Фотоимпульсный измеритель размеров объектов Советский патент 1992 года по МПК G01B21/02 

XI

ь.

Јь О

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для бесконтактного измерения размеров объектов, например деформация образцов при механических испытаниях.

Известен измеритель ширины объектов, содержащий оптико-электронный датчик, формирователь измерительного импульса и блок обработки информации.

Однако такой измеритель имеет недостаточную точность измерения при расфокусировании изображения кромок объектов малого радиуса кривизны при появлении краевых дифракционных эффектов, поскольку в блоке обработки информации отсутствуют средства автоматической коррекции погрешности, вызываемой изменением формы видеоимпульса.

Известно устройство для измерения поперечных размеров, содержащее лазер, блок сканирования, оптический датчик, дифференциатор, компаратор. В этом устройстве используется метод, позволяющий исключить влияние колебаний интенсивности лазерного пучка на результаты приводимых измерений.

Однако этот метод не позволяет исключить погрешности измерения, связанные с нестабильности уровня срабатывания компаратора, с помощью которого определяются моменты совпадения уровня видеосигнала с уровнем компарирования,. Кроме того, в основу работы этого устройства положена обработка дважды продифференцированного видеоимпульса. Резкое ухудшение при этой операции отношения сигнал - высокочастотный шум ухудшает метрологические характеристики и ограничивает применение подобных устройств.

Наиболее близким к предлагаемому является фотоимпульсный измеритель размеровобъекта,содержащий оптико-электронный датчик с дискретным фотоэлектрическим преобразователем, генератор опроса, формирователь измерительных импульсов, логический элемент И, сетки, логический ключ с тремя входами, логический элемент ИЛИ, формирователь измерительных импульсов, выполненный с двумя выходами импульсов длительности фронта и выходом импульсов скважности. Выход оптико-электронного датчика с дискретным фотоэлектрическим преобразователем подключен к входу формирователя измерительных импульсов, вход- к первому выходу генератора опроса, второй выход которого подключен к первому входу логического элемента И. Второй вход элемента И подключен к выходу импульсов скважности формирователя измерительных импульсов.

Первый и второй входы логического ключа подключены к соответствующим выходам импульсов длительности фронтов формирователя измерительных импульсов. Генератор опроса выполнен трехчастотным с тремя выходами. Кроме того, формирователь измерительных импульсов описанного устройства выполнен в виде двух компараторов, триггера и дифференциатора, вход

которого является входом формирователя измерительных импульсов, а выход соединен с входами компараторов. Выход первого компаратора соединен с первым входом триггера и является первым выходом импульсов длительности фронта формирователя измерительных импульсов. Выход второго компаратора соединен с вторым входом триггера и является вторым выходом импульсов длительности фронта формирователя измерительных импульсов, а выход триггера является выходом импульсов

скважности формирователя измерительных импульсов.

Однако такой измеритель характеризуется недостаточной точностью измерений объектов вследствие проявления краевых

эффектов, преимущественно при исследовании объектов с краями малого радиуса кривизны (,0 мм) (проволока, оптические волокна).

При использовании описанного устройства дифракционная картина, например, от цилиндрического образца имеет особенности, связанные с подсветкой фотоприемника отраженным излучением от переднего края образца и дифракцией его по заднему

краю. Влияние дифракции тем больше, чем меньше радиус кривизны края цилиндрического образца.

В результате дифракции изменяется распределение интенсивности освещенности поверхности фотоприемника вблизи границы перехода от света к тени на краю образца. Следствием является нарушение симметрии огибающей фронта видеосигнала относительно точки перегиба фронта

(точки, в которой производная огибающей максимальная и положение которой характеризует геометрический край образца). В результате использования описанного устройства импульсы, соответствующие длительности фронтов видеоимпульса, оказываются несимметричными относительно точки перегиба. В этом случае алгоритм обработки видеосигнала, при котором импульсы длительности фронтов заполняются частотой 0,5f0 (где f0 - основная частота заполнения видеоимпульса), дает погрешность при изменении уровня освещенности, расфокусировке, изменении

уровней компанирования. Величина этой погрешности тем больше, чем больше несимметричность фронтов видеоимпульса относительно точек перегиба. Поэтому описанное устройство не обеспечивает требуемой точности измерений при исследовании объектов с краями малого радиуса кривизны (,0мм).

