Устройство для измерения толщины Советский патент 1987 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения толщины материалов и покрытий.

Цель изобретения - повьшение точ- .ности измерений за счет учета откло- нения от линейной реальной зависимости выходного сигнала преобразователя .от измеряемой толщины.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения толщины; на фиг.2 - график, поясняющий работу устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1, преобразователь 2, детектор 3, блок 4 комценсации влияния знака производной, блок 5 формирования опорных напряжений, блок 6 автоматического переключения диапазонов измерения, второй вход которого соединен с выходом блока 4 компенсации влияния знака производной, первый управляемый коммутатор 7, второй вход которого соединен с вторым выходом блока 3 формирования опорных напряжений, первый блок 8 вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока 4 компенсации влияния знака производной, блок 9 коррекции чувствительности измерений, блок 10 суммирования, второй вход которого соединен с вторым выходом блока 6 автоматического переключения диапазонов измерения, и регистратор 11. Третий выход блока 5 формирования опорных напряжений подключен к второму входу блока 4 компенсации влияния знака производной. Устройство содержит вто рой управляемый коммутатор 12, первый и второй входы которого связаны соответственно с третьим выходом блока 6 автоматического переключения диапазонов измерения и с выходом блока 5 формирования опорных напряжений, второй блок 13 вычитания, входы которого соединены с выходом коммутатора 12 и выходом комму

татора 7, а его выход - с вторым входом блока 9 коррекции чувствительности измерений.

Устройство для измерения толщины включает также последовательно соединенные задатчик 14 опорных значений толщины, третий управляемый коммутатор 15 и третий блок 16 вычитания, второй вход которого соединен с

0

5

0

5

0

0

5

вторым выходом задатчика 14 опорных значений через четвертый управляемый коммутатор 17, а выход - с третьим входом блока 9 коррекции чувствительности измерений. Управляющие входы блоков 15 и 17 соединены соответственно с четвертым и пятым выходами блока 6 автоматического переключения диапазонов измерения, шестой выход последнего соединен с вторым входом блока 5 формирования опорных напряжений, а выход блока 17 соединен с третьим входом блока 10 суммирования.

Устройство работает следующим образом.

Ввиду нелинейной зависимости выходной ЭДС преобразователя 2 от величины толщины покрытия весь рабочий диапазон измеряемых толщин разбивается на пять /в общем случае на п поддиапазонов Гфиг.2) шестью граничными значениями, которым поставлены в соответствие выходные значения выходного напряжения преобразователя 2 Uo,U,,Ui,U,,U4, Uy. Работа устройства осуществляется в предположении, что зависимость выходного сигнала преобразователя 2 от измеряемой толщины в пределах одного диапазона нейна, т.е. нелинейность не превыша ет допустимой погрешности.

Предположим,что величина выходного сигнала преобразователя.U, лежит в третьем поддиапазоне и ей соответствует толщина Н (фиг.2), тогда величина Н определяется как сумма Н + -(HX Hj).

Из подобия треугольников АСЕ и ABD следует, что

ic

AD

40

45

В свою очередь

AD АЕ ЕС DB

U-,

и.

Н,- Н HX- Н,

Тогда величина Hv равна

Н,

н + Mil-Hi-сн - н

г Ui- Ua -i Н.

г- и Для произвольного будет равна

случая величина

Нп-.Un-.

(н„- н„.,).

где n - номер поддиапазона, в который попадает сигнал.

Последнее выражение лежит в основе работы устройства.

Номиналы граничных значений поддиапазонов записаны в задатчки 14 опорных значений толщины (фиг.1), а соответствующие им выходные напряжения преобразователя - в блок 5 мирования опорных напряжений.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение генератора 1 поступает в преобразователь 2. Выходной 15 сигнал преобразователя 2, несущий ин-. формацию в контролируемом параметре, детектируется детектором 3 и поступает через блок 4 кq пeнcaции влияния знака производной на вход блока 20 6 автоматического переключения диапазонов измерения. Кроме измеряемого сигнала U (фиг.2) в блок 6 автоматического переключения диапазонов измерения из блока 5 формирования 25 опорных напряжений поступает сигнал и.Блок 6 автоматического переключения диапазонов измерения сравнивает измеряемый сигнал U и поступивший с блока 5 формирования опорных напря- ЗО жений сигнал U4 (сигнал U в блок 6 не поступает, так как лежит за пределами измерений).

