УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЗРАЧНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2013 года по МПК G01B11/02 G01B11/24 G01B11/30 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для бесконтактного оптического измерения физических параметров прозрачных объектов, как-то профиля, толщины стенки.

Известно устройство для бесконтактного оптического измерения размеров объектов (см. патент на изобретение №2262660, МПК G01B 11/02, G01B 21/02, опубл. 20.10.2005 г.), содержащее источник лазерного излучения и фотоприемник, расположенные с противоположных сторон объекта. Размер объекта определяется по размеру тени от него, зафиксированной на приборах с зарядовой связью фотоприемника.

Недостатком данного устройства является то, что устройство позволяет измерять только габаритные размеры объекта, не определяя толщины прозрачных стенок.

В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран оптический способ измерения толщины прозрачных объектов (см. патент на изобретение №2414680, МПК G01B 11/06, опубл. 20.03.2011 г.), который предлагает последовательность действий с инфракрасным излучением, позволяющим провести замер толщины прозрачного объекта измерением увеличения длительности отраженного сигнала по отношению к длительности сигнала лазера, которое обусловлено распространением сигнала в толщине объекта.

Недостатком прототипа является точечный характер измерительного процесса.

Задачей заявляемого изобретения является расширение области применения устройства проведением процесса измерения толщины стенки по всей поверхности объекта за счет механического перемещения блоков формирования измерительной информации в соответствии с профилем измеряемого объекта.

Поставленная задача решена тем, что устройство, содержащее блоки формирования измерительной информации, согласно изобретению шарнирно закреплены на двух осях, предназначенных для отслеживания лазером контура стеклотары, которые, в свою очередь, с двух сторон соединяются с двумя базами направляющих лазера, расположенных в углах платформы вертикального перемещения, управляемой блоком управления платформой вертикального перемещения, вход которого соединен с выходом блока общего управления, два других выхода блока общего управления соединены с входами блоков управления двумя базами, соединенными с осями, кроме того, блок общего управления имеет двухстороннюю связь с блоком выбора и анализа измерительной информации, который также двухсторонне соединен со всеми блоками формирования измерительной информации.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных признаков, состоит в том, что с помощью механической системы, состоящей из платформы вертикального перемещения, четырех баз направляющих лазера, осей, которые попарно соединяют базы направляющих лазера, обеспечивается такое расположение лазера в блоке формирования измерительной информации, что его луч всегда направлен перпендикулярно внешней поверхности объекта, а фокус оптического конденсора располагается внутри стенки объекта. В совокупности с вращением измеряемого объекта вокруг своей оси и движением платформы вертикального перемещения создаются необходимые условия для точного измерения всех физических параметров объекта по всему его профилю любой сложности.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - кинематическая схема устройства для измерения физических параметров прозрачных объектов;

фиг.2 - кинематическая схема базы направляющих лазера;

фиг.3 - схематическое изображение всех возможных положений лазера и оптического конденсора блока формирования измерительной информации;

фиг.4 - блочная схема системы управления устройства для измерения физических параметров прозрачных объектов;

фиг.5 - временные диаграммы функционирования блока формирования измерительной информации.