С целью повышения точности измерений путем уменьшения краевого эффекта, преимущественно при исследовании объектов с краями малого радиуса кривизны, известный фотоимпульсный измеритель размеров объекта, содержащий оптико- электронный датчик с дискретным фотоэлектрическим преобразователем, генератор опроса, формирователь измерительных импульсов с дифференциатором на входе, двумя компараторами и триггером на выходе, логический элемент И, счетчик, логический ключ с тремя выходами, логический элемент ИЛИ, формирователь измерительных импульсов, выполненный с двумя выходами импульсов длительности фронта и выходом импульсов скважности, выход оптико-электронного датчика с дискретным фотоэлектрическим преобразователем подключен к входу формирователя измерительных импульсов, вход- к первому выходу генератора опроса, второй выход которого подключен к первому входу логического элемента И, второй вход элемента И подключен к выходу импульсов скважности формирователя измерительных импульсов. Первый и второй входы логического ключа подключены к соответствующим выходам импульсов длительности фронтов формирователя измерительных импульсов, генератор опроса выполнен трехчастотным с тремя выходами, согласно изобретению дополнен коммутатором частоты, первый вход которого соединен с третьим выходом генератора опроса, второй - с третьим выходом формирователя измерительных импульсов, а выход подключен к третьему входу логического ключа.

Коммутатор частоты содержит первый и второй делители частоты, элемент НЕ и эле- мент2-2И-2ИЛИ-НЕ, при этом входы первого и второго делителей частоты соединены с входом коммутатора частоты, а выходы соединены соответственно с первым и четвертым входами элемента 2-2И-2ИЛИ-НЕ, второй вход которого и вход элемента НЕ соединены с вторым входом коммутатора частоты. Выход элемента НЕ соединен с третьим входом элемента 2-2И-2ИЛИ-НЕ, выход которого является и выходом коммутатора частоты.

Кроме этого дифференциатор содержит нормирующий усилитель, два устройства выборки и хранения сигнала, аналоговый коммутатор, вычитатель, схему управления. Входы нормирующего усилителя и схемы

управления соединены с входом дифференциатора, выход нормирующего усилителя подключен к первым входам устройства выборки и хранения, второй вход первого устройства выборки и хранения соединен с

первым выходом схемы управления, второй вход второго устройства выборки и хранения соединен с вторым выходом схемы управления, а третий выход схемы управления подключен к третьему входу аналогового

коммутатора, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго устройства выборки и хранения. Первый и второй выходы аналогового коммутатора соединены соответственно с первым и вторым входами вычитателя, выход которого является выходом дифференциатора.

При появлении сигнала на третьем выходе формирователя измерительных импульсов частота импульсов на выходе коммутатора частоты составляет Kifa, иначе K2f2, где fa - частота импульсов заполнения, следующих с второго выхода генератора опроса;

KI - коэффициент асимметрии (,5...0.7);

К.2 - коэффициент асимметрии (К2 0,5...0,7). Указанное соотношение найдено авторами в результате экспериментов. Так, при ,5 и ,5 возникает погрешность измерения, которая не зависит от размеров объекта. При ,7, ,7 компенсация погрешностей измерения объектов с краями

малого радиуса кривизны осуществляется слабо. Поэтому оптимальным является независимый выбор коэффициентов KI и Ка в пределах от 0,5 до 0,7. При этом значения К1 и К2 могут быть равными.

По сравнению с прототипом введение коммутатора частоты позволяет реализовать следующий алгоритм обработки видеоимпульса:

-формировать измерительный им- пульс, состоящий из трех частей;

-заполнять первую часть измерительного импульса, длительность которой пропорциональная переднему фронту видеоимпульса, частотой Kif2;

- заполнять вторую часть измерительного импульса, длительность которой пропорциональная заднему фронту видеоимпульса, частотой Kzh;

- заполнять часть измерительного импульса, длительность которого равна промежутку между первой и второй частотой f2.

