Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01B21/00 

Фиг. Г

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения поперечного размера волокон, проволоки, отверстий, зазоров и-т,п.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия за счет исключения погрешностей, связанных с неточностью определения фазы и амплитуды обрабатываемого сигнала, и уменьшения времени обработки сигнала путем ис:1ользования алгоритма -обработки, в котором размер определяется по отношению первой и третьей произ- водных сигнала.

На фиг.1 изображена структурная схема цредлаг.- емого устройства; на фиг.2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для измерения линейного размера изделия (фиг.1) содержит оптически связанные лазер 1, Модулятор. 2 интенсивности излучения, объектив 3, блок 4 сканирования дифракци- онной картины и фотоприемник 5, датчик 6 положения, блок 7 формирования нелинейно изменяющегося напряжения, три дифференциатора 8-10, два блока

11 и 12 выборки и хранения, блок 13 синхронизации, функциональный преобразователь 14, узел 15 измерения отношения напряжений, цифроаналоговый преобразователь 16, узел 17 сравнения, триггер 18. Датчик 6 положения связан с блоком 4 сканирования, выхо датчика соединен с входом блока 7 формирования н елинейно изменяющегося напряжения, выход которого подключен к управляющему входу модулятора 2 интенсивности излучения лазера 1, выхо фотоприемника 5 соединен с входом первого дифференциатора 8, выход которого соединен с аналоговым входом первого блока 11 выборки и хранения, с входом второго дифференциатора 9 и первым входом блока 13 синхронизации, его второй вход соединен с выходом датчика 6 положения, выход второго дифференциатора 9 соединен с входом третьего дифференциатора 10, выход которого соединен с аналоговым входом второго блока 12 выборки и хранения, выход блока 11 синхронизации соединен с логическими входами первого и второго блоков 11 и 12 выборки и хранения и установочным входом.узла 15 измерения отношения напряжений, первый и второй вхо

0

5

0

40

55

45

ды которого соединены с выходами, соответственно, первого и второго блоков 11 и 12 выборки и хранения, первый выход узла 15 измерения отношения напряжения соединен с входом цифроаналогового преобразователя 16, выход которого соединен с первым входом узла 17 сравнения, второй выход узла 15 измерения отношения напряжений соединен с первым входом триггера 18 и входом функционального преобразователя 14, выход которбго соединен с вторым входом узла 17 сравнения, выход которого соединен с вторым входом триггера 18, Измеряется линейный размер изделия 19.

Способ осуществляется следующим образом.

Монохроматический когерентный пучок света, формируемьгй лазером 1, направляется через модулятор 2 интенсивности на изделие 19. Дифракционная картина от изделия 19 формируется в плоскости анализа с помощью объектива 3. Блок 4 сканирования дифракционной картины осуществляет сканирование дифракционной картины, а фотоприемник 5 преобразует распре- iделение интенсивности дифракционной картины в электрический сигнал.

При достижении элементом сканирования, входящим в блок 4 сканирования дифракционной картины, крайнего положения, соответствующего пространственному положению центра нулевого максимума дифракционной картины, датчик 6 положения выдает сигнал, поступающий на вход блока 7 формирования нелинейно изменяющегося, напряжения, на выходе которого с.момента поступления импульса формируется нелинейно увеличивающееся напряжение, форма которого обратно пропорциональ - на огибающей максимумы дифракционной картины и которое поступает на уп- равляющи вход модулятора 2 интенсивности, при этом на выходе модулятора 2 интенсивности изменяется во времени интенсивность излучения лазера 1 в соответствии с законом управ.- ления.

Периодический сигнал вида U(t) (akt) (фиг.2а. За), где k - волновое числоi АО - амплитуда сигнала, возникающего на выходе фотоприемника 5, трижды дифференцируется последовательно соединенными дифференциаторами 8-10, С выхода первого

дифференциатора 8 onriiajr U (t) (фн1 .2б, Зб) поступает также на первый вход блока 13 синхронизаоди н на аналоговый вход первого блока 11 выборки и хранения. С выхода третьего дифференциатора 10 сигнал (t) (фиг.2в, Зв) поступает на аналоговый вход второго блока 12 выборки и хранения. С момента появления сигнала на выходе датчика 6 положения, который поступает на первый вход блока 13 синхронизации в течение сканирования дифракционной картины, блок 13 синхронизации фиксирует момент перехода через ноль сигнала U .(t) и по истечению заданного интервала времени формирует на выходе короткий импульс (фиг.2г, Зг), который поступает на установочный вход узла 15 измерения отношения напряжений, приводя составляющие его элементы в исходное состояние (нулевое), и на логические вхо- ды первого и второго блоков 11 и 12 выборки и хранения, где запоминается мгновенное значение амплитуды сигналов (соответственно u (t) и u (t)) в момент выборки и хранится до момента появления следующего импульса на выходе блока 13 синхронизации. Выходные напряжения первого и второго блоков 11 и 12 выборки и хра

