УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА Российский патент 2019 года по МПК G01B11/26 

Предлагаемое изобретение относится к области технологии проведения монтажа роторных или иных машин и предназначено для измерения относительного положения осей валов (при проведении т.н. центровочных работ).

Известно устройство (так называемое приспособление для центровки,-ПЦ) для проведения центровочных работ, заключающийся в измерении относительного положения валов (угловой и радиальной расцентровок) при помощи двух индикаторов часового типа, - метод обратных индикаторов, и расчета величин расцентровок и толщин корректировочных пластин по соответствующим формулам. При этом информативным параметром служат радиальные перемещения штоков индикаторов, считываемые визуально. (Галеев А.С., Сулейманов Р.Н., Рязанцев А.В., Филимонов О.В. Вибродиагностика насосных агрегатов: справочное пособие. - Уфа: изд-во УГНТУ, 1997. - 135 с.).

Недостатком устройства является необходимость «ручного» ввода показаний индикаторов в вычислительное устройство (калькулятор), что сопряжено с ошибками и ограничивает область применения системы.

Известно устройство для измерения положения лазерного пятна (Патент РФ 2640314, Бюл. №36, 2017 г.), состоящее из линейной светочувствительной матрицы, ряда оптически прозрачных прилегающих к друг другу цилиндров, располагающихся параллельно указанной матрице, обеспечивающих разворот луча в линию, перпендикулярную матрице, при этом длина цилиндров l не меньше высоты матрицы h (l≥h), а расстояние между ними r и светочувствительной матрицей зависит от радиуса R цилиндров r≤10⋅R.

Недостаток данного устройства заключается в том, что в результате световой поток оказывается «размазанным» по всей длине линии, что ведет к ухудшению соотношения «свет лазера/свет от сторонних источников света», и, следовательно, к необходимости увеличения исходной мощности лазера. Последнее нежелательно, так как возрастает токопотребление аккумуляторов и, соответственно, сокращается ресурс работы прибора в автономном режиме. Кроме того, наличие отдельных светорассеивающих (разворачивающих в линию) цилиндров ведет к нестабильности показаний на разных участках по длине матрицы.

Задачей изобретения является повышение надежности определения положения лазерного пятна линейной матрицей без повышения мощности излучения лазера и расширение области его применения.

Указанная задача решается тем, что заявляется приемное устройство для измерения положения лазерного луча линейной светочувствительной матрицей в плоскости матрицы, состоящее из линейной светочувствительной матрицы и оптической системы, располагающейся параллельно указанной матрице, обеспечивающей развертку луча в горизонтальную линию. Согласно изобретению оптическая система представляет собой оптически прозрачную собирающую полуцилиндрическую линзу, обеспечивающую фокусировку лазерного луча на светочувствительной матрице, при этом длина цилиндров не меньше высоты матрицы h ( ≥ h).

Причем, расстояние r между оптическим центром О полуцилиндрической линзы и светочувствительной матрицей удовлетворяет следующему условию: r = ƒ±z = R /(n-1)±z,

где ƒ - фокусное расстояние полуцилиндрической линзы,

R - радиус полуцилиндрической линзы оптической системы,

n - коэффициент преломления оптически прозрачного вещества, из которого изготовлена полуцилиндрическая линза,

z - глубина фокуса (Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учеб. пособие: Для вузов. В 5 т. 2-е изд., стереот. - М: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ. 2002. - 784 с.).

В заявляемом устройстве развертка луча в горизонтальную линию производится отдельной оптической системой, входящей в компоновку приемного устройства (линейной матрицы) и представляющей собой полуцилиндрическую собирающую линзу.

На фиг. 1 представлено устройство для измерения положения лазерного луча, на фиг. 2 показан ход лучей, падающих на полуцилиндрическую собирающую линзу.

Устройство для измерения положения лазерного луча содержит светочувствительную матрицу 1, собирающую линзу 2, представляющую собой оптически прозрачный полуцилиндр.

На фиг. 1 показан узконаправленный луч 3, сфокусированный луч 4.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 2). Сформированный в лазерном источнике узконаправленный луч 3 падает перпендикулярно на оптически прозрачный полуцилиндр 2, фокусирующий луч 4 на линейной светочувствительной матрице.

Благодаря этому световой поток, падающий на матрицу, распределяется в фокусе линзы F в пятне диаметром d:

d=1.27*ƒ*λ/D,

где λ - длина волны лазерного излучения,

D - диаметр лазерного луча 3,

что дает распределение мощности луча по существенно меньшей площади s=π*d²/4 (Качмарек Ф. Введение в физику лазеров. Пер. с польск. / Перевод В.Д. Новикова. Под ред. и с предисл. М.Ф. Бухенского. - М.: Мир, 1980. - 540 с.)

При этом освещенность р (мощность на единицу площади) матрицы обратно пропорциональна площади рассеяния и равна: р=P*S/s=P*(D/d)²,

где Р и S - соответственно, мощность и площадь луча 3,

что достаточно для конкурирования с естественным освещением даже для лазеров мощностью менее 0.5 мВт.

Изобретение относится к области технологии проведения монтажа роторных или иных машин и предназначено для измерения относительного положения осей валов. Приемное устройство для измерения положения лазерного луча линейной светочувствительной матрицей в плоскости матрицы, состоящее из линейной светочувствительной матрицы и оптической системы, располагающейся параллельно указанной матрице, обеспечивающей развертку луча в горизонтальную линию. При этом оптическая система представляет собой оптически прозрачную собирающую полуцилиндрическую линзу, обеспечивающую фокусировку лазерного луча на светочувствительной матрице, при этом длина полуцилиндра не меньше высоты матрицы h ( ≥ h), а расстояние r между оптическим центром полуцилиндрической линзы и светочувствительной матрицей удовлетворяет следующему условию: r= ƒ±z = R /(n-1)±z, где ƒ - фокусное расстояние полуцилиндрической линзы, R - радиус полуцилиндрической линзы, n - коэффициент преломления оптически прозрачного вещества, из которого изготовлена полуцилиндрическая линза, z - глубина фокуса. Технический результат - повышение надежности определения положения лазерного пятна линейной матрицей без повышения мощности излучения лазера и расширение области его применения. 2 ил.

Приемное устройство для измерения положения лазерного луча линейной светочувствительной матрицей в плоскости матрицы, состоящее из линейной светочувствительной матрицы и оптической системы, располагающейся параллельно указанной матрице, обеспечивающей развертку луча в горизонтальную линию, отличающееся тем, что оптическая система представляет собой оптически прозрачную собирающую полуцилиндрическую линзу, обеспечивающую фокусировку лазерного луча на светочувствительной матрице, при этом длина полуцилиндра не меньше высоты матрицы h ( ≥ h), а расстояние r между оптическим центром полуцилиндрической линзы и светочувствительной матрицей удовлетворяет следующему условию:

r= ƒ±z = R /(n-1)±z, где ƒ - фокусное расстояние полуцилиндрической линзы, R - радиус полуцилиндрической линзы, n - коэффициент преломления оптически прозрачного вещества, из которого изготовлена полуцилиндрическая линза, z - глубина фокуса.