Устройство для измерения линейных размеров Советский патент 1990 года по МПК G01B11/00 

Фи11

ческой оси излучателя 1, неподвижную дифракционную решетку 5, параллельную решетке 2. Эти решетки формируют два пучка лучей 1-го порядка дифракции, сканирующих параллельно оптической оси навстречу друг другу и прощупывающих границы объекта 6, Фокусирующая система 7 направляет пучки на фотоприемники 10 и 11, информация с которых поступает в электронную схему 12. Пучок лучей 2-го порядка дифракции направляется на образцовую меру длины - спектрометрическую щель и попадает на фотоприемник 16, выход которого также подключен к электронной схеме 12. Устройство также снабжено преобразователем перемещений (интерферометр Майкельсона) для контртоля расстояния между решетками, оптическая ось его совпадает с оптической осью пучка нулевого порядка дифракции. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и производительности измерений за счет одновременного сканирования противоположных границ объекта двумя симметричными коллинеарными пучками одинакового порядка дифракции. Устройство содержит неподвижный излучатель 1, сканирующую дифракционную решетку 2, закрепленную на сканаторе 3, стоящем на направляющей, параллельной оптической оси излучателя 1, неподвижную дифракционную решетку 5, параллельную решетке 2. Эти решетки формируют два пучка лучей 1-го порядка дифракции, сканирующих параллельно оптической оси навстречу друг другу и "прощупывающих " границы объекта 6. Фокусирующая система 7 направляет пучки на фотоприемники 10 и 11, информация с которых поступает в электронную схему 12. Пучок лучей 2-го порядка дифракции направляется на образцовую меру длины - спектрометрическую щель и попадает на фотоприемник 16, выход которого также подключен к электронной схеме 12. Устройство также снабжено преобразователем перемещений (интерферометр Майкельсона) для контроля расстояния между решетками, оптическая ось его совпадает с оптической осью пучка нулевого порядка дифракции. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для автоматизированного бесконтактного измерения линейных рамеров, пространственного положения и геометрических параметров объектов в машиностроении, в частности в гиб- ких производственных системах.

Цель изобретения - повьш1ение точности и производительности измерений за счет одновременного сканирования противоположных границ объекта двумя симметричными коллинеарными пучками одинакового порядка дифракций.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2- основные элементы оптической схемы устройства, линейные и угловые расстояния между ними; на фиг. 3 показаны, траектории движения лучей, сканирующих границы объектов R, грани1№1 щели S, а также пояснен смысл основных обозначений; на фиг. 4 структурная схема задающего енера- тора; на фиг. 5 и 6 - структуры первого и второго вариантов электронной схемы; на фиг. 7 - принципиаль- ная схема формирователя сигналов фотоприемников; на фиг. 8 и 9 показаны диаграммы основных сигналов задающего генератора и электронной схемы и входного формирователя.

Устройство содержит излучатель 1 (лазер), оптическая ось которого перпендикулярна плоскости штрихов сканирующей дифракционной решетки 2, : укрепленной на сканаторе 3, стоящем на направляющей 4, параллельной оптической оси излучателя 1. Неподвижная дифракционная решетка 5 установлена параллельно плос5

0 5

д

Q 5 Q

кости сканирующей решетки 2 и выполнена голографической трехмерной с синусоидальным законом модуляции диэлектрической проницаемости. Контролируемый объект 6 помещен в рабочем пространстве между неподвижной решеткой 5 и фокусирующей системой 7, состоящей из двух идентичных фокусирующих элементов 8 и 9, симметрично расположенных по отношению к оптической оси излучателя 1. В фокусах элементов 8,и 9 установлены соответственно фотоприемники 10 и 11, выходы которых подключены к первому и второму входам электронной схемы 12, выход которой соединен с блоком 13 индикации, а входы синхронизации - с первым и вторым выходами задающего генератора 14, третий выход которого подключен к сканатору 3.

Устройство содержит также дополнительную меру 15 длины, выполненную, например, в виде спектрометрической щели, центр которой лежит на оптической оси дифрагированного пучка, например, второго порядка, а кромки щели перпендикулярны плоскости сканирования. За щелью укреплен фото - приемник 16, чувствительная площадка которого превышает ширину щели. Выход фотоприемника 16 подключен к третьему входу электронной схемы 12.

Для расширения диапазона измерения устройство снабжено преобразователем перемещений для контроля среднего расстояния между решетками 2 и 5, например, интерферометром Майкельсона типаИПЛ-30 К1, неподвижный отражатель 17 которого укреплен на тыльной стороне решетки 5, а собственно интерференционньм блок 18 прикреплен К сканатору 3 так, что его

51

.оптическая ось совпадает с оптической осью пучка нулевого порядка дифракции .

Устройство работает следующим образом.

Пучок коллимированного монохроматического излучения от излучателя 1 падает по нормали на сканирующую дифракционную решетку 2, например го- лографическую, укрепленную на скана- торе, и движущуюся, например, по треугольному -закону. Вьщеленные пучки +1 порядка, попадают на неподвижную Дифракционную решетку 5 и диафрагируют вторично. Оптимальные углы для пучков +1 порядков составляют Q (30-45°). Размер решетки 5 выбирают равным диапазону измерения. Для измерения больших объектов решетки 5 может быть выполнена из двух симметрично расположенных частей. После дифракции падающих пучков на решетке 5 выделяют два коллинеарных пучка А, (+1, -1) и A.j(-1, +1), оптические оси которых параллельны оптической оси излучателя 1, .