нения, соответствующие амплитуде сигналов U (t) и и (t) в момент выборки поступают, соответственно, ни. первый и второй входы узла 15 измерения отношения напряжений, на первом выходе которопо формируется пропорциональный отношению напряжений позиционный код, который цифроаналоговым преобразователем 16 преобразуется в постоянное напряжение V (фиг.2е, Зе) Напряжение V, на вьгходе цифроаналогового преобразователя 16,.связано с размером измеряемого изделия 19

35

40

зависимостью а KV

Q

где К

- ко- 5

эффициент пропорциональности. /1ля линеаризации передаточной характёристи.- ки измерителя необходимо выполнить операцию извлечения корня квадратноВ качестве элементов в устройстве могут быть использованы следующие элементы: He-Ne лазер ЛГН-208; оптический модулятор Mn-5J объектив (Фу- рье-преобразующая линза), в задней фокальной плоскости которой формируется дифракционная картина, соответствующая дифракции Фраунгофера; сканирующее устройство, выполненное в виде вращающегося зеркалаj датчик положения выполнен в виде оптопары (фотодиод ФД-256 и светодиод АЛ-107) с открытым оптическим каналом и пре- рывателя, установленного на основании вращающегося зеркала и жестко связанного с осью вращения; блок нелинейно изменяющегося напряжения, состоящий из триггера (микросхема К155ТМ2), счетчика (К155ИЕ5), дешиф- ратора-демультиплексора .(К155ВДЗ) источника опорного напряжения (142ЕН2Б), электронных ключей (микго. Для этого после окончания форми- 50 росхемы 590КН5), набора проводимостей (резисторы типа ОМЛТ-0,125), решающего операисионного усилителя, работающего в режиме активного RC-филь- тра (К544УД1А) фотоприемник (фото- 55 диод ФД-256, работающий в паре с .операционным усилителем К544УД1А){ первый, второй и третий дифференциаторы (дифференциаторы с формирующеинерцирования цифроаналоговым преобразователем 16 напряжения V на втором выходе узла 15 измерения отношения напряжений появляется короткий импульс (фиг.2д, Зд), который поступает на вход функционального преобразователя 14 и первый вход триггера 18. При этом на выходе триггера 18 устанав

ливается сигнал высокого уровня (1) (фиг.2ж, Зж), а функциональный преобразователь 14 с этого момента вре-. кени вырабатывает нелинейно изменяющееся напряжение V постоянного тока (фиг.2е, Зе), реализующее зависимость -ivy и согласованное с амплитудной характеристикой цифроаналогового преобразователя 16.

Выходные напряжения функцибналь- ного преобразователя 14 и цифроаналогового преобразователя 16 (фиг.2е, Зе) поступают, соответственно, на первый и второй входы узла 17 сравнения, в момент равенства поступив0

5

0

5

0

5

пшх на входы напряжений (фиг,2е, Зе) на выходе узла 17 сравнения формируется короткий импульс, который по- . ступает на второй вход триггера 18 и переворачивает его. Па выходе триггера 18 появляется сигнал низкого уровня (О) (фиг.2ж, Зж).

Длительность импульса положительной полярности (фиг.2ж, Зж) на выходе триггера 18 прямо пропорциональна линейному размеру измеряемого изделия 19.

В качестве элементов в устройстве могут быть использованы следующие элементы: He-Ne лазер ЛГН-208; оптический модулятор Mn-5J объектив (Фу- рье-преобразующая линза), в задней фокальной плоскости которой формируется дифракционная картина, соответствующая дифракции Фраунгофера; сканирующее устройство, выполненное в виде вращающегося зеркалаj датчик положения выполнен в виде оптопары (фотодиод ФД-256 и светодиод АЛ-107) с открытым оптическим каналом и пре- рывателя, установленного на основании вращающегося зеркала и жестко связанного с осью вращения; блок нелинейно изменяющегося напряжения, состоящий из триггера (микросхема К155ТМ2), счетчика (К155ИЕ5), дешиф- ратора-демультиплексора .(К155ВДЗ) источника опорного напряжения (142ЕН2Б), электронных ключей (мик0 росхемы 590КН5), набора проводимосэнными звеньями на базе операиконных усилителей K5A4yfllA)j первый и второй блоки выборки и хранения (микросхемы K1100CK2)j блок cинkpoнизaции содержит триггер (К155ТМ2) и последовательно соединенные компаратор 521 САЗ, жидкий мультивибратор, формирователь узкого импульса (микросхема К155АГЗ) и логический элемент (К135ЛАЗ), второй вход которого соединен с выходом триггераJ функциональный преобразователь состоит из ждущего мультивибратора (К155АГЗ), генератора импульсов, выполненного на двух последовательно включенньк инверторах (К155ЛН1) с кварцевым резонатором в петле обратной связи, счетчика импульсов (К155ИБ5), дешифратора (К155ИДЗ), набора электронных ключей (микросхемы 590 KII5), набора, проводимостей (резисторы ОМЛТ-0,125) операционного усилителя К544УД1А с RC-цепью в петле отрицательной обратной СВЯЗИ} цифроаналоговый преобразователь (микросхема 594 ПА1)} узел сравнения (последовательно соединенные микросхемы 521САЗ и K155Ari)i триггер (микросхема К155ТМ2); узел измерения отношения .напряжений состоит из входньщ каскадов усиления (микросхемы К544УД1А), источника опорного напряжения (142ЕИ2Б), логи- че.ского элемента 2И (К155ЛАЗ), генератора импульсов заполнения, выполненного на последовательно включенных двух янверторах (К155ЛН1) с кварцевым резонатором в петле обратной связи, счетчика импульсов (К155ИЕ5) и времяимпульсной делительной схемы, на выходе которой частное отображается длительностью импульса, который при помощи логического элемента 2И и генератора заполняющих импульсов заполняется импульсами высокой частоты, которые регистрируются счетчиком.