Кроме того, дифференциатор предлагаемого устройства выполнен в виде последовательно соединенных нормирующего усилителя, двух параллельно соединенных устройств выборки и хранения сигнала, коммутатора, вычитателя. Управляет работой схем выборки и хранения и коммутатора схема управления. При такой схеме на выходе дифференциатора формируется разностный сигнал между значениями амплитуды огибающей в предыдущий и последующий такты управления. Этот сигнал пропорционален производной огибающей видеоимпульса. При использовании дискретного фотоэлектрического преобразователя частоты тактов управления синхронизируется с частотой опроса каждой дискреты преобразователя. В этом случае процесс выборки сигнала происходит без погрешности дискретизации. В то же время не происходит усиление высокочастотных шумов, которые значительно усиливаются в известном устройстве при использовании в качестве диф- ференциатора фильтра верхних частот (ФВЧ).

На фиг. 1 представлена структурная схема измерителя; на фиг.2 - временные диаграммы работы измерителя (номера эпюр напряжения на фиг.2 соответствуют номерам узлов, показанных на фиг.1); на фиг.З - функциональная схема дифференциатора; на фиг.4 - временные диаграммы работы дифференциатора.

Измеритель (фиг.1) содержит оптико- электронный датчик 1 с дискретным фотоэлектрическим преобразователем, генератор 2 опроса, формирователь измерительных импульсов, логический ключ 4, элемент И 5, элемент ИЛИ 6, выход которого подключен к входу счетчика 7, частотный коммутатор 8. Выход оптико-электронного датчика 1 подключен к входу формирователя 3 измерительных импульсов, вход - к первому выходу генератора 2 опроса, второй выход которого соединен с первым входом логического элемента И 5, а третий выход соединен с первым входом частотного коммутатора 8. Второй вход элемента И 5 подключен к первому выходу формирователя 3 измерительных импульсов, второй выход которого соединен с вторым входом логического ключа 4. Третий выход формирователя 3 соединен с вторым входом частотного коммутатора 8 и с третьим входом логического ключа 4. Выход логического ключа 4 подключен к первому входу элемента ИЛИ б, второй вход которого соединен с выходом элемента И 5.

Формирователь 3 состоит из дифференциатора 9, вход которого является входом

формирователя 3 измерительных импульсов, компараторов 10 и 11, входы которых подключены к выходу дифференциатора 9, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами триггера 12, причем

0 выходы триггера 12, компараторов 10 и 11 являются соответственно первым и вторым и третьим выходами формирователя 3 измерительных импульсов.

Частотный коммутатор 8 состоит из

5 двух счетчиков-делителей 13 и 14с регулируемой предустановкой коэффициента деления; логического инвертора НЕ 15; логического формирователя 2-2И-2ИЛИ-НЕ 16.

0 Счетные входы счетчиков-делителей 13 и 14 соединены с первым входом частотного коммутатора. Выход счетчика 13 соединен с первым входом логического формирователя; выход счетчика 14 соединен с четвертым

5 входом логического формирователя 16; второй вход частотного коммутатора 8 соединен с вторым входом логического формирователя 16 и через инвертор 15 с третьим входом логического формирователя

0 16, Выход логического формирователя 16 является выходом частотного коммутатора 8.

Дифференциатор 9 предлагаемого устройства содержит нормирующий усилитель

5 17 (фиг.1), вход которого соединен с выходом оптико-электронного датчика 1, а выход соединен с первыми входами двух устройств 18 и 19 выборки и хранения. Вторые входы устройств 18 и 19 соединены соответ0 ственно с первым и вторым выходами схемы 20 управления, вход которой соединен с выходом оптоэлектронного датчика 1. Выходы схем 18 и 19 соединены соответственно с первым и вторым входами аналогового ком5 мутатора 21. Третий (управляющий) вход коммутатора 21 соединен с третьим выходом схемы 20 управления. Первый и второй выходы коммутатора 21 соответственно соединены с первым и вторым (инвертирую0 щим и неинвертирующим) входами вычитателя 22.

Измеритель работает следующим образом.