Вследствие сканирования расстояни между осями пучков изменяется. Эти измерительные пучки используются ана логично губкам г-шкрометра для измерения расстояния между границами конролируемого объекта R , .и Е ,

На фиг. 3 а, б показаны траектории пучков А, и Aj, сканирующих с амплитудой 1,tg 0, по отношению к точкам Qf и , положение границ контролируемого объекта R и R . Фиксация промежутков времени . с , t отсчитанных от моментов реверса направления сканирования до моментов

затемнения t, t, определяемых как моменты пересечения границ объекта R и R оптическими осями пучков А и А позволяет измерить линейный размер объекта L из соотношения

L 2tg в, Clo - IT (1 - 2

i , /Я

Ь, + (-2

Аналогичные операции происходят при

обратном ходе пучков А. и А/,, J

При одновременном сканировании контролируемого объекта 6 и образцового объекта-щели 15 шириной S (тра- ектория опорного пучка показана на фиг. За) размер объекта находят из соотношения:

L R, - F 2tg8, (1,-1, +

S

2V

).

Электронная сх«ма устройства работает следующим образом.

Задающий генератор 14 состоит из последовательно соединенных кварцо- ванного высокочастотного генератора, 19 импульсов, делителя частоты 20 и подключенных к его выходу счетных триггеров 21 и 22 соответственно с прямым и инверсным входами (фиг. 8),

Электронная схема 12 содержит соединенные фотоприемниками 10 и 11 входные формователи 23, выходы которых связаны со входами коньюнкторов Q ЗИ 24 и 25. Вторые входы коньюнкторов 24 и 25 подключены к входу 4, а третьи - к входу 5. К этим же входам 4 и 5 подсоединеньп входы коньюнк- тора 26, его выход связан с ОПОРНЫМИ 5 входами узлов 27 и 28,нормирования, измерительные входы которых подключены соответственно к выходам коньюнкторов 24 и 25. Выходы узлов 27 и 28 соединены со входами сумматора 29, подключенного по входу буферного накопителя 30 значений 2( + )/т, необходимых для измерения размера объекта 6.

35

40

45

50

При работе с образцовой мерой длины, щелью 15, в электронную схему

12 (см, фиг. 6) введен еще один формирователь 23, соединенньм с фото- pиeмникo 5 16, два буферных накопи- , теля 31 и 32 значений f, / С ,

t-z/ необходимых для измерения положения границ объекта R и R . При этом второй вход коньюнктора 26 отсоединен от входа 5 схемы и подйлю- чен к выходу вновь введенного формирователя 23. Таким образом, буферный накопитель 30 служит теперь для накопления значений ( 1, -i- i))/ u , необходимых для измерения размеров объекта 6 по сравнению с шириной щели 15.

На фиг, 8 представлены диаграммы основных сигналов U 10 электронной схемы 12, поясняющие принцип ее работы, заключающийся в формировании входных сигналов, выделения промежутков времени от момента реверса до моментов затемнения сканирующего пучка,- превращении их в числовую форму, и

нормировании на промежутки времени, равные Т/2 или t .

Формирователь 23 обстоит из двух последовательно соединенных дифференцирующих звеньев триггеров Шмитта, формирователей импульсов по передним и задним фронтам, коньюнкторов и выходного RS-триггера;

, Преобразование сигналов на входе схемы формирователя, поясненное диаграммами на фиг. 9 состоит в двойном дифференцировании входного сигна да и, имеющего пологую форму, плавающую постоянную составляющую. По эти причинам невозможно непосредственно применение порогового элемента, тогда как совместная обработка сигналов после одинарного (U ,) и двойного (и ) дифференцирования позволяет точно определить моменты наиболее ре кого изменения интенсивности пучков излучения Ад, А и А, т.е. моменты прохождения оптической оси каждого из пучков мимо границы объекта 6 или щели 15.

Затем осуществляется формирование продифференцированных сигналов в прямоугольные ( - и р и определение положения соответствующих-фронтбв ( - Ujg ) , управляющих входами RS- триггера, на выходе которого формируется окончательный сигнал 115-.

Вьшолнение формирователя 23 обеспечивает самосинхронизацию при обработке сигналов и, таким образом, позволяет избежать воздействия случайных импульсных помех как в оптическом тракте, так и на входе электронного.

Формула изобретения

15

20

25

30

35

40

45

0

5

кости которых перпендикулярны оптической оси излучателя, а среднее расстояние между решетками выбирается из условия

-%/J г 2,1

n.- - -Ssf--4

где L - диапазон измерений;

d - период решетки;

m - порядок дифракции;

/ - длина волны излучения, первая решетка установлена с возможностью колебаний вдоль оптической оси, а вторая неподвижна, плоскости дифракции обеих решеток совпадают с плоскостью измерения, фокусирующая система выполнена в виде двух одинаковых фокусирующих элементов, расположенных в плоскости измерения симметрично оптической оси, в фокусах которых размещены первый и второй фотоприемники, соединенные сбответст--. венно с первым и вторым входами электронной схемы.

с корпусом узла сканирования установленного с. возможностью перемещения вдоль оптической оси излучателя, совпадающей с оптической осью интерферометра Мейкельсона, а фотоприемный узел преобразователя подключен к входу блока индикации.

5

.

-1

Фиг. 2

19

%

Фиг 5

зг

1Z

е

20

21

Фиг. 4

.

Фиг.6

Фиг л