Устройство для измерения линейного размера изделия Советский патент 1988 года по МПК G01B21/00 

оо

QO

О1

со сд

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля диаметров отверстий, волокон, проволоки, ширины щелей, зазоров и т. п. Цель изобретения - повышение точности за счет использования нелинейного аналого-цифрового блока, передаточная характеристика которого обеспечивает минимум среднеквадратичной погрешности вычисления. Лазер 1 генерирует световой пучок, который облучает объект 2 измерения. В фокальной плоскости объектива 3, где установлена мишень видикона телевизионной камеры 4, формируется дифракционная картина. Телевизионная камера 4 осуществляет преобразование дифракционной картины в электрический сигнал в виде построчного разложения, спектр которого при помощи аналого-цифрового блока дифференцируется, а измеряемый размер вычисляют по периоду измерительного сигнала вида при помощи весовых функций, вид которых определяется из условия среднеквадратной погрешности 8 ил. с е (Л

с

гfг.s

Изобретение относится к контрольно-из- (мерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля диаметра отверстий, волокон, проволоки, ширины щелей, зазоров и т. п.

Цель изобретения - повышение точности за счет использования нелинейного аналого-цифрового блока, передаточная характеристика которого обеспечивает минимум среднеквадратичной погрешности формирования измерительного сигнала. j На фиг. 1 изображен снектр невыравненного и выравненного по амплитуде электрического сигнала; на фиг. 2 - график, поясняющий возникновение фазовой погрешности и искажение длительности выделяе- динен с логическим входом первого аналогового ключа 9 и с вторым входом формирователя 12 импульсов, первый выход которого соединен с логическим входом второго аналогового ключа 11, второй выход формирователя 12 импульсов соединен с управляющим входом аналогового запоминающего блока 14, третий выход формирователя 12 импульсов соединен с логическим входом третьего аналогового ключа 13.

Функциональный преобразователь (фиг. ности дЧ эх t для невыравненного и вырав- 25 5) содержит генератор импульсов 16, ло- |ненного по амплитуде электрического сиг-гический элемент 2И-НЕ 17 (микросхема)

К155ЛАЗ), делитель 18 частоты (микросхема (К155ИЕ8), двоичный счетчик 19 (микросхема К155ИЕ5), дешифратор-демульти- илексор 20 (микросхема К155ИДЗ), первый и второй одновибраторы 21, 22 (.микросхема К155АГЗ), источник 23 опорного напряжения (микросхема 142ЕН1Б), 2N-f2 аналоговых ключей 24.1-24.n-f2 (микросхемы 590КН5), 2N инверторов 25.1-25.2п (микросхемы К155ЛН1), интегратор с однополярным входом, выполненный на базе масштабирующего операционного усилителя 26 со ступенчато изменяющейся RC-цепью (микросхема К544УД2А), конденсатор С 27 и 2N резисторов 28.1-28.1п. Устройство для измерения размеров изделий работает следующим образом.

Объект 2 измерения облучают излучением лазера 1. В фокальной плоскости объектива 3 формируется дифракционная кар- ключ 9, интегратор 10, второй аналоговый д тина, соответствующая дифракции Фраунго- ключ 11, формирователь 12 импульсов, тре- фера на измеряемом изделии 2. В фокаль- тий аналоговый ключ 13, аналоговый запо- ной плоскости объектива 3 установлена ми- минаюший блок 14 (АЗУ), блок 15 обработ- шень видикона передающей телевизионной ки электрического сигнала. Выход телеви- камеры 4. Телевизионная камера 4 осу- зионной камеры 4 соединен с аналоговым ществляет преобразование дифракционной входом первого аналогового ключа 9, его 50 картины в электрический сигнал в виде по- выход соединен с входом интегратора 10 строчного разложения (фиг. За, 4в), кото- и аналоговым входом второго аналогового рый поступает на аналоговый вход аналогоn j

iMoro временного интервала, являющегося |информативным параметром; на фиг. 3 - график, показывающий изменение отношения сигнал/шум для дифракционных максимумов и соответствующего им электрического сигнала (за 100% принято отноше- 20 ние сигнал/шум для первого бокового максимума или соответствующего ему периода электрического сигнала); на фиг. 4 графики изменения величины фазовой погреш1нала, соответствующего семи дифракционным максимумам для различных отношений сигнал/шум; на фиг. 5 - блок-схема устройства; на фиг. 6 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства за пе- 30 риод кадра телевизионного разложения; на 1ФИГ. 7 - временные диаграммы, поясняю- 1ш,ие работу устройства за период строки телевизионного разложения;- на фиг. 8 - |схема функционального преобразователя и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство для измерения линейного размера изделия содержит лазер i, предназначенный для освещения, объект 2 из- ;мерения, объектив 3, передающую телеви- 40 : зионную камеру 4, реверсивный счетчик 5, импульсов, цифроаналоговый преобразова- : тель 6, блок 7 сравнения, функциональный преобразователь 8, первый аналоговый

