Способ определения толщины стенки стеклянной трубки и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01B11/06 G01B11/08 

Фаг 1

ми пучков, AL - разность оптического пути первого и второго пучков, причем постоян- ная с определяется из условий д A Urn 2dmin Vn2 - s 11 n - &

ALmax 2 dmax Vn2 si3a+d , ГД6 6длина когерентности излучения, ALmin, ALmax - минимальное и максимальное значение разности оптического пути пучков, dmin, dmax минимальное и максимальное значения толщины стенок трубки и регистрируют разность оптического пути пучков в момент максимального контраста интерференционных полос, по которой судят об искомой величине. При этом углы а, 0 и связаны зависимостью tg 0(sin2 a/2(n - -sin2 a)}; tg 0(sin2 «31/2(n23T-sin2 аэт)). где п,

Пэт-показатели преломления стенки трубки и эталонной пластинки, угол 0отсчитывается от нормали к первой светоделительной пластинке к оси осветительной системы против часовой стрелки, а углы а ,#эт отсчитываются от нормали к оси установки трубки и поверхности эталонной пластинки к оптическим осям, пересекающим их, по часовой стрелке. Расстояние, пройденное пластинкой 4 за время между появлением импульсов с блоков 7,12 измерения контраста интерференционных полос от контролируемой трубки и эталонной плоскопараллельной пластинки 11, фиксируется в счетчике 14, 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - расширение технологических возможностей путем обеспечения возможности измерения толщины стенок трубок, перемещающихся с из- менением ориентации своей оси. Осветительная система, выполненная а виде лазера 1 и объектива 2, формирует сходящийся сферический источник света. Светоделительные пластины 3,4, зеркало 5 и уголковый отражатель 8 формируют два параллельных пучка света А и 5, которые освещают объект и эталонную пластинку 11 под углами а , аэт. При движении светоде- лительной пластинки 4 по направлению к уголковому отражателю 8 расстояние между пучками А и Б, а также разность их оптического пути изменяются по зависимости. + с; AD(vt+c)(sin 2a /2(n2-sin2 а)}, где т - время, v - скорость изменения, п - показатель преломления стенки трубки, и - угол между нормалью к поверхности трубки и осями пучков, ДО - расстояние между ося

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении стеклянных трубок.

Цель изобретения - расширение области использования за счет обеспечения возможности измерения толщины стенок трубок, перемещающихся с изменением ориентации своей оси,

На фиг.1 представлена схема образования интерференционной картины при освещении стеклянной трубки; на фиг.2 - оптическая схема устройства для определения толщины стенок стеклянных трубок.

Стенка трубки освещается двумя параллельными, сходящимися, сформированными путем разделения излучения полупроводникового лазера пучками А, Б когерентного света (фиг.1), которые ориентированы к нормали, опущенной на ось трубки, под углом ее. Блики света а,а , б,б , отраженные от обеих поверхностей трубки, интерферируя попарно между собой, образуют сложную интерференционную картину. Если одновременно изменять расстояние между осями пучков А и Б и разность их оптического пути по зависимости

AL vt+c;(1)

sin 2 а

AD(vt+c)

(2)

2 (n2-sin2«) где t - время,

v- скорость изменения, D - расстояние между осями пучков, разность оптического пути пучков Б и А и постоянная с определяется из условий

dmin-б; (3)

AU

+ 5, (4)

где д- длина -когерентности излучения.

ALrrin, ALmax минимальное и максимальное значения разности оптического пути пучков,

dmini dmax - минимальное и максимальное значения толщины стенки, то в момент времени, когда оси пучков б и а сольются, разность их оптического пути станет равной нулю. Условия (3) и (4) определяют границы

измерения разности оптического пути пучков А и Б.

