Устройство для измерения линейных размеров Советский патент 1992 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к электрооптическим измерителям геометрических размеров.

Известно фазоимпульсное устройство для измерения размеров изделий, содержащее последовательно расположенные объектив, блок сканирования, выполненный в виде установленной с возможностью вращения системы оптических элементов с плоскими отражающими поверхностями, расположенными под углом относительно друг друга фотоприемник и электронный блок обработки информации. Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство контроля положения линзы Френеля .содержащее лазер .блок раздвоения светового пучка, механизм обтюрации с датчиком его положения, механизм сканирования световых лучей, датчик положения, объектив фотоаппарата, поворотное зеркало, выполненное в виде объектива, в фокальной плоскости которого расположен позициейно-чувствительный фотоприемник, связанный с электронным 4 блоком обработки информации,

Недостатком известного устройства является ограничение точности измерения из- за дискретности расстояния между отдельными элементами позиционно-чувст- вительного фотоприемника, Кроме того, точность ограничивается разбросом параЬ. N

N -N

метров позиционно-чувствительного фотоприемника, а именно:

неравномерностью чувствительности от - дельных элементов фотоприемника;

значительным технологическим допуском на позиционирование отдельных элементов фотоприемника.

Целью изобретения является повышение точности измерения линейных размеров,

Указанная цель достигается тем, что устройство, содержащее последовательно ус- тановленные лазер, блок разделения светового пучка на два, механизм обтюрации, объектив, светоделитель, приемную оптическую систему, выполненную в виде второго объектива и позиционно-чувствительного фотоприемника, установленного в фокальной плоскости второго объектива, и блок обработки информации, электрически связанный с фотоприемником, снабжено сканирующим элементом, установленным между вторым объективом и фотоприемником, и датчиком положения сканирующего элемента, связанного со сканирующим элементом и блоком обработки информации.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - схема хода лучей для трех положений контролируемой поверхности; на фиг, 3 - сканирующий элемент; на фиг. 4 - схема хода лучей черезплоско пэ- раллельную пластину.

Устройство для контроля линейных размеров (фиг. 1) содержит лазер 1, оптический блок 2 раздвоения светового пучка, механизм 3 обтюрации с датчиком 4 его положения, объектив 5, светоделительный элемент б, второй объектив 7, в фокальной плоскости которого расположен позициомно-чувствп- тельный фотолриемник 8, связанный с электронным блоком 9 обработки информации, сканирующий элемент 10, датчик 11 положения сканирующего элемента, механизм 12 транспортировки контролируемой поверхности, датчик 13 положения контролируемой поверхности.

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок от лазера 1 делится оптическим блоком 2 на два параллельных пучка, которые проходят через механизм 3 обтюрации 3 и объектив 5, попадают на контролируемую поверхность 14, на которой формируются два световых пятна. Вследствие диффузного отражения от матовой кон- гролируемой поверхности образуются пучки лучей, направленные обратно к объективу 5, которые проходят его в обратном направлении, отражаются от светодели- тельного элемента 6 и попадают в объектив

7, который формирует в фокальной плоскости на позиционно-чувствительном фотоприемнике 8 изображение световых пятен в виде штрихов (объектив 7 содержит цилин- дрическую линзу 15).

Принцип работы устройства измерения линейных размеров заключается в следующем.

В электронный блок с пульта ЭВМ вво- дится эталонное значение заданного линейного размера, который крепится в ЭВМ на протяжении всего измерения,

Непосредственно процесс измерения осуществляется следующим образом: контролируемая поверхность смещается на заданный шаг;

на ПЗС-линейке в результате диффузного отражения от контролируемой поверхности и коммутации обтюратором луча лазера формируются поочередно два штриха;

по сигналу блока обработки информации с помощью сканирующего элемента осуществляется сдвиг световых пятен вдоль позиционно-чувствительного фото- приемника, Процесс контролируется с помощью датчика положения сканирующего элемента;

сдвиг световых пятен продолжается до момента появления сигнала от светового штриха на очередном элементе позиционно-чувствительного фотоприемника;

информация о координатах штрихов на позиционно-чувствительном фотоприемнике и о состоянии датчика положения скани- рующего элемента поступает в блок обработки информации.

Электронный блок обработки информации определяет величину расфокусировки (фиг. 2) по следующей формуле:

Ь

tlA Df7

где fs - фокусное расстояние объектива 5; f - фокусное расстояние объектива 7;

А - расстояние между световыми штрихами в плоскости фотоприемника; D- расстояние между пучками лучей. Знак величины расфокусировки опреде- ляется информацией с датчика 4 и очередностью появления световых пятен на матовой контролируемой поверхности.

Первоначально величина оценивается грубо, по количеству элементов позицион- но-чувствительного фотоприемника, расположенных между световыми штрихами.

