Устройство для измерения диаметра волокна Советский патент 1985 года по МПК G01B21/10 

I. Изобретение относится к измерительь/ой технике и может быть исполь зовано в производстве искусственно. го волокна, кабеля, проволоки. Известно устройство для измерени диаметра волокна, содержащее.излучатель, сканирующую систему, фотоэлемент с усилителем и измеритель длительности импульсов I 1. Недостатком известного устройств является низкая точность измерения из-за погрешности, обусловленной не стабильностью излучателя или чувствительности элементов схемы обработ ки сигнала. . Целью изобретения является повышение точности измерения. Поставленная цель достигается те что устройство для измерения диамет ра волокна, содержащее излучатель, сканирующую систему, фотоэлемент с усилителем и измеритель длитель ности импульсов, снабжено соединенными последовательно амплитудным детектором и делителем напряжения н два, компаратором, инвертирующий вход которого соединен с выходом де лителя. . напряжения на два, неинвертирующий вход -. с выходом усилителя I подключенный к инфо)мационному вход амплитудного детектора, одновибрато ром, вход которого соединен с выходом компаратора и входом измерителя длительности импульсов, выход - с входом сброса амплитудного детекто-. ра, а усилитель выполнен инвертирующим. На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - ди rpai-iMa элементов cxehttj; на фиг.З и 4 - процесс образования импульса на выходе фотоэлемента-. Устройство для измерения диаметр волокна содержит излучатель I, сканирующую систему, состоящую из зеркальной призмы 2, установленной с возможностью вращения, и линзы 3 (сканируется волокно 4 ), линзу 5, фотоэлемент 6 с усилителем 7, соеди ненные последовательно амплитудный детектор 8 и делитель 9 напряжения на два, компаратор 10, инвертирующий вход которого соединен с делителем 9 напряжения на два, неинверт рующий - с выходом усилителя 7, одновибратор 11, выход которого соеди иен с входом сброса амплитудного детектора 8, информационный вход ко торого связан с усилителем 7, изме3 .2 ритель 12 длительности импульса, вход которого и вход одновибратора 1 соединены с выходом компаратора 10. Устройство работает следующим образом. Световой от излучателя 1 развертывается в пределах угла cL за счет вращения зеркальной призмы 2. Луч попадает на линзу 3, которая обеспечивает параллельное его перемемещение. Линза 5 фокусирует перемещающийся луч на фотоэлементе 6. При пересечении лучом волокна 4 (фиг . ) в промежуток времени i - t. (фиг.2) уменьшается световой поток, попадающий на фотоэлемент 6 и соответственно снижается напряжение на его выходе U, , а на выходе усилителя 7 переменного тока, усиливающего и инвертирующего переменную составляющую напряжения с фотоэлемента 6, появляется нарастающее напряжение Uy, образуется передний фронт импульса. Если этот импульс первый после включения устройства . в работу, то в этом случае к моменту t близко к нулю, соответственно на вьгходе делителя 9 напряжения, уменьшающего напряжение амплитудного детектора 8 в два раза, также имеется нулевое напряжение U. Поэтому при появлении напряжения на выходе усилителя 7 в момент tj, срабатывает компаратор 10, так как на инвертирующий его вход в момент t подается нулевое напряжение делителя -9, на неинвертирующий вход компаратора 10 поступает увели 1ивающееся напряжение Uy с выхода усилителя 7. На выходе компаратора появляется импульс и, по переднему фронту которого одновибратор 1 формирует на своем выходе короткий импульс Кдц, подаваемый на вход сброса амплитудного детектора 8. Этот импульс сброса в дальнейшем используется для установки нулевого напряжения на выходе амплитудного детектора 8. Но окончании импульса сброса Удц в момент t напряжение на выходе амплитудного детектора 8 повторяет напряжение на выходе усилителя 7 до максимального (амплитудного) значения (промежуток времени ) соответствующего полному перекрытию (затемнению) сканирующего светового луча измеряемым объектом волокном 4, MHHHNryMy светового пото ка, падающего на фотоэлрмент 6, а также минимуму напряжения на его выходе. С моментаt сканирующий луч выходит из пересечения с волокном и перекрывается им все в меньшей степени, увеличивается свето вой поток, падающий на фотоэлемент растет напряжение на его выходе, уменьшается напряжение на выходе . усилителя 7, формируется задний У (отре фронт импульса напряжения U зок ij - ij). При уменьшении напряже ния и на выходе усилителя 7 напряже ния 3 выходе амплитудного детектора 8 изменяется и остается равным aмплитyднo y значению напряжени