Учитывая, что регистрация излучения, отраженного от стенки трубки, ведется во всей угловой апертуре, лежащей в плоскости, проходящей через ось трубки в и освещающие пучки, сигнал на выходе регистратора будет определяться только интерференцией лучей б и а в момент их совпадения, поскольку интерференционная

картина, образованная в этот момент времени, характеризуется полосой с бесконечной шириной, в отличие от картин, образованных лучами аи б . а и б .а и а , б и б , а и б и б , а , когда они разнесены

в пространстве, которые всегда представляют собой полосы Юнга и интегрируются фотоприемником регистратора. Таким образом, несмотря на появление контрастных полос, образованных интерференцией

этих лучей, сигнал на выходе фотоприемника будет отсутствовать, кроме того, разность оптического пути пучков не зависит от положения в пространстве трубки, при условии, что угол а не изменяется.

Устройство содержит осветительную

систему, выполненную в виде последовательно установленных полупроводникового лазера 1 и объектива 2, светоделительные

пластинки 3 и 4, ориентированные под углом к оптической оси осветительной систе- мы, и зеркало 5, ориентированное перпендикулярно той же оси; перед поверхностью пластинки 4, обращенной кзеркалу

5,расположена ось 6 установки стеклянной трубки, лежащая в плоскости, проходящей через ось осветительной системы и нормаль к пластинке 4, проходящей через точку пересечения светоделительной пластинки 4с осью осветительной системы, нормаль к оси

6,лежащая в указанной плоскости, ориентирована под углом а к оптической оси, симметричной оси осветительной системы относительно нормали, опущенной в точку пересечения пластинки 4 с осью осветительной системы, перед осью 6 на расстоянии от нее, большем внешнего радиуса стеклянной трубки на оси симметричной оптической оси, пересекающей ось 6, относи- тельно нормали к оси установки трубки, которая пересекает оптическую ось, проходящую через ось 6, на расстоянии от нее, равном внешнему радиусу трубки, установлен блок 7 измерения контраста интерфе- ренционных полос, входным окном обращенной к оси установки трубки со стороны пластинки 4, обращенной к осветительной системы, на оси симметричной оси осветительной системы относительно нор- мали, опущенной в точку пересечения пластинки 4 и оптической оси осветительной системы, установлен уголковый отражатель

8, обращенный отражающей поверхностью к пластинке 4, причем оптический путь от его вершины до точки пересечения пластинки 4 с осью осветительной системы равен оптическому пути от той же точки до зеркала 5, пластинка 4 установлена с возможностью перемещения по направлению к отражате- лю 8. снабжена приводом 9 и блоком 10 измерения этого перемещения со стороны пластинки 3, обращенной к пластинке 4, установлена эталонная пластинка 11 таким образом, что ее пересекает оптическая ось, симметричная оси осветительной системы относительно нормали к пластинке 3, опущенной в точку пересечения ее с осью осветительной системы, нормаль к пластинке 11 ориентирована под углом аэт к оптиче- ской оси, пересекающей ее, перед пластинкой 11 установлен блок 12 измерения контраста интерференционных полос, обращенный входным окном к эталонной пластинке 11 и расположенный на оси, симметричной оптической оси, пересекающей пластинку 11, относительно нормали, опущенной в точку их пересечения, выходы блоков 7 и 12 подключены ко входу блока

13 измерения временных интервалов, выход которого соединен с установочным входом счетчика 14, счетный выход которого соединен с выходом блока 10. угол 0 между нормально к пластинке 4 и осью осветительной системы и угол а связаны между собой соотношением

tg0 . Sifl2«tg0

2 (n2 - sin2a) sin 2оьт

2 (n|T - ) где п, Пэт показатели преломления стенки трубки и эталонной пластинки, угол 0 отсчитывается от нормали к пластинке 4 к оси осветительной системы против часовой стрелки, а углы а,«эт отсчитываются от нормали к оси 6 и пластинке 11 к оптическим осям, пересекающим их по часовой стрелке.

Устройство работает следующим образом.

Осветительная система, выполненная в виде полупроводникового лазера 1 и объектива 2, формирует сходящийся сферический источник света. Светоделительная пластинка 4 делит его на два пучка. При помощи зеркала 5 и уголкового отражателя 8 формируются два параллельных пучка света А и Б, которые освещают объект и эталонную пластинку 11 под углами а ,аЭт относительно нормали к ним. При движении светоделительной пластинки 4 по направлению к уголковому отражателю 8 посредством электромеханического привода 9 расстояние между пучками А и Б, а также разность их оптического пути изменяются. При смещении пластинки 4 по направлению к осветительной системе на величину Дл расстояние между пучками AD и разнос их оптического пути AL изменяются следующим образом:

sin2©, AL 4Ahcos20, т.е.

