Способ измерения толщины стенки прозрачных труб и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01B11/08 

СП К9 Ю

О

со

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения толщины стенки труб. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет устранения влияния смещения трубы относительно оптической системы. Для этого от источника 1 трубы направляют на поверхность 6 пучок излучения в виде узкой полосы. Оптической системой 2 строят в плоскости фотоприемника 5 изображения световых пучков, отраженных от наружной и внутренней поверхностей трубы 6. Посредством коллиматора и пространственного фильтра 4 отраженные пучки ограничивают до параксиальных. 2 с.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

/

ff

Изобретение относится к контроль- но Измерительнрй технике, а именно к оптико-электронным измерительньв : приборам, и может быть использовано для измерения толщины стенки труб из стекла, кварца или прозрачной пластмассы.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет, устранения влияния смещения контролируемой трубы и ее переноса относительно оптической системы.

На фиг. 1 показано устройство, обпщй вид; на фиг. 2 - разрез А-А на |иг. 1 j на фиг. 3 -«разрез Б-Б на фиг. 1.

Устройство содержит источник .1 направленного пучка излучения, оптическую систему 2 переноса изображе- ния (цилиндрическую линзу), цилиндрический объектив 3, пространственны фильтр (щелевую диафрагму) 4 и сканирующий фотоприемник 5 (линейку фотодиодов, в которой совмещены функции узла сканирования и фотоприемника). Оптические оси источника 1 излучения и оптической системы 2 расположены в плоскости XOY, образованной осью трубы и осью освещающего пучка под .углом 2о/ друг к другу. Между источником 1 излучения и оптической сие-. темой 2 переноса изображения в точке пересечения их оптических осей щена стенка контролируемой трубы 6.

Способ осуществляется; следующим образом.

Контролируемую трубу ;6 устанавливают между источником 1 излучения и оптической системой 2 переноса изоб- ражения. От источника 1 излучения на поверхность трубы 6 направляют пучок излучения в виде узко и светово полосы, перпендикулярной к плоскости XOY, Большую ось сечения освещающе- го пучка, располояюнную перпендикулярно оси трубы, выбирают равной, например, диаметру трубы (зависит от диапазона колебаний трубы при измерении) . Оптическая система 2 строит в плоскости 5)отоприемника 5 изображение двух световых пучков, отраженных от наружной и внутренней поверхностей стенки трубы. Цилиндрическая оптическая система 2 расположена так, что радиусы кривизны ее преломляющих поверхностей лежат в плоскости XOY, а сама она работает как система переноса изображения. Отраженные от стен

o

s

0 5 о

Q п

5

ки трубы пучки излт чения ограничивают по апертуре при помощи коллиматора, состоящего из объектива 3 и пространственного фильтра 4. В плоскости изображения сканируют фотоприемником 5 изображения отраженных пучков и преобразуют их в электрические сигналы (последовательность двух коротких импульсов), по которым определяют толщину стенки трубы. Временной интервал между импульсами пропорционален толщине стенки трубы.

Цилиндрический объектив 3 расположен таким образом, что его оптическая ось совпадает с осью оптической системы 2, а радиусы кривизны преломляющих поверхностей лежат в плоскости, перпендикулярной к плоскости XOY. При этом в плоскости XOY объектив 3 работает как плоскопараллельная пластина, которая практически не изменяет параметры системы переноса изображения и величину эквивалентного фокусного расстояния оптической системы. В задней фокальной плоскости объектива 3 расположен пространственный фильтр 4, имеющий форму щелевой диафрагмы, длинная сторона которой параллельна плоскости XOY, В плоскости, перпендикулярной к плоскости XOY, объектив 3 совместно с диафрагмой 4 работает как коллиматор, а оптическая система. 2 - как плоско- параллельная пластинка, которая практически не изменяет эквивалентное фокусное расстояние коллиматора. При этом объектив 3 собирает на щели пространственного фильтра 4 только световые лучи, отраженные от определенных участков трубы, в данном случае - от ее вершины (точка В), которые распространяются параллельно оптической оси объектива. Лучи, отраженные от соседних участков трубы под другими углами к оптической оси (ц| 0), экранируются пространственным фильтром 4 и не достигают фотоприемника 5. Благодаря такой схеме при смещениях трубы относительно оптической .системы на величину Л на фотоприемник всегда попадают лучи, отраженные от одних и тех же участков трубы, в данном случае от ее вершины (точка В). При этом расстояние между изображениями световых лучей, отраженных от наружной и внутренней поверхностей стенки трубы, остается неизменным, а значит не изменяется

и результат измерения толщины стенки трубы.

