УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2009 года по МПК G01B11/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для бесконтактного автоматического измерения или контроля размеров объектов, техническим результатом использования изобретения является повышение точности измерений в условиях фоновой засветки.

В настоящее время для бесконтактного контроля координат и размеров объектов используется ряд оптоэлектронных полупроводниковых координаточувствительных приборов - приборы с зарядовой связью (ПЗС), фотодиодные линейки (ФДЛ), сплошные и дискретные сканисторные структуры (сканисторы и мультисканы). Высокая точность измерений при использовании данных приборов может быть обеспечена только при отсутствии световых помех.

Известно устройство для контроля геометрических размеров объектов, содержащее источник светового излучения, сканисторную структуру (сканистор), источник напряжения смещения, генератор развертывающего напряжения, соединенный с выводами делительной шины, и блок выделения и обработки видеосигнала, подключенный к выходной шине сканисторной структуры [АС СССР №938018, МКИ G01В 21/00, Бесконтактный измеритель геометрических размеров и линейных перемещений изделий/ Госьков П.И., Галиулин P.M., Цедик А.В. и др. или Госьков П.И. Метрология и технология полупроводниковых сканисторов. Томск. Изд-во Томского гос. университета, 1977, с.107]. Размер в нем определяется по длительности видеосигнала, соответствующей размеру световой проекции изображения контролируемого объекта на сканисторе.

Однако данное устройство не обеспечивает высокой точности контроля из-за нелинейности развертывающего напряжения, изменения температуры и фоновых засветок.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для определения положения светового пятна, содержащее источник светового излучения, оптически связанный с ним фотоприемник мультискан, имеющий делительную и выходную шины, два последовательно включенных источника смещения, блок преобразования выходного тока мультискана, включающий последовательно соединенные преобразователь «ток-напряжение», высокочастотный фильтр и интегратор, а также модулятор [патент RU №2097691 C1, G01B 21/00, Устройство для определения положения светового пятна / Подласкин Б.Г., Токранова Н.А., Чеботарев К.Е., Чекулаев Е.А.].

Принцип работы данного устройства основан на интегрировании выходного тока мультискана и формировании интегратором напряжения управления положением нулевой эквипотенциали, соответствующего в установившемся состоянии линейной координате центра светового пятна на фоточувствительной поверхности. Элементами структуры мультискана являются ячейки из пар встречно включенных фотодиодов, направление формируемого фототока при освещении которых зависит от полярности приложенного к ячейке напряжения от резистивного делителя. Выходной ток мультискана представляет собой разность фототоков, формируемых освещенными фотодиодными ячейками по одну и другую стороны от положения нулевой эквипотенциали (фотоячейки, которая находится под нулевым напряжением и не формирует фототока). При смещении светового пятна относительно положения нулевой эквипотенциали в ту или другую сторону возникает разностный фототок отрицательной или положительной полярности, который подается на вход интегратора. Изменяющееся выходное напряжение интегратора перемещает положение нулевой эквипотенциали до момента равенства фототоков освещенных ячеек по обе ее стороны. Установившееся выходное напряжение интегратора u_x определяет координату x_с светового пятна относительно середины фоточувствительной поверхности:

где L - длина фоточувствительной поверхности мультискана; Е₀ - напряжение источников смещения делительной шины.

Устройство обеспечивает более высокую точность и сохранение высокой точности измерений координаты центра одиночного светового пятна при воздействии фоновых световых помех за счет применения амплитудно-модулированного светового сигнала и фильтрации выходного тока фотоприемника на частоте модуляции.

Недостатком устройства является невозможность измерения координат более одной световой зоны, а также невозможность измерения размера (длины) светового пятна.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности устройства для измерения размеров объектов и ее сохранение при работе устройства в условиях фоновых световых помех.