Ј-че.

Если принять во внимание соотношение между углами ©и а. получим

. 2 (rr-sin2a)

Таким образом, закон изменения AL и AD во времени, при котором лучи б и а (фиг.1) сливаются, в момент, когда разность их оптического пути становится равной нулю, выполняется При этом блок 7 измерения контраста интерференционных полос зафиксирует максимальную величину и выдаст импульс в блок 13 измерения временных интервалов. В блоке 7 происходит детектирование синусоидального сигнала с выхода фотоприемника блока, дифференцирование его и ограничение посредством компаратора по определенному уровню, причем сигнал в блоке 13 формируется по заднему фронту импульса с выхода компаратора. Синусоидальный сигнал с выхода фотоприемника блока 7 получается за счет гетеродинной схемы интерферометра (разность оптического пути пучков непрерывно изменяется). Схема, измеряющая разность оптического пути пучков б и а в момент максимального контраста интерференционной картины на выходе блока 7, состоит из измерителя 10 перемещения светоделительной пластинки 4, светодели- тельной пластинки 3, эталонной пластинки 11, блока 12 измерения контраста интерф- ференционных полос, блоков 13 и 14. В счет- чике 14 фиксируется расстояние, пройденное пластинкой 4, за время между появлением импульсов с блоков 7 и 12. Поскольку толщина и показатель преломления пластинки 11 известны, появление импульса с блока 12 однозначно определяет разность оптического пути пучков б и а1 в этот момент времени, а изменение его до появления импульса с блока 7 фиксируется в счетчике 14. В блоке 13 происходит запуск и срыв двух ждущих мультивибраторов импульсами, поступающими на их входы. Блок 12 аналогичен блоку 7.

Толщина стенки трубки рассчитывается по формуле

d d3TVn2T-sin2a3T

2 Ah cos2©

Vn2- sin2 a Vn2 - sin2 a

где Пэт-показатель преломления эталонной пластинки, а знаки + или - определяются очередностью прихода импульсов с блоков 7 и 12 (+ - если первым срабатывает мультивибратор, соединенный запускающим входом с блоком 12, а - наоборот).

Начало движения пластинки 4 отстоит от места установки на величину, равную

, (условие (3)),а конечная точка оп4 cos2 0

ределяется условием (4).

Использование операции изменения расстояния и разности оптического пути между зондирующими объект пучками по определенному закону позволяет устранить неоднозначность измерений, связанную с использованием когерентного источника света, сократить габариты, вес и потребление энергии, а также обеспечивает измерения в реальных условиях технологического процесса, характеризуемых изменением

5

положения и ориентации оси стеклянной трубки.

Формула изобретения

стеклянной трубки, заключающийся в том, что разделяют когерентное излучение сферического источника света на два пучка, на- правляют один из пучков на стенку контролируемой трубки так, что ось пучка

0 расположена в плоскости, проходящей через ось трубки, совмещают пучок, отраженный от стенки трубки, с вторым пучком, измеряют контраст образованных при этом интерференционных полос и по результа5 там измерений судят о толщине контролируемой стенки, отличающийся тем, что, с целью расширения области использования за счет обеспечения измерения стенок трубок, перемещающихся с изменением

0 ориентации оси, направляют второй пучок на стенку контролируемой трубки так, что ось второго пучка лежит в плоскости, проходящей через ось трубки, ориентирована па- раллельно оси первого пучка и не

5 пересекает нормаль, опущенную со стороны освещения в точку пересечения первого луча с внешней поверхностью трубки, но изменяют расстояние между осями лучков и разность их оптического пути по зависимо0 сти + с ;

AD(vt+c) /Jn2a2 , 2 (n2 - sin2a) где t - время;

v- скорость изменения;

n - показатель преломления стенки трубки;

а- угол между нормалью к поверхности трубки и осями пучков;

ДО - расстояние между осями пучков;

AL - разность оптического пути первого и второго пучков, причем постоянная с определяется из условий:

д Д Uin 2 Vn2 sin2 a . dmm - б

A Uax 2 Vn2 sjn2a dmax + 5,

где д-длина когерентности излучения;

ALmin, Almax минимальное и максимальное значение разности оптического пути пучков;

dmin, dmax - минимальное и максимальное значения толщины стенок трубки, регистрируют разность оптического пути пучков в момент максимального контраста интерференционных полос и по зарегистрированному значению судят об искомой величине.