Расстояние t между осями световых пучков в плоскости фотоприемника 5 связано с толщиной стенки трубы и углом падения освещающего зависимостью:

t 2.S-V -coso tg/3,

где S толщина стенки трубы}

V - коэффициент увеличения оптической системы;

, /sini v р, - arcs in С) - угол между

направлением распространения переломленного луча и плоскостью поперечного сечения трубы

п - показатель преломления материала трубы.

Величина t достигает максимального значения при угле падения с о „т Вблизи этого угла расстояние t между осями регистрируемых световых пучков достигает максимального значения, а его частная производная равна нулю

jt Qd

0.

Следовательно, вблизи угла о/опт достигается максимальная чувствительность устройства к изменению толщины стенки и минимальная чувствительность к наклону трубы относительно оптической схемы. Оптимальный угол падения является корнем этого уравнения, которое после дифференцирования и тождественных преобразований принимает вид:

1

Vni - - sinV) О

Согласно предлагаемому способу величина угла t/ выбрана равной корню уравнения (1). Благодаря этому устройство имеет минимально возможную чувствительность к наклону трубы относительно оптической схемы, что повышает точность измерения толщины стенки трубы при колебаниях и наклонах трубы.

В устройстве система переноса изображения может быть выполнена из

двух сферических линз. Цилиндрический объектив 3, расположенный между этими линзами, работает в плоскости XOY как плоскопараллельная пластинкаj которая не изменяет эквивалентного фокусного расстояния системы переноса изображения. Роль коллиматора в плоскости, перпендикулярной к плоскости XOY, выполняют сферические и цилиндрические линзы и пространственный .фильтр 4, расположенный в их эквивалентной фокальной плоскости F .

Аберрационный расчет оптической схемы -.устройства показал, что система переноса изображения обладает наименьшими полевыми аберращ1.ями, а значит и более высокой точностью передачи изображения в том случае, если она выполнена с однократным увеличением по симметричной схеме с телецентрическим ходом лучей. В такай схеме полевые аберрации первой с.фери- ческой линзы кокшенсируются равными по величине и обратными по знаку аберраци- ями второй линзы,что обеспечивает при смещениях стенки трубы относительно оп- тичееКой схемы неизменное расстояние

между изображениям отраженных лучей.

ь

35

40

45

50

Формула изобретения

1, Способ измерения толщины стенки прозрачных труб, заключающийся в том, что направляют пучок излvчeния на измеряемую трубу под углом 0° х 90 к плоскости ее поперечного сечения, формируют изображения двух пучков, отраженных от наружной к внутренней поверхностей стен ки трубы в плоскости фотоприемного устройства, сканируют полученные изображени.ч и преобразуют их в электрические сигналы, по которым определяют толщину стенки трубы, о т л и ч а ю ct и и с я тем, что, с целью повышения точности из- мерений, ограничивают отраженные пучки излучения по апертуре до параксиальных пучков в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной осью трубы и осью освещающего пучка, а угол определяют из уравнения

1

Vn - sinV

(т

cos «

г

sin о(

- ) О,

где п - показатель преломления материала .трубы.

/7о BepxHocnf mptjSt

ра, объектив выполнен из сферических или цилиндрических линз и ориентирован так, что радиусы кривизны линз расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной осью системы формирования освещающего пучка и осью оптической системы переноса изображения, а пространственный фильтр установлен в эквивалентной фокальной плоскости объектива и оптической систеьб) переноса изображения, совмещенной с плоскостью, фотоприемника.

г,з