Изображение измеряемого объекта

5 проецируется на оптико-электронный датчик 1.Фотоэлектрический преобразователь периодически опрашивается генератором 2 опроса. На выходе датчика 1 периодически формируется видеосигнал (фиг.2 а), огибаю- щая которого характеризует распределение

освещенности в изображении измеряемого объекта на дискретном фотоэлектрическом преобразователе. Формирователь 3 измерительных импульсов преобразует видеосигнал, поступающий от датчика 1 в три прямоугольных импульса, последовательно появляющихся на трех выходах формирователя 3 измерительных импульсов и представляющих собой три части измерительного импульса: первую, пропорциональную длительности переднего фронта видеоимпульса (фиг.2, в); вторую, пропорциональную длительности заднего фронта .видеоимпульса (фиг.2, г), и третью, равную промежутку между первыми двумя (фиг.2, д). Происходит это следующим образом.

Видеосигнал с выхода оптоэлектронно- го датчика 1 подается на входы нормирующего усилителя 17 и схемы 20 управления. В усилителе 17 происходит нормировка видеосигнала по уровню и амплитуде (фиг.4,д.1). Пронормированный видеосигнал поступает на первые входы устройств 18 и 19 выборки. На вторые входы устройств 18 и 19 выборки соответственно с первого и второго выходов схемы 20 управления через такт поступают импульсы управления режимом выборки (фиг.4, На, Иб). В результате на выходах устройств 18 и 19 выборки появляются сигналы в виде ступенчатых кривых, высота ступенек у которых равна значению видеимпульса в соответствующий такт выборки (фиг.4, III, IV). Эти сигналы поступают на первый и второй входы аналогового коммутатора 21, который управляется сигналами с третьего выхода схемы 20 управления таким образом, что на первом выходе оказывается сигнал, соответствующий предыдущему такту выборки, а на втором выходе- последующему. В результате на выходе вычитателя 22 появляется кривая, пропорциональная производной видеоимпульса (фиг.4, Va, б).

В такой схеме дифференциатора 9 отсутствуют элементы, которые избирательно усиливают сигнал на высоких частотах (как, например, в фильтре верхних частот) и поэтому такая схема позволяет дифференцировать сигнал без внесения высокочастотных шумов, что повышает точность измерения.

Продифференцированный входной сигнал с выхода дифференциатора 9 (фиг.1) поступает на входы компаратора 10 и 11. Компаратор 10 построен так, что сигнал высокого уровня на его выходе появляется, если уровень его входного сигнала выше верхнего уровня DB (фиг.2, б, в). Компаратор 11 постооен так, что сигнал высокого уровня на его выходе появляется, если уровень его входного сигнала ниже нижнего уровня DH

(фиг.2, б, г). Триггер 12 устанавливается в единичное состояние задним фронтом выходного импульса компаратора 10 и опрокидывается в нулевое состояние передним

фронтом выходного импульса компаратора 11 (фиг.2, в, г, д).

Импульс с третьего выхода формирователя 3, поступающий на второй вход частотного коммутатора 8, поступает

0 одновременно на второй вход логического формирователя 16 и на вход инвертора 15. По этому сигналу заполняющие импульсы с третьего выхода генератора 2 опроса через счетчик-делитель 13 поступают на первый

5 вход логического формирователя 16 и проходят на выход частотного коммутатора 8.

В отсутствие сигнала на втором входе коммутатора 8 заполняющие импульсы с третьего выхода генератора 2, прошедшие

0 счетчик-делитель 16, поступают на четвертый вход формирователя 2-2И-2ИЛИ-НЕ 16 и через него на выход частотного коммутатора 8. В результате с выхода частотного коммутатора 8 следуют заполняющие им5 пульсы с частотой Kif2 при отсутствии импульсов на его втором входе, и с частотой K2f2 при действии этого импульса. Эти заполняющие импульсы поступают на третий вход логического ключа 4.