Uy. Соответственно напряжение (J на выходе делителя 9 равно половине амп литудного значения напряжения U на выхйде усилителя 7 (отрезок -tj - -t ) При уменьшении напряжения на выходе усилителя 7 до половины амплитудного значения (момент i) сравниваются на пряжения на входах компаратора iO, он срабатывает, на его выходе формируется задний фронт импульса напряжения Уц. При следующем пересечении волокна 4 сканирующим лучом на выходе усилителя 7 вновь формируется импульс напряжения i . Когда напряжение на выходе усилителя 7 достигает половины а1-1Ш итудн6го значения, срабатывает компаратор 10, на его в ходе формируется передний фронт импульса напряжения U (момент t ), коротким импульсом с одновибратора напряжение на выходе амплитудного детектора 8 сбрасывается до нуля, а затем возрастает, повторяя возраста щее напряжение на выходе усилитепя до амплитудного его значения. К моменту начала снижения напряжения О на выходе усилителя 7 напряжение вьпсоде ам1глитудного детектора 8 равно максимальному, значению напряжения и , а напрялсение на вьп-соде дел теля 9 - половине его. При снижении напряжения на выходе усилителя 7 до половины его амплитудного значения срабатьтает компаратор 10 и на его выходе формируется задний фронт импульса напряжения U. Итак, на выходе компаратора 10 сформировался импульс с длительностью i (фиг.2), равный времени, вртечение которого напряжение на выходе усилителя 7 превышает половину своего амплитудного значения. Этот прямоугольный импульс напряжения UK с выхода компаратора 10 пода 3 - ется на вход измерителя 12 /ичительности импульсов. При снижении мощности сканирующего луча из-за нестабильности излучателя I уменьшается пад.)щий световой поток, снижается амплитуда импульсов с фотоэлемента 6 и выхода усилителя 7 (момент t, ) В момент if, на. компараторе 10 происХОДИТ сравнение напряжения на выхо7 с половиной прежнего де усилителя аг-гплитудного значения (до уменьшения светового потока), далее на выходе амплитудного детектора 8 устанавливается напряжение,равное новому амплитудноь{у значению напряжения на выходе усилителя 7, и половине этого напряжения - на выходе делителя 9 (момент t&), длительность прямоугольных им т;шьсов, формируемых в дальнейшем компаратором, снова равна времени, в течение которого напряжение на выходе усилителя 7 превышает половину своего амплитудного значения. Задержка установления напряжения Уд на инвертирующем входе компаратора 10, соответствующего изменившемуся амплитудному значению импульса с выхода усилителя, не превышает пе- . риода измерения.. . Таким образом, устройство обеспечивает измерение дпительности импульса с выхода усилителя, представля}ощего теневое изображение волокна, на уровне половины его амплитудного значеиия независимо от изменений амплитудд этого импульса. Целесообразность измерения длительности импульса, иа уровне, равном половине его e afIлитyды (т.е. иа его середине), моиет быть пояснена ка примере сканирования тонким световым лучом (диаметр d луча меньше диаметра волокна D) непрозрачнсгго волокна. При анализе примем следующие допущения: мСэщкость излучения равномерно распределяется по всей площади луча; ялияние явлений, обусловленных волновыми свойствами света, не учитывается. Существует линейная зависимость между напряжением на выходе фотоэлемента и световым потоком падаюп его на него луча, а также напряжением на вьпсоде усил;5теля. Пусть луч ;иаматром d движется со скоростью V к волокну диаметром D (фиг.З). Пока луч не пересек волокно, напряжение на выходе фотоэлемента огфеделяется полным светевым потоком луча э . где - световой поток сканирующег луча, лм; ;( - чувствительность фотоэлеме та, В/лм. В момент i (фиг.З) луч начинает пересекаться волокном. Далее часть луча перекрывается волокном, уменьш ется световой поток, падающий на фо тоэлемент, и с -шжается соответствен но его выходное напряжение: иф,.Ф-ли . При указанных допущениях изменен напряжения ли я1ределяется площадь луча, перекрытой волокном: где ТГг общая плоа1адь луча; радиус луча; йЗ - площадь луча, перекрытая волокном. Напряжение на выходе усилителя и., К--ди ,(2) где К - коэф()ициент усчления усилителя. В некоторый текущий момент -t пл щадь луча, перекрытая волокутом, рав на площади сегмента ВАС (фиг.З, заштрихована): ЛЗ --- ( d - sin оС), d где - радиус сканирующего луча дентром 0; . fL - угол ШС. Радиус ОЛ (фиг.З) совпадает с на прашЕпием перемещения луча, он пе пендикулярен продольной оси волокна и границе волокна ВС. ОА делит угол сС пополам. ; arccos 2 г .