ключа И, выход которого соединен с выходом интегратора 11 и аналоговым входом третьего аналогового ключа 13, его выход соединен с входом аналогового запоминающего блока 14, выход которого соединен с первым входом блока 15 обработки электрического сигнала, выход строчной

55

вого ключа 9. На логический вход аналогового ключа 9 с выхода блока 7 в течение каждой строки разложения поступает импульс (фиг. 46), открывающий (замыкающий) ключ 9. Длительность управляющего и.мпульса (фиг. 46) изменяется (увеличивается) от строки к строке разложения по заразвертки телевизионной камеры 4 соединен с входом обратного счета реверсивного счетчика 5 импульсов, входом функционального преобразователя 8 и первым входом формирователя 12 импульсов, выход кадровой развертки телевизионной камеры 4 соединен с вторым входом блока 15 обработки электрического сигнала и с установочным входом реверсивного счетчика 5 импульсов, выход которого соединен с вхо- дом цифроаналогового преобразователя 6, его выход соединен с первым входом блока 7 сравнения, второй вход которого соединен с выходом функционального преобразователя 8, выход блока 7 сравнения сое55

вого ключа 9. На логический вход аналогового ключа 9 с выхода блока 7 в течение каждой строки разложения поступает импульс (фиг. 46), открывающий (замыкающий) ключ 9. Длительность управляющего и.мпульса (фиг. 46) изменяется (увеличивается) от строки к строке разложения по закону, обратному изменению (уменьшению) интенсивности максимумов в регистрируемой дифракционной картине. Формирование импульса (фиг. 46), длительность которого изменяется по указанному закону, и ориентация его относительно начала каждой строки разложения осуществляется с помощью реверсивного счетчика 5, цифро- аналогового преобразователя 6, функционального преобразователя 8 и блока 7 сравнения, временной режим работы которых и устройства измерения в целом задается импульсами- поступающими на входы реверсивного счетчика 5 и функционального преобразователя 8 с выходов строчной и кадровой разверток телевизионной камеры 4. Фрагмент видеосигнала каждой строки разложения (фиг. 4г), длительность которого определяется длительностью импульса управляющего состоянием ключа 9 (фиг. 46), поступает на вход интегратора 10. В цепи обратной связи интегратора 10 включен аналоговый ключ 11, состояние которого (замкнут, разомкнут) определяется сигналом (фиг. 4е), поступающим на его логический вход с первого выхода формирователя 12 импульсов. В конце каждой строки на выходе генератора строчной развертки телевизионной камеры 4 появляется импульс, который поступает на вход формирователя 12 импульсов, при этом на первом выходе формирователя 12 импульсов появляется сигнал высокого уровня («1). Аналоговый ключ 11 замыкается и приводит интегратор 10 в исходное (нулевое) состояние. В момент появления на выходе блока 7 сравнения сигнала (фиг. 46) высокого уровня («1) на первом выходе формирователя 12 импульсов появляется сигнал (фиг. 4е) низкого уровня («О), аналоговый ключ 11 размыкается и интегратор 10 интегрирует фрагмент строки видеосигнала (фиг. 4г), поступающий на его вход через замкнутый к этому времени аналоговый ключ 9 с выхода телевизионной камеры 4. В момент формирования заднего фронта импульса (фиг. 46) на выходе блока 7 сравнения аналоговый ключ 9 размыкается и видеосигнал прекращает поступать на вход интегратора (фиг. 4г). На втором выходе формирователя 12 импульсов в момент формирования заднего фронта импульса на выходе блока 7 сравнения появляется импульс (фиг. 4ж), который поступает на управляющий вход АЗУ и приводит его в исходное (нулевое) состояние (фиг. 4и). Вслед за импульсом на втором выходе формирователя 12 импульсов появляется импульс на третьем его выходе (фиг. 4з), который поступает на логический вход третьего аналогового ключа 13. Ключ 13 замыкается на время действия импульса. Выход интегратора 10 подключается к входу АЗУ 14. К этому моменту времени на выходе интегратора 10 сформировано напряжение (фиг. 4д), пропорциональное площади фрагмента видеосигнала (фиг. 4г).