Если и Ux, с блока 6 в блок 5

Эти разностные сигналы поступают в блок 9 коррекции чувствительности измерения, на выходе которого образуется сигнал

Uz- Ux

(н,- HJ,

и,- и,

где А - коэффициенты передачи блока 9 коррекции, В общем случае

Uno- Ux

и„.,и

(н.- Нп--)Сигнал с выхода блока 9 коррекции поступает на вход блока 10 сумми рования, сюда же с блока 6 автоматического переключения диапазонов измерения поступает и сигнал Н (для общего случая Н,,), На выходе блока 10 суммирования образуется сигнал, величина которого, линейно связана с измеряемой толщиной, а так как сигналы И „ и Hf,., представляют собой

величины истинньпс значений толщин в точках разбиения, то выходные

напряжения блока 10 суммирования соответствуют истинному значению изме ряемой толщины, которая и отображается регистратором 11,

В предлагаемом устройстве блок 5 формирования опорных напряжений в соответствии с величиной поступив- щего сигнала U (фиг.2) задает уров

формирования (поиска) опорных напря- ,, «« опорных напряжений как для блока

. t-i f tf f r tTTia

жений поступает сигнал и вместо U, в блок 6 подается Us. Так продолжается до тех пор, пока из блока 5 фор- мирования опорных напряжений не поступил сигнал, величина которого пре- вьшает Ux .В данном случае это сигнал UT.

После этого поиск прекращается и на входы первого блока 8 вычитания поступают измеряемый сигнал Ux и верхний уровень рабочего диапазона

40

45

6 автоматического переключения диапазонов измерений, так и для коммутаторов 7 и 12. Кроме того, блок 5 формирования опорных напряжений совместно с блоком 6 ав оматического переключения диапазонов измерения формируют управляющие сигналы блоков 15 и 17 вьщеления.

Таким образом, для определения толщины в любом из поддиапазонов требуется от его верхнего уровня вы честь текущее значения сигнала и эту разность подать на один из входов блока 9 коррекции чувствительности. На второй вход этого блока подается разность верхнего и нижнего уровней рабочего диапазона, а на третий - разность граничных значений толщин рабочего диапазона.

и.

на входы второго блока 13 вычитания - сигналы верхнего U и нижнего и уровней рабочего диапазона, а. на входы третьего блока 16 вычитания - значения верхнего Н и нижнего Hj уровней. На выходе блока 8 вычитания образуется разность Uj- Uy (в общем случае и„,,- U), на выходе блока 13 вьтитания U, (в общем случае U.,- и„) , на выходе бло ка 16 вычитания И,- Н (в общем случае Н„- Щ.,),

Эти разностные сигналы поступают в блок 9 коррекции чувствительности измерения, на выходе которого образуется сигнал

Uz- Ux

(н,- HJ,

и,- и,

где А - коэффициенты передачи ка 9 коррекции, В общем случае

Uno- Ux

и„.,и

(н.- Нп--)Сигнал с выхода блока 9 коррекции поступает на вход блока 10 суммирования, сюда же с блока 6 автоматического переключения диапазонов измерения поступает и сигнал Н (для общего случая Н,,), На выходе блока 10 суммирования образуется сигнал, величина которого, линейно связана с измеряемой толщиной, а так как сигналы И „ и Hf,., представляют собой

величины истинньпс значений толщин в точках разбиения, то выходные

напряжения блока 10 суммирования соответствуют истинному значению измеряемой толщины, которая и отображается регистратором 11,

В предлагаемом устройстве блок 5 формирования опорных напряжений в соответствии с величиной поступив- щего сигнала U (фиг.2) задает уров«« опорных напряжений как для блока

Л гч t-i f tf f r tTTia

6 автоматического переключения диапазонов измерений, так и для коммутаторов 7 и 12. Кроме того, блок 5 формирования опорных напряжений совместно с блоком 6 ав оматического переключения диапазонов измерения формируют управляющие сигналы блоков 15 и 17 вьщеления.

Таким образом, для определения толщины в любом из поддиапазонов требуется от его верхнего уровня вычесть текущее значения сигнала и эту разность подать на один из входов блока 9 коррекции чувствительности. На второй вход этого блока подается разность верхнего и нижнего уровней рабочего диапазона, а на третий - разность граничных значений толщин рабочего диапазона.