Задача решается тем, что устройство, содержащее источник светового излучения, оптически связанный с ним фотоприемник мультискан, имеющий делительную и выходную шины, два последовательно включенных источника смещения, блок преобразования выходного тока мультискана, включающий последовательно соединенные преобразователь «ток-напряжение», высокочастотный фильтр, детектор и интегратор, а также модулятор, отдельными выводами источники смещения соединены с выводами делительной шины, вход преобразователя «ток-напряжение» соединен с выходной шиной мультискана, выход интегратора соединен с общим выводом источников смещения, дополнительно снабжено вторым источником светового излучения, оптически связанным с фотоприемником, аналого-цифровым преобразователем, вычислительно-управляющим устройством и коммутатором, выход модулятора соединен с сигнальным входом коммутатора, первый и второй выходы коммутатора соединены с первым и вторым источниками светового излучения, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом интегратора, а его выход - с входом вычислительно-управляющего устройства, выход последнего соединен с входом управления коммутатора.

На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства для измерения размеров объектов.

На фиг.2 изображена схема, поясняющая процесс вычисления размера контролируемого объекта.

Устройство содержит источники модулированного излучения 1, 2, питающий их модулятор 3 и коммутатор 4, осуществляющий попеременное включение источников излучения для отображения кромок измеряемого объекта 5 на фоточувствительной поверхности мультискана 6. Делительная шина 7 мультискана подключена к последовательно соединенным источникам смещения 8, 9 и обеспечивает продольно распределенное напряжение смещения фотоячеек, а выходная шина 10 мультискана соединена с входом преобразователя «ток-напряжение» 11, выход которого соединен с входом полосового фильтра 12, выход последнего соединен с сигнальным входом синхронного детектора 13, а вход синхронизации детектора подсоединен к модулятору 3. Выход синхронного детектора соединен с входом интегратора 14, выход интегратора соединен с общим выводом источников смещения 8, 9 и входом аналого-цифрового преобразователя 15, цифровой выход и вход управления которого соединены соответственно с цифровым входом и первым выходом управления вычислительно-управляющего устройства 16. Второй выход управления вычислительно-управляющего устройства подключен к входу управления коммутатора 4, сигнальный вход которого соединен с выходом модулятора 3. Устройство 17 обеспечивает индикацию и регистрацию результатов измерений.

Устройство работает следующим образом.

Источники модулированного излучения 1, 2, запитанные от модулятора 3 и управляемые коммутатором 4, попеременно освещают кромки измеряемого объекта 5, при этом на фоточувствительную поверхность мультискана 6 попеременно проецируются две световые зоны, размеры и координаты центров которых однозначно зависят от положения краев и размера измеряемого объекта. Последовательно соединенные источники смещения 8, 9, подключенные к резистивной делительной шине 7, обеспечивают продольно распределенное напряжение смещения фотоячеек мультискана. Потенциал общей точки источников смещения 8, 9 определяет линейное положение нулевой эквипотенциали на фоточувствительной поверхности. При нулевом потенциале общей точки источников смещения 8, 9 с равным напряжением эквипотенциаль занимает положение посередине фоточувствительной поверхности (например, при первоначальном включении и независимо от освещенности).

При появлении на фоточувствительной поверхности мультискана световой зоны в выходную шину 10 формируется пульсирующий с частотой модуляции выходной ток, полярность которого определяется положением центра световой зоны относительно положения эквипотенциали, а амплитуда - разностью фототоков ячеек, расположенных по обе ее стороны.

Преобразователь «ток-напряжение» 11 преобразует выходной ток в напряжение и усиливает, полосовой фильтр 12 отфильтровывает его на частоте модуляции от постоянной составляющей напряжения, обусловленной фоновыми засветками, а синхронный детектор 13 детектирует. Напряжение с выхода детектора 13 в требуемой для обеспечения отрицательной обратной связи полярности подается на вход интегратора 14. Напряжение на выходе интегратора изменяется до тех пор, пока линейное положение эквипотенциали не совпадет с центром световой зоны на фоточувствительной поверхности, при этом составляющая с частотой модуляции выходного тока мультискана и напряжение на выходе детектора устанавливаются равными нулю. Изменение положения (или длины) световой зоны (или переключение источников модулированного излучения с одного на другой) вызовет изменение напряжение на выходе интегратора до значения, соответствующего изменившейся координате центра световой зоны.