Значение этого напряжения запоминается АЗУ 14 (фиг. 4и) и хранится в нем до момента появления следующего импульса (фиг. 4ж) на установленном входе. В течение кадра на выходе АЗУ 14 появляется

Q кусочно-ступенчатьж сигнал (фиг. 36, 4и), период которого пропорционален линейным размерам максимумов дифракционной картины, а амплитуда полученного сигнала одинакова. Шаг ступени равен периоду строк телевизионного разложения, а ам5 плитуда каждой ступеньки пропорциональна площади видеосигнала, ограниченного импульсом, который формируется на выходе блока 7 сравнения. Кусочно-ступенчатый сигнал (фиг. 36) с выхода АЗУ 14 по0 ступает на вход блока 15 обработки электрического сигнала, где фильтруется, т. е. преобразуется в непрерывный (фиг. Зв), дифференцируется (фиг. Зг) и в моменты перехода через нулевые значения фиксируются моменты экстремума (фиг. 4д) сигнала (фиг. ЗБ), далее формируется временной интервал (фиг. Зе), пропорциональный линейному размеру одного или нескольких максимумов в регистрируемой дифракционной картине, который заполняется импуль0 сами высокой частоты, преобразуется в позиционный код и с помощью арифметического устройства преобразуется в результат измерения в цифровом или аналоговом виде.

5 Импульс на выходе блока 7 сравнения (фиг. 46), длительность которого изменяется от строки к строке по закону, обратному изменению интенсивности максимумов в регистрируемой картине, форми0 с 1едующим образом.

В конце каждого кадра телевизионного разложения на выходе кадровой развертки телевизионной камеры 4 формируется импульс, который поступает на установочный вход реверсивного счетчика 5 импульсов.

5 В нем в виде позиционного кода на выходных контактах устанавливается число, равное количеству строк разложения в одном кадре. Кодовая комбинация с выхода реверсивного счетчика 5 поступает на вход цифроаналогового преобразователя 6 и преобразуется им в постоянное напряжение Un.стр. (фиг. 4а), которое поступает на первый вход блока 7 сравнения.

В конце каждой строки телевизионного разложения на выходе строчной развертки

5 телевизионной камеры 4 формируется импульс, который поступает на вход обратного счета реверсивного 5 счетчика. В момент окончания формирования каждой

0

строки из числа, записанного в счетчике 5, вычитается по одной единице, соответственно уменьшается на одну единицу кодовая комбинация на выходе счетчика 5. Пропорционально изменению кода на выходе счетчика 5 изменяется (уменьшается) напряжение Un. стр на выходе цифроаналогового преобразователя 6 (фиг. 4а). Импульс с выхода строчной развертки поступает также на вход функционального преобразователя 8. На его выходе в течение каждой строки разложения формируется импульс специальной формы (фиг. 4а), согласованный с амплитудной характеристикой цифро- аналогового преобразователя 6. Крутизна наростания переднего фронта и спада с заднего фронта соответствует огибающей максимумов интенсивности совета в дифракционной картине, которая неиз.менна в широком диапазоне изменения размера изделия одинаковой формы.

Выходные сигналы цифроаналогового преобразователя 6 и функционального преобразователя 8, согласованные по амплитудным характеристикам., поступают соответственно, на первый и второй входы блока

7сравнения. На выходе блока 7 сравнения в течение каждой строки разложения формируется прямоугольный импульс (фиг. 46), передний и задний фронты которого соответствуют моментам равенства напряжения Un.uTp, сформированного цифроаналоговым преобразователем 6 и сигнала специальной формы (фиг. 4а), сформированного на выходе функционального преобразователя 8.

8течение кадра (полукадра) от строки к строке длительность импульса (фиг. 46), формируемого на выходе блока 7 сравнения, изменяется в соответствии с изменением напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 6 и временными и амплитудными параметрами импульса специальной формы.