Возможны два временных режима работы измерительного устройства: если время преобразования информации (сумма .времени измерения отношения, циф- роаналогового преобразования и вычисления корня квадратного из полученного отношения) приблизительно равно или превосходит период измерительног сигнала, то режим работы соответствует рассмотренному, т.е. осуществляется привязка к моментам перехода через ноль сигнала после диdxber)eи1щрования (фиг.2), если время преобразования значительно меньше периода сигнала, то за один период сигнала выполняется несколько циклов измерения (фиг.З). В этом случае между моментами перехода сигнала через ноль на вькоде блока 13 синхронизации появляется пачка, импульсов, которые задают частоту измерений. Для обеспечения такого режима работы в блок 13 синхронизации дополнительно вводится логически управляемый генератор импульсов, который включается между

мультивибратором и формирователем узкого импульса.

Для получения сигнала одинаковой полярности на выходах первого и третьего дифференциаторов дифференцируемый сигнал поступает на неинвертирующий вход первого и второго дифференциаторов и на инвертирующий вход третьего дифференциатора.

Формула изобретения

1.Дифракционный способ измерения линейного размера изделия, эаключающийся в том, что облучают объект когерентным монохроматическим пучком света, формируют дифракционную картину, которую сканируют с одновременным вьфавниванием освещенности дифракционных максимумов и преобразованием полученного измерительного сигнала в гармонический электрический сигнал, отличающийся тем, что, с целью повышения точности

измерения и быстродействия, мгновенное значение гармонического сигнала трижды последовательно дифференцируют, измеряют в заданный момент времени значения амплитуды сигнала

после первого и третьего дифференцирования, вычисляют отношение значений амплитуды третьей к амплитуде первой производных от гармонического сигнала, о размере судят по результату извлечения корня .квадратного из отношения значений третьей и пер-. вой производных,

2.Устройство Для измерения линейного размера изделия, содержащее оптически связанные лазер, модулятор интенсивности излучения, объектив, блок сканирования дифракционной кар тины и фотоприемник, датчик положения, связанный с блоком сканированияj

блок формирования нелиппйио изменяющегося напряжения, вход которого подключен к выходу датчика положения, а выход - к управляющему входу модулятора интенсивности, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, оно снабжено последовательно соединенными первым, вторым и третьим дифференци- аторами гармонического сигнала, первым и вторым блоками выборки и хранения, блоком синхронизации, блоком вычислений , состоящим из функционального преобразователя и последователь но соединенных узла измерения отношения напряжений, цифроаналогового преобразователя, узла сравнения и триггера, выход фотоприемника соединен с входом первого дифференциатора выход которого соединен также с аналоговым входом первого блока выборки и хранения и первым входом блока синхронизации, выход третьего дифференциатора соединен с аналоговым входом второго блока выборки и хранения, выход датчика положения соединен с вторым входом блока синхронизации, выход которого соединен с логическими входами первого и второго блоков выборки и хранения и установочным входом узла измерения отношения напряжений, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго блоков выборки и хранения, второй выход узла измерения отношения напряжений соединен с вторым входом триггера и входом функционального преобразователя, выход которого соединен с вторым входом .узла сравнения.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров. Цель изобретения - повышение точности и быстродействия - достигается за счет исключения погрешностей, связанных с определением фазы и амплитуды обрабатываемого сигнала, и уменьшения времени обработки сигнала путем использования обработки, в котором а определяется по отношению первой и третьих производных сигнала U(t). Лазер 1 облучает изделие 19 световым лучом, интенсивность которого изменяется модулятором 2 так, чтобы максимумы злектрического сигнала, полученные с выхода фотоприемника 5, в результате .сканирования дифракционной картины блоком 4 сканирования были равны по амплитуде. Электронная схема, подключенная к выходу фотоприемника 5, осуществляется вычислением по формуле а--л1и (t)/u (t). 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Фиа. 2

.З

Редактор Т.Парфенова

Составитель В.Чулков Техред Л.Сердюкова

Заказ 1349/47

Тираж 683

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина,101

Корректор Л.Патай

Подписное