Аналого-цифровой преобразователь 15 преобразует выходное напряжение интегратора, соответствующего координате центра каждой из световых зон, в цифровой код и передает в вычислительно-управляющее устройство 16, которое формирует сигналы управления коммутатором 4 источников излучения 1, 2, аналого-цифровым преобразователем 15 и производит вычисление размера объекта. Частота коммутации источников излучения и опроса аналого-цифровых преобразователей определяется исходя из времени переходного процесса установления положения эквипотенциали.

Определение размера объекта поясняется фиг.2, на которой D - измеряемый диаметр; X₁, X₂ и Х₃, Х₄ - координаты границ световых зон от первого и второго источников излучения соответственно; Y₁, Y₂ - координаты центров световых зон от первого и второго источников излучения соответственно; L - длина фоточувствительной поверхности мультискана. При неизменном (стационарном) положении источников излучения относительно фотоприемника координаты X₁ и Х₄ постоянны.

Координаты границ световых зон, их центров и измеряемый диаметр связаны следующими соотношениями:

D=Х₃-Х₂,

Y₁=(X₁+Х₂)/2 или X₂=2Y₁-X₁,

Y₂=(Х₃+Х₄)/2 или Х₃=2Y₂-Х₄,

D=X₃-X₂=2(Y₂-Y₁)-(X₄-X₁).

При измеряемых непосредственно координатах Y₁, Y₂ неизвестная постоянная величина (Х₄-X₁) предварительно определяется и запоминается в вычислительно-управляющем устройстве 16 при измерении эталонного объекта с известным диаметром D_эт:

(X₄-X₁)=2(Y₂-Y₁)-D_эт.

Устройство для контроля геометрических размеров объектов содержит источник светового излучения, оптически связанный с ним фотоприемник мультискан, имеющий делительную и выходную шины, два последовательно включенных источника смещения, блок преобразования выходного тока мультискана, включающий последовательно соединенные преобразователь «ток-напряжение», высокочастотный фильтр, детектор и интегратор, а также модулятор, отдельными выводами источники смещения соединены с выводами делительной шины, вход преобразователя «ток-напряжение» соединен с выходной шиной мультискана, выход интегратора соединен с общим выводом источников смещения. Устройство дополнительно снабжено вторым источником светового излучения, оптически связанным с фотоприемником, аналогово-цифровым преобразователем, вычислительно-управляющим устройством и коммутатором. Выход модулятора соединен с сигнальным входом коммутатора, первый и второй выходы коммутатора соединены с первым и вторым источниками светового излучения. Вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом интегратора, а его выход - с входом вычислительно-управляющего устройства, выход последнего соединен с входами управления коммутатора и аналого-цифрового преобразователя. Технический результат - повышение точности устройства для измерения размеров объектов и ее сохранение при работе устройства в условиях фоновых световых помех. 2 ил.

Устройство для контроля геометрических размеров объектов, содержащее источник светового излучения, оптически связанный с ним фотоприемник мультискан, имеющий делительную и выходную шины, два последовательно включенных источника смещения, блок преобразования выходного тока мультискана, включающий последовательно соединенные преобразователь «ток-напряжение», высокочастотный фильтр, детектор и интегратор, а также модулятор, отдельными выводами источники смещения соединены с выводами делительной шины, вход преобразователя «ток-напряжение» соединен с выходной шиной мультискана, выход интегратора соединен с общим выводом источников смещения, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено вторым источником светового излучения, оптически связанным с фотоприемником, аналогово-цифровым преобразователем, вычислительно-управляющим устройством и коммутатором, выход модулятора соединен с сигнальным входом коммутатора, первый и второй выходы коммутатора соединены с первым и вторым источниками светового излучения, вход аналогово-цифрового преобразователя соединен с выходом интегратора, а его выход - с входом вычислительно-управляющего устройства, выход последнего соединен с входами управления коммутатора и аналогово-цифрового преобразователя.