В качестве примера конкретного выполнения устройства предлагается устройство, содержащее He-Ne лазер ЛГ-72- источник когерентного излучения; объектив - Фурье-преобразующая линза, в задней фокальной плоскости которой формируется картина, соответствующая дифракции Фра- унгофера; передающую телевизионную камеру КТО-67, осуществляющую преобразование дифракционной картины в электрический сигнал в виде построчного разложения; реверсивный счетчик импульсов с предварительной установкой, выполненной на трех последовательно соединенных микросхемах К155ИЕ7; цйфроаналоговый преобразователь-микросхема 594ПА1; блок сравнения микросхема 52ICA3; аналоговые ключи-микросхема 590КН5; аналоговый запоминающий блок-микросхема К1100СК2; интегратор, выполненный на операционном

усилителе К544УД1А с конденсатором в петле отрицательной обратной связи; формирователь импульсов, содержащий формирователь узкого импульса-микросхема К155АГ1,

триггер-микросхема К155ТМ2, два одно- вибратора-микросхема К155АГЗ; блок обработки электрического сигнала, содержащий фильтр нижних частот, определитель момента экстремума, сдвигающий счетчик

с логическими элементами, генератор счетных импульсов, счетчик импульсов, арифметическое устройство с цифровой индикацией. Работу функционального преобразователя 8 с составе устройства для измерения размера изделия рассмотрим на примере

измерения диаметра круглого отверстия. Распределение интенсивности в дифракционной картине от круглого отверстия описывается функцией Эйри, изображение которой состоит из чередующихся светлых и

темных колец. Интенсивность дифракционных максимумов уменьшается по мере удаления от центрального максимума. Используя свойство симметрии дифракционной картины и с целью привязки к заданному максимуму (или группы максимумов) дифрак

ционнои картины, на мишень видикона проецируется половина дифракционной картины, т.е. центр дифракционной картины совмещается с первой строкой разложения. Для уменьщения влияния координатных

погрешностей видикона центр дифракционной картины совмещается с серединой первой строки разложения.

Интенсивность максимумов в дифракционной картине от круглого отверстия изменяется (уменьщается) по закону 1/х. Функциональный преобразователь 8 в течение каждой строки вырабатывает импульс специальной формы (фиг. 4а, 5д), передний фронт которого нарастает, а задний спадает по закону, обратному изменению интенсивности максимумов в дифракционной картине, т.е. по закону/ х . Воспроизведение данной функции осуществляется в функциональном преобразователе методом кусочно- линейной аппроксимации, диапазон изменения временного аргумента Т разбивается

на интервалы At (фиг.Бг, д). В данном устройстве эти границы фиксированы по оси аргумента функции, а участки равны по длине.

На вход дешифратора-демультиплексора за время одной строки поступает двоично- десятичный код с выхода двоичного счетчика. Поступающий код принимает 2N значений, частота изменения кода (фиг. .5г) задает интервалы At, на которые разбивается воспроизводимая функция, т.е. определяет границы участков разбиения воспроизводимой функции. Изменение кода на входе дешифратора-демультиплексора поз- . воляет изменять состояние ключей 24.1 -

1395950 78

Запуск функционального преобразова- Блок обработки электрического сигнала теля 8 осуществляется импульсом (фиг. 5а),преобразует сигнал, поступающий на его поступающим с выхода строчной разверткивход с выхода аналогового запоминающе- телевизионной камеры 4. При появленииго блока 14 в позиционный код, численно строчного импульса срабатывает первыйравный размеру измеряемого изделия. Со- одновибратор 21, на его выходе формирует-ставные элементы блока выполнены следую- ся импульс длительностью , (фиг. 56). В 15 щим образом.

момент его окончания начинает формиро-Фильтр нижних частот выполнен на опеваться импульс специальной формы (фиг. 5д)рационном усилителе 544УД2А с многокони срабатывает второй одновибратор 22,турной обратной связью, на его выходе формируется импульс дли-Устройство для определения момента

тельностью Ч (фиг. 5в). Сигналы с прямо- 20 экстремума выполнено в виде последоваго и инверсного выходов второго одновиб-тельно соединенных дифференциатора и

ратора FJ поступают на логические входынуль-органа.