Устройство содержит платформу вертикального перемещения, которая охватывает измеряемые объекты (изделия стеклотары) (фиг.1). В углах двух длинных сторон платформы вертикального перемещения располагаются базы направляющих лазера, которые соединяются двумя осями, предназначенными для отслеживания лазером контура стеклотары. Указанные оси располагаются с двух сторон измеряемых объектов и содержат блоки формирования измерительной информации на каждой стороне, количество этих блоков равно числу измеряемых объектов. Базы направляющих лазера, расположенные в четырех углах установки (фиг.2) содержат каретки подвижные, которые имеют горизонтальное перемещение относительно каждой базы. Каретки подвижные содержат две пары направляющих для двух осей вертикального перемещения, на которых располагаются шаровые опоры горизонтального перемещения для направляющей лазера. На этих двух опорах устанавливаются две оси, предназначенные для отслеживания лазером контура стеклотары, одновременно соединяющие две базы на длинной стороне платформы. На фиг.3 схематично показаны возможные положения блока формирования измерительной информации для обеспечения направления лазерного луча перпендикулярно поверхности измеряемого объекта и для расположения фокуса оптического конденсора внутри стенки измеряемого объекта. Кроме исполнительной и измерительной частей устройство содержит блок общего управления (фиг.4), выходы которого соединяются с входами двух блоков управления двумя базами, соединенными осями, предназначенными для отслеживания лазером контура стеклотары. Кроме того, выход блока общего управления соединен с входом блока управления платформой вертикального перемещения. Блок общего управления имеет двухстороннюю связь с блоком выбора и анализа измерительной информации, который двухсторонне соединен по управлению с блоками формирования измерительной информации, информационные мультиплексируемые выходы которых соединяются с информационным входом этого блока. Блок формирования измерительной информации содержит полупроводниковый лазер 1, излучение которого, отразившись от зеркала 2, попадает на объект измерения 3. Диффузное отраженное излучение от объекта 3 «собирается» конденсором 4 и фокусируется на чувствительную площадку фотодиода 5. Сигнал с фотодиода через схемы совпадения 6 и 7 соединяется с генератором 8, на другие входы схем совпадения заведены выходы блока управления 9. Выход генератора 8 заведен на вход лазера 1 и через схему совпадения 10 - на счетный вход счетчика 11, на второй вход схемы совпадения и вход установки в «0» счетчика 11 заведены соответствующие выходы блока управления 9. Выход переполнения счетчика 11 соединен с входом «сброса» триггера 12, а его установочный вход соединен с выходом блока управления 9. Единичный выход триггера 12 через схему совпадения 13 управляет подключением к счетному входу счетчика результата 14 выхода генератора стабильной частоты 15. Вход установки в «0» и вход Reverse счетчика результата 14 соединены с выходами блока управления 9. Выход счетчика результата 14 через схему совпадения 16 заведен на информационный вход блока выбора и анализа измерительной информации. Второй вход схемы совпадения 16 соединен с управляющим выходом блока выбора и анализа измерительной информации, а его управляющий вход соединен с выходом блока управления 9, входящего в состав блока формирования измерительной информации.

Устройство работает следующим образом.

После загрузки измеряемых объектов в устройство запускается блок общего управления, который в соответствии заранее заложенной программой запускает блок управления платформой вертикального перемещения и оба блока управления двумя базами, соединенными осями. Движение платформы вертикального перемещения и функционирование попарно соединенных баз направляющих лазера наряду с вращением вокруг своей оси всех объектов измерения приведет к сканированию лазерным лучом каждого объекта измерения с двух сторон в перпендикулярном направлении к поверхности объекта (фиг.1 и фиг.2). Траектория движения двух лазерных лучей по поверхности объекта будет происходить по двум спиралям Архимеда, которые дополняют друг друга, увеличивая тем самым плотность точек измерения на поверхности объекта. Кроме того, описанное выше движение блоков формирования измерительной информации происходит таким образом (фиг.3), что фокус оптического конденсора этого блока постоянно находится в «теле» объекта измерения, чем обеспечивается необходимая точность получаемых данных. Ниже приводится описание функционирования блока формирования измерительной информации (фиг.4), временные диаграммы (фиг.5).

Примененный в этом блоке генератор 8 (фиг.4) обладает способностью увеличивать свой период на величину задержки только одного фронта (нарастания или спада) системы: лазер 1 - излучение - фотодиод 5 - схема совпадения 6 или 7 и снова генератор 8. Выбор измеряемого фронта производится командой блока управления, включая в работу схему совпадения 6 или 7. Если включается схема совпадения 6, то к периоду генератора 8 добавляется время задержки фронта нарастания сигнала с фотодиода, отсчитанное от фронта нарастания сигнала запуска лазера. Если включается схема совпадения 7, то период генератора 8 увеличивается на время задержки фронта спада фотодиода, отсчитанное от фронта спада сигнала запуска лазера. Собственный период генератора выбран 10 МГц, выходной сигнал близок к меандру. В начале работы производится подключение к генератору 8 задержки одного из измеряемых фронтов, т.е. подается разрешающий потенциал только на одну из двух схем совпадения 6 или 7. Устанавливается устойчивый режим генерации в системе: генератор 8 - лазер 1 - излучение - фотодиод 5 - схема совпадения 6 или 7 - генератор 8. Дальнейшая работа всей схемы связана с формированием временного интервала и заполнением его импульсами стабильной частоты с генератора 15. Блок управления обнуляет счетчики 11 и 14, затем устанавливает в «1» триггер 12 и разрешает заполнение счетчика периодов запуска лазера 11. Триггер 12 через схему совпадения 13 разрешает заполнение счетчика результата 14 импульсами с генератора стабильной частоты 15. В этом случае счет производится в прямом направлении. Арифметически это выглядит так:

Т - период собственных колебаний генератора 8,

tz - задержка выбранного фронта колебательной системы,

n - количество периодов колебательной системы,

F - частота сигнала с генератора стабильной частоты 15 (применяется - 100 МГц).

Так как после просчета n периодов счетчик 11 сбрасывает триггер 12 в «0» и прекращает поступление импульсов генератора 15 стандартной частоты на счетчик результата 14, то его состояние равно:

N1=(T+tz)*n*F.

В следующем цикле работы устройства от генератора 8 отключается выход фотодиода 5, следовательно, устанавливается собственный период генератора 8, равный Т. Счетчик результата 14 устанавливается на обратный счет (reverse) и снова формируется временной интервал из n периодов генератора 8. Так как счетчик результата 14 включен на обратный счет, то в конце второго цикла работы устройства его состояние будет:

N2=(Т+tz)*n*F-T*n*F=tz*n*F.

В этом блоке F=10^∧8 Гц, n=10^∧7, тогда n*F=10^∧15, поэтому число на счетчике результата 14 равно задержке фронта, выраженное в фемтосекундах.

Таким же методом измеряется время задержки оптической системы второго фронта. Как показано на фиг.5, разность во времени задержки фронтов нарастания и спада пропорциональна толщине измеряемого объекта. Как только каждое из указанных вычислений выполнено, блок управления 9 (фиг.4) в блоке формирования измерительной информации формирует сигнал в блок выбора и анализа измерительной информации, который формирует сигнал на второй вход схемы совпадения 16, тем самым считывает полученную информацию для ее пересчета в цилиндрические координаты первой и второй поверхностей измеряемого объекта. Скорость распространения излучения в материале измеряемого объекта, то есть коэффициент пропорциональности между временем и пройденным расстоянием внутри материала объекта, определяется заранее измерением калиброванного образца объекта. На основании измерительной информации, после окончания сканирования всего объекта, блок выбора и анализа измерительной информации формирует сигнал годности или негодности каждого из объектов измерения для их сортировки блоком общего управления.

Устройство содержит блоки формирования измерительной информации, шарнирно закрепленные на двух осях, предназначенных для отслеживания лазером контура стеклотары. Оси с двух сторон соединяются с двумя базами направляющих лазера, расположенных в углах платформы вертикального перемещения, управляемой блоком управления платформой вертикального перемещения, вход которого соединен с выходом блока общего управления. Два других выхода блока общего управления соединены с входами блоков управления двумя базами, соединенными с осями. Блок общего управления имеет двухстороннюю связь с блоком выбора и анализа измерительной информации, который также двухсторонне соединен со всеми блоками формирования измерительной информации. Технический результат - расширение области применения устройства проведением процесса измерения толщины стенки по всей поверхности объекта за счет механического перемещения блоков формирования измерительной информации в соответствии с профилем измеряемого объекта. 5 ил.

Устройство для измерения физических параметров прозрачных объектов, содержащее блоки формирования измерительной информации, отличающееся тем, что они шарнирно закреплены на двух осях, предназначенных для отслеживания лазером контура стеклотары, которые, в свою очередь, с двух сторон соединяются с двумя базами направляющих лазера, расположенных в углах платформы вертикального перемещения, управляемой блоком управления платформой вертикального перемещения, вход которого соединен с выходом блока общего управления, два других выхода блока общего управления соединены с входами блоков управления двумя базами, соединенными с осями, кроме того, блок общего управления имеет двухстороннюю связь с блоком выбора и анализа измерительной информации, который также двухсторонне соединен со всеми блоками формирования измерительной информации.