max≤100 мм, имеем F_min≥30 f'₁, что принято считать "началом бесконечности" [2].

Вторая измерительная шкала с ценой деления Со размещена в фокальной плоскости объектива 13, поэтому на его выходе формируются параллельные пучки света и для объектива 4 они также представляют объект, удаленный в бесконечность.

Величина изображения делений второй измерительной шкалы в фокальной плоскости объектива 4

Величина же этих изображений в плоскости объекта в обратном ходе лучей для объектива 4 будет равна , где F - расстояние от объекта до рентгеновского излучателя.

Подставляя значение C'_о, получим окончательно

, где А - константа.

Единица измерения С_F зависит от выбора единиц измерения расстояния F и величины константы A. Если F измерена в метрах (м), то и C_F будет в метрах (м).

В пилотном образце центратора было принято Со=0,1 мм, f₂=100 мм, А=0,001.

Тогда при F=F_max=5 м, C_F=0,005 м = 5 мм.

Такая точность измерения дефектов типа пробоин, вмятин, разрывов вполне достаточно для оценки степени поврежденности крупногабаритных объектов авиакосмической техники.

F=F_min=2 м, C_F=0,002 м = 2 мм.

На шкале механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива 4, отградуированной непосредственно в значениях расстояний от объекта до рентгеновского излучателя F, в качестве единиц измерения приняты метры (м).

Для удобства работы оператора значения цены деления C_F в плоскости объекта приведены в миллиметрах (мм), которые при численно равны значениям F, приведенным в метрах.

Таким образом, если по шкале расстояний механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива 4, отградуированной непосредственно в расстояниях F от объекта до рентгеновского излучателя, снят отсчет, например F=3,0 м, то значение C_F при этом составляет C_F=3,0 мм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент на изобретение от 20.05.2005 г. Лазерный центратор для рентгеновского излучателя. Патентообладатель в/ч 75560. Авторы: Кеткович А.А., Маклашевский В.Я.

2. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под ред. В.А.Панова, 5-е изд. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд. 1980, - 742 с.

Использование: для ориентации рентгеновского излучателя по отношению к объекту. Сущность заключается в том, что дополнительно введены третье зеркало, выполненное полупрозрачным и расположенное на оптической оси объектива телекамеры между ним и первым зеркалом, второй объектив, оптическая ось которого совпадает с осью, проведенной через точку пересечения третьего зеркала с оптической осью панкратического объектива телекамеры перпендикулярно к этой оси, вторая измерительная шкала для измерения размеров дефектов в плоскости объекта, расположенная в фокальной плоскости второго объектива с возможностью вращения относительно его оптической оси, второй источник света для подсветки этой шкалы. Технический результат: измерение величины дефектов на поверхности объекта. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус, в котором расположены телекамера, состоящая из панкратического объектива, ПЗС-матрицы и видеомонитора, оптическая ось которой параллельна оптической оси рентгеновского излучателя, первое зеркало из оргстекла, установленное на пересечении осей рентгеновского пучка и объектива телекамеры перпендикулярно образованной ими плоскости, два микролазера, установленные симметрично и параллельно оптической оси панкратического объектива телекамеры на фиксированном расстоянии друг от друга, формирующие с помощью первого зеркала на объекте изображения лазерных пятен с постоянным расстоянием между ними, не зависящим от расстояния до объекта от рентгеновского излучателя, второе зеркало, выполненное полупрозрачным и установленное на оси панкратического объектива телекамеры между ним и ПЗС-матрицей, с помощью второго зеркала и оптической системы, состоящей из диафрагмы с отверстиями, первого источника света для ее подсветки, микрообъектива для проектирования отверстий диафрагмы, в плоскости ПЗС-матрицы строится изображение реперных меток, механизм изменения фокусного расстояния панкратического объектива телекамеры с измерительной шкалой, отградуированной непосредственно в расстояниях от объекта до рентгеновского излучателя, с которой считывают значение этого расстояния в момент равенства расстояний между изображениями лазерных пятен и реперными метками, отличающийся тем, что в него дополнительно введены третье зеркало, выполненное полупрозрачным и расположенное на оптической оси объектива телекамеры между ним и первым зеркалом, второй объектив, оптическая ось которого совпадает с осью, проведенной через точку пересечения третьего зеркала с оптической осью панкратического объектива телекамеры перпендикулярно к этой оси, вторая измерительная шкала для измерения размеров дефектов в плоскости объекта, расположенная в фокальной плоскости второго объектива с возможностью вращения относительно его оптической оси, второй источник света для подсветки этой шкалы, причем цена деления второй измерительной шкалы в плоскости объекта определяется выражением где С₀ - цена деления второй измерительной шкалы, f'₂ - фокусное расстояние второго объектива, F - текущее значение расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, - константа, на шкале механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива телекамеры нанесены значения цены деления второй измерительной шкалы в плоскости объекта, соответствующие различным расстояниям F, а размер дефекта в плоскости объекта определяется выражением D=C_F·N, где N - число деления второй измерительной шкалы, приходящееся на изображение дефекта, С_F - цена деления этой шкалы.2. Лазерный центратор по п.1, отличающийся тем, что значение константы А принято равным А=1/1000, при котором цена деления второй измерительной шкалы в плоскости объекта, выраженное в миллиметрах, численно равно расстоянию от объекта до рентгеновского излучателя, выраженному в метрах.3. Лазерный центратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что вторая измерительная шкала установлена в фокальной плоскости второго объектива с возможностью вращения относительно оптической оси этого объектива.