гссо5 (-n)-s..ccos(± После преобразований получаем з кон изменения напряжения на выходе усилителя 7 в пределах импульса (t, t tj): (b Г/ r-x -Stn|2arc№s(y , CM где (t - t). В момент t (х г, At tg t ---). когда центр луча .0 пересекает край волокна, перекрыта половина площади светового луча, изменение напря сения на фотоэлементе и напряжения на выходе усилителя достигает половины амплитудного значения: Б момент tj() луч полностью перекрыт, световой поток, падающий на фотоэлемент минимален и определяется засветкой от посторонних источников: U,(t,).U,,, К71ф . световой поЗатем до момента t ТОК, падающий на фотоэлемент, и напряжение на выходе усилителя неизменны. Далее (отрезок Ц-t) образуется за,дний фронт импульса, процесс аналогичен описанному, но протекает в обратном порядке. Рассмотрим ошибку измерения длительности импульса, обусловленную нестаб1-шьностыо порога срабатывания измерителя длительности импульса , (в описанном устройстве компаратора): где tTU - погрешность порога срабатывания;-г- скорость изменения напряжения на выходе усилителя во время образования фронта импульса. Коэффициент, равный двум, учитывает, что ошибка измерения возникает нг обоих фронтах импульса. Очевидно, функция (5) имеет минимум при максимальном значении (-:-). Найдем значение U, соответствующее мaкcи fyмy (ТГ) Имея в виду, что (t-t), можно записать: l..v 1 cJt dT Таким образом, минимум Л в в раженни (5) определяется максимум (-Н--)ахИтак, для отыскания уровня нап жония и, на котором погреп1ность измерителя длительности (компарат ра) сли дает минимальную ошибку в измерении длительности., найдем d U:, рую производную и приравняе Очевидно 7 при х г , т учитывая выражение (4 ), при Погрешность от разброса (нестаб ности) уровня срабатьгаания измерителя длительности (компаратора) да наименьшую ошибку в измерении длительности импульса при услозш, чт длительность импульса измеряется н уровне, равном половине амплитуды и.-шульса. Длительность фронта и;-шульса f.A t,-t (фиг.З) зависит от диаметра сканирующего луча: tф d/v. Длительность импульса, замеренная на уровне его середины (полсви ны амплитудного значения), не ззви сит от диаметра луча и определяется временем движения центра луча О (фиг.З) от одного края волокна, до другого Гф D/V. 838 Длитслыюст импульса, замеренная на уропне вершины имиульса мин У основания импульса . а также на любом уровне, кроме середины импульса V(f, (фиг.З), -зависит от диаметра сканирующего луча: -(.4i.-i.U -i 1,-21-(5-Ч1 ..c44(V)). )° На фиг.А приведены диаграммы импульса при одинаковых мощностях (световых потоках), но разных диаметрах луча., сканирующего одно и то же волокно Д -:аметром D. Очевидно, при d О, „„„ Гф 2 D разность замеренных на разных уровнях длительностей вызывается конечнь, размерами луча. При смещении волокна на край зоны сканированная фронты импульса становятся более пологньш, вследствие увелкчелия дяаметра .луча изза кесорерэонства оптики, в частности ликзы 3 (фиг.1). Измерения длительности на уровне, отличном от середины н;--:пульса, доют-погрешность, пропорциональную изменению диаметра сканирующего луча. На фиг,2 видно, что длительность и a yльcs с фотоэлемента, замереннгя на уровне его середкйы, ке заЕисит от амплитуды этого импульсг. ЗследстЕме этого изменение ннтенсквкости излучателя .и изменение чувствительности фотсэлен-э.мта не БЛИ-яют на точность измераякя диаметра волокна. Таким образон. тз реэзльтате применения предлагаемого устройства устраняется погрсч1нос-гь измерения диа.sтpг воло-;нг, зызванк-ай нестабилькостью нзлучате.Ш, кестабильностью чувствите.лькости фотозяенента, меньшается погреп:кость, Бызванная разбросом noiriora срабатывания изерителя длительности (компаратора), страняется погрешностьj вызванная епостоянство.ч диаметра луча в зое сканирован5 Я; что D целом повыает точность из1-герения диаметра олокна.

Фиг.2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ H3MEPEIiKH ДИАМЕТРА ВОЛОКНА, содержащее излучатель, сканирующую систему, фотоэлемент с усилителем и измеритель длительности импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измереннп, оно снабжено соединенными последовательно амплитудным детектором и делителем напряжения На два,компаратором, инвертирующий вход которого соединен с выходом делителя напряжения на два, неинвертирующий вход.- с выходом усилителя, подключенного к ин юрмационному входу амплитудного детектора, одновибратором, вход которого соединен с выходом компаратора и входом измерителя длительности импульсон, выход - с входом сброса амплитудного детектора, а усилитель вьтолнен инвертирующим.

T.jty...-g)pyai/y.iJ4i.m.4, ,.11

и.

Фиг.4