0 Первый и второй прямоугольные импульсы (фиг.2, в, г), поступая соответственно на второй и первый входы логического ключа 4, вызывают его срабатывание. При этом заполняющие импульсы с выхода частотно5 го коммутатора 8 проходят через ключ 4 на вход элемента ИЛИ 6 в виде двух пачек заполняющих импульсов частотой Kifa и Kaf2 соответственно. Третий прямоугольный импульс (фиг.2 е) с первого выхода формирова0 теля 3 поступает на второй вход логического элемента И, на первый вход которого поступают заполняющие импульсы с второго выхода генератора 2 опроса, имеющие частоту f2.

5 При этом на выходе элемента И 5 формируется пачка заполняющих импульсов частотой f2 длительностью, равной третьему прямоугольному импульсу. Элемент ИЛИ 6 суммирует поток заполняющих импульсов

0 всех трех пачек (фиг.2, е),и направляет их на вход счетчика 7. Выходной цифровой код счетчика 7 равен сумме импульсов, заполняющих измерительный импульс, и пропорционален размеру измеряемого объекта.

5 Пример. Измерению подвергался цилиндрический образец, изготовленный из сплава на основе вольфрама, диаметром 1,997 мм, измеренный предварительно на электронном микроскопе УИМ-23 с погрешностью 0,001 мм.

При выбранных коэффициентах Ki Ка 0,56 погрешность результата не превышала 0,03 мм при изменении яркости осветителя, расфокусировки образца, колебаний уровней компанирования в пределах25% от середины амплитуды продифференцированных фронтов видеоимпульса.

В качестве оптико-электронного датчика 1 использован линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью ФЗПС-1Л-1 (прибор ФППЗ-1Л-1 ОДО, 336.018 ТУ), снабженный источником питания импульсными и постоянным напряжениями. Дифференциатор 9 (фиг.4) выполнен на следующих элементах: нормирующий усилитель - операционный усилитель КР544 УД2, собранный по схеме сумматора с регулируемой отрицательной обратной связью; устройство выборки и хранения - микросхема К1100СК2; схема управления - триггер К155ТМ2, схема совпадения И К155ЛАЗ, инверторы К155ЛН2; аналоговый коммутатор - К590 КН5; вычитатель - операционный усилитель КР544УД2, собранный по дифференциальной схеме с интегрирующей емкостью в цепи обратной связи; элемент НЕ коммутатора частоты - микросхема К155ЛН2; элемент 2-2И-ИЛИ-НЕ - микросхема К155ЛР1; логический ключ и элементы И, ИЛИ - микросхемы К155ЛАЗ, К155ЛЛ1.

Компараторы 9 и 10 построены на микросхемах интегрального компаратора напряжения К521САЗ (К554САЗ). В качестве триггера 12 использована микросхема К155ТМ2.

Генератор 2 опроса состоит из задающего генератора прямоугольных импульсов частотой 10 МГц, выполненного по известной схеме, и делителя частоты с коэффициентом деления 104, выполненного на четырех микросхемах счетчиков Е155ИЕ6. Выход генератора с частотой 10 МГц является третьим выходом генератора опроса, выход делителя с частотой f2 1 МГц является вторым выходом генератора опроса.

Первый и второй счетчики-делители коммутатора 13 частоты собраны каждый на двух двоичных счетчиках К155ИЕ7 с возможностью установки числа от 0 до 32 на входах предустановки этих счетчиков. Счетчики работают в режиме вычитания. Для получения коэффициентов Ki , Ка 0,56 на входах предустановки счетчиков делителей установлено число 13 в двоичном коде.

Экспериментальные исследования макета предлагаемого измерителя размеров объема в составе установки для определения механических характеристик жаропрочных материалов в широком (до 3000°С)

диапазоне температур подтвердили работоспособность предлагаемого устройства и его метрологические характеристики. Большая актуальность высокотемпературных исследованийобусловливает

технико-экономическую эффективность создания высокоточных измерителей, малочувствительных к изменению яркости свечения образца с малым радиусом кри0 визны его краев.

Предлагаемое устройство позволяет по сравнению с прототипом повысить точность измерений при исследовании, преимущественно объектов с краями малого радиуса

5 кривизны (,0 мм) за счет компенсации погрешностей, возникающих при расфокусировке изображения; изменении яркости объекта; нестабильности уровней компанирования формирователя измерительных им0 пульсов, а также повысить точность измерений за счет снижения шумов дифференциатора.