последовательно установленные осветительную систему, выполненную в виде полу- проводникового лазера и объектива, установленных относительно друг друга на расстоянии, не равном фокусу объектива, светоделительную пластинку, предназначенную для установки так, что нормаль к ней ориентирована под углом к оптической оси осветительной системы, ось установки трубки, размещенную в плоскости, проходящей через оптическую ось осветительной системы, и нормаль, опущенную в точку пересечения светоделительной пластинки с осью осветительной системы, и предназначенную для установки так, что нормаль к оси установки трубки в указанной плоскости ориентирована под углом о. к оптической оси, симметричной оси осветительной системы относительно нормали, опущенной в указанную точку пересечения, и блок измерения контраста интерференционных полос, установленный перед осью установки трубки так, что входное окно блока обращено к оси установки трубки, на расстоянии от нее, большем максимального размера зоны измерения на оси, симметричной оптической оси относительно нормали к оси установки трубки и пересекающей указанную ось на расстоянии от оси установки трубки, равном максимальному размеру зоны измерения, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможностей устройства, оно снабжено плоским зеркалом, уголковым отражателем, второй светоделительной пластиной, эталонной плоскопараллельной пластинкой, вторым блоком измерения контраста интерференционных полос, блоком формирования временных интервалов, измерителем перемещений и счетчиком, плоское зеркало установлено за первой светоделительной пластинкой так, что нормаль к его поверхности ориентирована параллельно оптической оси осветительной системы, плоскость установки оси трубки расположена по отношению к первой светоделительной пластинке с той же стороны, что и плоское зеркало, уголковый отражатель установлен с противоположной стороны первой светоделительной пластинки так, что его отражающая поверхность обращена к пластинке, оптическая ось совпадает с осью, симметричной оси осветительной системы относительно нормали к светоделительной пластинке, опущенной в точку пересечения ее с осью осветительной системы, а оптический путь

от вершины уголкового отражателя до точки пересечения оси осветительной системы со светоделительной пластинкой ровен оптическому пути от этой точки до плоского зеркала, светоделительная пластинка установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения по направлению к уголковому отражателю и связана с измерителем перемещений, вторая светоделительная пластинка установлена между осветительной системой и первой светоделительной пластинкой под углом к оптической оси осветительной системы, эталонная плоскопараллельная пластинка установлена по отношению к второй светоделительной пластинке с той же стороны, что и первая светоделительная пластинка, и ориентирована так, что оптическая ось, ориентированная симметрично оптической оси

осветительной системы относительно нормали, опущенной в точку пересечения указанной оси с второй светоделительной пластинкой, образует угол аэт с нормалью к эталонной пластинке, второй блок измерения контраста интерференционных полос расположен по отношению к эталонной плоскопараллельной пластинке со стороны ее поверхности, обращенной к второй светоделительной пластинке, на оси, симметричной

оптической оси, образующей угол «Эт с нормалью к эталонной пластинке, выходы блоковизмеренияконтрастаинтерференционных полос подключены к входам блока формирования временных интервалов, выход которого подключен к установочному входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом блока измерения перемещений, углы сг.йэт и ©связаны зависимостями

sin 2 а

tg0 tg©

2 (n2-sin2«) sin 2 «Эт

:„2,

2 (Пэт- )

где п. пэт - показатели преломления стенки

трубки и эталонной пластинки;

угол ©отсчитывается от нормали к первой

светоделительной пластинке к оси осветительной системы против часовой стрелки, а углы а , б. эт отсчитываются соответственно от нормали к оси установки трубки и от нормали к поверхности эталонной пластинки к оптическим осям, пересекающим их, по часовой стрелке.

44

I