Затем по команде блока обработки информации световые пятна сдвигаются вдоль позиционно-чувствительного фотоприемника с помощью сканирующего элемента. Beличина 5t смещения фиксируется с помощью датчика положения сканирующего элемента.

В момент времени, когда один из штрихов при движении вдоль позициокно-чувст- вительного фотоприемника высвечивает очередной его элемент, в блок обработки информации вводятся данные с датчика положения сканирующего элемента и определяется величина смещения д i. Аналогично определяется величина д 2 в момент времени, когда второй световой штрих засвечиваеточереднойэлементпозиционно-чувствительного фото приемника. Поправка расстояния между световы- ми штрихами определяется по формуле

мации. Тогда величина д смещения световых пятен определяется по формуле

А л и т/1 -sin i ч д cfsmi(1 -( )

/ п2 - sin2

(4)

d - толщина плоскопараллельной-пластины;

i -угол падения световых пучков на плоскопараллельную пластину;

п - показатель преломления плоскопараллельной пластины.

Величина угла падения световых пучков на плоско-параллельную пластину (фиг.4)| определяется положением микрометрического винта по формуле

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к электрооптическим измерителям геометрических размеров. Целью изобретения является повышение точности измерения линейных размеров. Световой пучок от лазера 1 делится оптическим блоком 2 на два пучка, которые преобразуются в световые пятна на контролируемой поверхности 14. Изображение штрихов проецируются на поверхность пози- ционно-чувствительного фотоприемника 8 в виде световых штрихов, Затем осуществляют сдвиг световых пятен вдоль позиционно- чувствительчого фотоприемника до тех пор, пока не засветится очередной элемент фотоприемника. Электронный блок определяет измеряемую величину расфокусировки и поправку по расстоянию между штрихами на фотоприемнике и показаниям датчика положения сканирующего элемента 10.4 ил. сл

Д п (52- 51

Для уменьшения погрешности, вызван- ной разбросом параметров отдельных элементов позиционно-чувствительного фотоприемника, определение поправки производится для нескольких элементов позиционно-чувствительного фотоприемника и определяется по формуле статистическая поправка

-1

к 4

пК

(3)

Сканирующий элемент, предназначенный для дозированного сдвига световых пятен вдоль позиционно-чувствительного фотоприемника, может быть выполнен, например, в виде плоскопараллельной пластины 16 (фиг. 4), способной вращаться вокруг оси 0 . При повороте пластины вокруг оси О на угол i осуществляется смещение проходящих через нее световых лучей на величину д . Для поворота плоскопараллельной пластины может использоваться, например, микрометрический винт 17, приводимый в движение электроприводом, связанным с электронным блоком 9 обработки информации.

Датчиком положения сканирующего элемента в этом случае может служить уст- ройство измерения величины поворота мик- рометрического винта 17. Для его реализации можно использовать, например, диск с рядом отверстий, ось которого связана с микрометрическим винтом, и со- гласованные источник и приемник излучения, расположенные по разные стороны диска (фиг. 3), причем выход приемника излучения связан с блоком обработки инфор(2)

I arcsin а/с

(5)

0 5

0

5

,Q .,-

п ,-

с - радиус вращения плоскопараллельной пластины;

а - величина смещения микрометрического винта, определяемая с помощью датчика угла поворота.

Применение устройства для измерения линейных размеров позволяет повысить точность измерений до 1-3 мкм.

Если шаг микрометрического винта 0.5 мм/об, а датчик угла поворота (фиг. 3)содер- жит 8 контрольных отверстий, то погрешность измерения величины а (фиг, 4) составляет 0,5/8 6. 25х10 2.

Тогда погрешность измерения угла i a соответствии с (5) составляет (при с 30 мм):

.3

Тогда погрешность величины смещения световых штрихов в соответствии с (4) при d 1 мм, п 1,5 составляет

д 1,2

Учитывая разброс чувствительности элементов позиционно-чувствительного фотоприемника, достигающий 30%, погрешность измерения составляет 1, мм. Формула изобретения Устройство для измерения линейных размеров, содержащее последовательно установленные лазер, блок разделения светового пучка на два, механизм обтюрации, датчик положения механизма обтюрации, объектив, светоделитель, приемную оптическую систему, выполненную в виде второго объектива и позиционно-чувствительного фотоприемника, установленного в фокальной плоскости второго объектива и блок об- работки информации, электрически связанный с фотоприемником, отличающееся тем, что, с целью повышения

точности измерения линейных размеров, оно снабжено сканирующим элементом, установленным между вторым объективом и фотоприемником,отличающееся тем, что. с целью повышения точности измерения линейных размеров, оно снабжено сканирующим элементом, установленным между вторым объективом и фотоприемником , и датчиком положения сканирующего элемента, связанного со сканирующим элементом и блоком обработки информации.

/ 2 3

Фаг. 2

Фиг. з

Фигл