ключей 24.ПЧ-1 и 24.П4-2. Во время форми-Сдвигающий счетчик с логическими элерования импульса длительностью ii замы-ментами, генератор счетных импульсов и кают ключ 24.n-f 1, что обеспечивает, подклю- счетчик импульсов выполнены на интегральчение к аналоговым входам ключей 21.1-ных микросхемах серии К155. 24.п опорного напряжения Uon. В этот не-Арифметическое устройство преобразует

риод времени происходит формирование пе-обратную зависимость между размером

реднего (нарастающего) фронта импульсаизмеряемого изделия и длительностью выдеспециальной формы. После окончания фор-ленного временного интервала, пропорцио- мирования импульса длительностью Сг за- ЗО нального размеру одного или нескольких

мыкается ключ 24.2пЧ-2 и к аналоговымдифракционных максимумов впрямую, и

входам ключей 24.1-24.2п подключаетсяреализует функцию К/С, где К - коэффищина с нулевым потенциалом. В этот пе-циент пропорциональности; Г - длительриод происходит формирование заднегоность полученного временного интервала

(спадающего) фронта импульса специаль-(фиг. Зе). Арифметическое устройство реа- ной формы. Указанный цикл работы функ- 35 лизовано с помощью двоичного умножитеционального преобразователя повторяет-ля. В устройстве применен способ преобрася в течение формирования каждой строкизования делителя с нулевым сравнением,

разложения.использующего единичные приращения.

Задний фронт импульса, формируемого

вторым одновибратором 22, со ответствует QФормула изобретения

половине длительности строки разложения

(фиг. 4в). Если центр дифракционной кар-Устройство для измерения линейного

тины, а следовательно, и оптическая осьразмера изделия, содержащее оптически

системы совмещены с серединой первой стро-связанные лазер, объектив и телевизионную

ки разложения, то время появления импуль-камеру, блок обработки электрического сиг- са (фиг. 46) на выходе блока 7 сравнения 45 нала, отличающееся тем, что, с целью повысогласовано с положением дифракционнойщения точности измерения, устройство снабкартины в пространстве относительно теле-жено интегратором, первым, вторым и тревизионного растра. На практике согласова-тьим аналоговыми ключами, аналоговым

ние дифракционной картины и стробирую-запоминающим блоком, реверсивным счетщего импульса, появляющегося на выходечиком импульсов, цифроаналоговым преобблока 7 сравнения в течение каждой стро-разователем, функциональным преобразоки, осуществляется путем изменения длитель-вателем, блоком сравнения и формироватености импульса (фиг. 56), формируемоголем импульсов, причем выход телевизионной

первым ойновибратором 21, который слре-камеры соединен с аналоговым входом перделяет момент начала формирования импуль-вого аналогового ключа, выход первого са специальной формы (фиг. 4а, 5д). 55 аналогового ключа соединен с входом инВременной :у1асщтаб импульса специаль-тегр.атора и аналоговым входом второго ананой формы может быть изменен путем изме-логового ключа, выход которого соединен

нения частоты изменения кода (фиг. 5г)с выходо.м интегратора и аналоговым вхона входе дещифратора-демультиплексорадом третьего аналогового ключа, выход третьего аналогового ключа соединен с входом аналогового запоминающего блока, выход которого соединен с первым входом блока обработки электрического сигнала, выход строчной развертки телевизионной камеры соединен с входом обратного счета реверсивного счетчика импульсов, входом функционального преобразователя и первым входом формирователя импу.тьсов, выход кадровой развертки телевизионной камеры соединен с вторым входом блока обработки электрического сигнала и с установоч- входом реверсивного счетчика импульсов, выход которого соединен с входом циф- роаналогового преобразователя, выход цифUn

Спентр невыраёненно о сигнала

а

Sb/pQ HeHHow сигнала

100 200 WO ЦОО 500 2000 2100 Фи.1

роаналогового преобразователя соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом функционального преобразователя, выход блока сравнения соединен с логическим входом первого аналогового ключа и вторым входом формирователя импульсов, первый выход формирователя импульсов соединен с логическим входом второго аналогового ютюча, второй выход формирователя импульсов соединен с управляющим входом аналогового запоминающего устройства, третий выход формирователя импульсов соединен с логическим входом третьего аналогового ключа.

Отношение с/ш%

012 (Раг.З

НеВыраёненньш сигнал выравненный сигнал

...iiinHUln..

фие.б

фие.7

a

ffxj

H3

щщр

вых.

НЭ

вых.