Как правило, зависимость выходного напряжения преобразователя от измеряемой толщины покрытия является нелинейно-убью ающей, но для ряда сочетаний покрытие - основа она может

быть возрастающей (в зависимости от соотношения вели: 1ин удельных электрических проводимостей покрытия и основы). Характер зависимости может быть определен по знаку производной. Для этого использован блок 4 компен- сации знака производной.

При отрицательном значении производной сигнал с выхода детектора 3 без изменений проходит через блок 4 компенсации влияния знака производной и зависимость выходного сигнала этого блока от толщины покрытия остается мрнотонно-убьшающей. При возрастающей зависимости (изменение знака производной) с блока 5 формирования опорных напряжений на один из входов блока 4 компенсации влияния знака производной поступает опорное напряжеиие, из которого вычитается сигнал с детектора 3, Вследствие этого зависимость сигнала на выходе блока 4 будет также иметь вид монотон- но-убьшающей функции.

Предлагаемое устройство обеспечивает возможность индикации измеряемой величины непосредственно в микрометрах и дальнейшей обработки результатов измерений средствами цифровой техники.

Фор. мулаизобретения

; Устройство для измереиия толщины, содержащее последовательно соединенные генератор, преобразователь, детектор, блок компенсации, блок. формирования опорных напряжений, блок автоматического переключения диапазонов измерения, второй вход которого соединен с выходом блока компенсации влияния знака производной, первый управляемый коммутатор, второй вход которого соединен с вторым выходом блока формирования опорных напряжений, первый блок вычита--, ния, второй вход которого соединен с

выходом блока компенсации влияния знака производной, блок коррекции чувствительности измерений, блок

суммирования, второй вход которого соединен с вторым выходом блока авто - матического переключения диапазонов измерения, и регистратор, второй управляемый коммутатор и второй блок

вычитания, третий и четвертьй выходы блока формирования опорных напряжений соединены соответственно с вторым входом блока компенсации влияния знака производной и первым входом второго управляемого коммутатора, второй вход которого соединен с третьим выходом блока автоматическо го переключения диапазонов измерения, а выход - с первым входом второго

блока вьиитания, второй вход последнего соединен с выходом первого управляемого коммутатора, а выход - с вторым входом блока коррекций чувствительности измерений, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повьппе- ния точности измерений, оно снабжено третьим управляемым коммутатором, последовательно соединенным задат- чиком опорных значений толщины, четвертым управляемым коммутатором, и третьим блоком вычитания, выход которого подключен к третьему входу блока коррекции чувствительности из- . мерений, управляющие входы третьего и четвертого коммутаторов подключены к четвертому и пятому выходам блока переключения диапазонов измерения, шестой выход которого соединен с вто- рьм входом блока формирования опорных напряжений, второй вход третьего управляемого коммутатора подключены , к второму выходу задатчика. опорных значений толщины, а его выход - к второму входу блока вычитания, а

третий вход блока суммирования подключен к выходу четвертого управляемого коммутатора.

/х

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для толщинометрии материалов и покрытий. Цель изобретения - повьшение точности измерений за счет разбива всего диапазона измерения на поддиапазоны, в пределах которых зависимость выходного сигнала преобразователя от измеряемой толщины линейна. В основе работы устройства лежит выражение HX + + УПМ- UK/и„.г и„(Н„- Н.,), где Н - толщина материала, п - номер поддиапазона измерения, в который попадает сигнал иX.Выходной сигнал преобразователя 2 детектируется и через блок 4 компенсации влияния знака производной поступает в блок 6 автоматического переключения диапазонов измерения, в котором осуществляется сравнение измеренного сигнала и X и опорных сигналов, поступающих с блока 5 формирования опорных сигна- лов. На выходах блоков 8,13 и 17 вычитания образуются соответственно разности и„.,- и,, и.,- и„, Н„. , которые поступают в блок 9 коррекции чувствительности измерений. На выходе последнего образуется сигнал А и,.- Ux/U.,- и„(Н„- Н„.,), где А - коэффициент-передачи блока 9. Сигналы с выхода блока 9 и блока 6 автоматического переключения диапазонов измерения поступают на входы блока 10 суммирования, сигнал с выхода которого линейно связан с измеряемой толщиной, 2 ил. i (Л со СП СО Од сд со