Формула изобретения

1. Фотоимпульсный измеритель разме5 ров объекта, содержащий оптико-электрон- ныйдатчиксдискретным

фотоэлектрическим преобразователем, генератор опроса, формирователь измерительных импульсов с дифференциатором на

0 входе, двумя компараторами и триггером на выходе, логический элемент И, счетчик, логический ключ с тремя выходами, логический элемент ИЛИ, формирователь измерительных импульсов, выполненный с

5 двумя выходами импульсов длительности фронта и выходом импульсов скважности, выход оптико-электронного датчика с дискретным фотоэлектрическим преобразователем подключен к входу формирователя

0 измерительных импульсов, вход-к первому выходу генератора опроса, второй выход которого подключен к первому входу логического элемента И, второй вход элемента И - к выходу импульсов скважности формирова5 теля измерительных импульсов, первый и второй входы логического ключа - к соответ- ствующим выходам импульсов длительности фронтов формирователя измерительных импульсов, генератор опроса выполнен

0 трехчастотным с тремя выходами, отличающийся тем, то, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения краевого эффекта преимущественно при исследовании объектов с краями малого ради5 уса кривизны, он снабжен коммутатором частоты, первый вход которого соединен с третьим выходом генератора опроса, второй - с третьим выходом формирователя измерительных импульсов, а выход подклю- чен к третьему входу логического ключа.

2.Измеритель по п.1, отлича ющий- с я тем, что коммутатор частоты выполнен в виде первого и второго делителей частоты, элемента НЕ и элемента 2-2И-2ИЛИ-НЕ, выходы первого и второго делителей частоты являются входом коммутатора частоты, а входы соединены соответственно с первым и четвертым входами элемента 2-2И-2ИЛИ- НЕ, второй вход которого и вход элемента НЕ являются вторым входом коммутатора частоты, выход элемента НЕ соединен с третьим входом элемента 2-2И-2ИЛИ-НЕ, выход которого является выходом коммутатора частоты.

3.Измеритель по п.1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что дифференциатор выполнен в виде нормирующего усилителя, двух устройств выборки и хранения сигнала, аналогового коммутатора, вычитателя, схемы

управления, входы нормирующего усилителя и схемы управления являются входом дифференциатора, выход нормирующего усилителя подключен к первым входам устройств выборки и хранения, второй вход первого устройства выборки и хранения соединен с первым выходом схемы управления, второй вход второго устройства выборки и хранения - с вторым выходом

схемы управления, а третий выход схемы

управления подключен к третьему входу

аналогового коммутатора, первый и второй

входы которого соединены соответственно

с выходами первого и второго устройства

выборки и хранения, первый и второй выходы аналогового коммутатора - соответственно с первым и вторым входами вычитателя, выход которого является выходом дифференциатора,

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения краевого эффекта преимущественно при исследовании объектов с краями малого радиуса кривизны (R 2 мм). Измеритель содержит оптико-электронный датчик 1 с дискретным фотоэлектрическим преобразователем, генератор 2 опроса, формирова- тель 3 измерительных импульсов, логический ключ 4 с тремя входами, логический элемент ИЛИ 5, логический элемент ИЛ И 6, счетчик 7. Измеритель размеров объекта дополнен коммутатором 8 частоты, который содержит первый 13 и второй 14 делители частоты, элемент НЕ 15 и элемент 2-2И-2ИЛИ-НЕ 16. Дифференциатор 9 в формирователе 3 измерительных импульсов состоит из последовательно соединенных нормирующего усилителя, двух устройств выборки и хранения, аналогового коммутатора, вычитателя. Управляет работой дифференциатора 9 схема управления. Схема позволяет компенсировать несимметричность характеристики сигнала, полученного от видеоизображения и вызванного краевым эффектом. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Объект №2м

свет

л

VVrVVYV

Г

15

I

Фив.3

I I i i i i i il i

a

YL

Редактор С.Лисина

Фиг. 4

Составитель В.Ниженко Техред М.Моргентал

1744464

16

I

. г-Г

Корректор Т.Малец