Способ контроля линейных размеров микропроволоки Советский патент 1992 года по МПК G01B11/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля поперечных размеров микропроволоки и других протяженных микрообъектов, в том числе и толщины их покрытия в процессе его непрерывного нанесения.

Известен способ для контроля геометрических размеров протяженных объектов и устройство для его осуществления. По известному способу формируют лазерный луч, делят его на два параллельных между собой и образующих измерительную зону световых потоков, производят сканирование объекта, формируют в моменты перекрытия объектом каждого из двух световых потоков импульсы фототока, преобразуют два световых потока в движущиеся навстречу друг другу, дополнительно формируют импульс фототока в момент прохождения световыми потоками центра измерительной зоны, определяют длительность между импульсами фототоков, соответствующих моментам перекрытия объектом каждого из двух световых потоков и импульсов фототока, соответствующим центру измерительной

VJ

vj О Ч) 00

зоны, формируют масштабные импульсы, суммируют число масштабных импульсов, вошедших в каждую длительность, и по величине суммы определяют текущий размер объекта. Контроль толщины покрытия объекта по данному способу невозможен.

Известен способ контроля линейных размеров периодических микроструктур. По известному способу микроструктуру (состоящую, например, из ряда параллельных микропроволок) освещают параллельным световым потоком, формируют увеличенное изображение элементов (микропроволок) структуры, перемещают ее, раздваивают изображение каждого элемента на два полуконтрастных и поворачивают их друг относительно друга под углом 180°, регистрируют в моменты касания и разъединения полуконтрастных изображений световой поток, преобразуют его в импульсы фототока, периоды следования в которых соответствуют шагам структуры, а длительность - размерам элементов (поперечным размерам микропроволок).

Функциональные возможности этого способа ограничены, контроль толщины покрытия микрообъектов в процессе его непрерывного нанесения не возможен.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ контроля диаметра микропроволоки и устройство для его осуществления. По данному способу получают световой пучок с круговой симметрией, размещают на его пути контролируемую микропроволоку, формируют увеличенное изображение участка микропроволоки, трансформируют пучок лучей с круговой симметрией в пучок лучей протяженной формы, формируемое изображение располагают вдоль протяженного пучка, сканируют изображение в поперечном направлении, раздваивают его на два полуконтрастных, из которых одно - прямое, а другое - повернутое на 180°, регистрируют в моменты касания и разъединения движущихся в противоположные стороны полуконтрастных изображений изменения светового потока, преобразуют его в импульсы фототока и определяют диаметр микропроволоки по полусумме длительностей импульсов фототоков, снимаемых с обоих каналов.

Операция размещения контролируемой микропроволоки на пути светового потока по данному способу не позволяет определить толщину покрытия в том случае, если бы оно наносилось на движущуюся микро- проволоку.

Целью изобретения является обеспечение контроля толщины покрытия в процессе

его нанесения на протяженные цилиндрические микрообъекты.

Указанная цель достигается тем, что в способе контроля диаметра микропроволоки, заключающемся в том, что формируют параллельный световой пучок, освещают им участок микропроволоки, увеличивают его изображение, сканируют, раздваивают на два полуконтрастных, которые поворачива0 ют друг относительно друга на 180°, регистрируя в моменты касания и разъединения полуконтрастных изображений изменения интенсивности светового потока, и преобразуют его в импульсы фототока, дополни5 тельно на участок микропроволоки наносят покрытие и освещают участки микропроволоки, расположенные друг относительно друга на расстоянии, превышающем удвоенный размер поперечного сечения участ0 ков с покрытием и без покрытия, перед сканированием перемещают микропроволоку в направлении, перпендикулярном линии измерения, а о толщине покрытия судят по полуразности длительности импульсов

5 фототока.

Существенными отличительными признаками предполагаемого изобретения является наличие новых операций:

размещение на измерительной позиции

0 параллельно участку микропроволоки без покрытия участка этой же микропроволоки с нанесенным покрытием на расстоянии, превышающем удвоенный размер поперечного сечения участков микропроволоки без

5 покрытия и с покрытием;

перемещение микропроволоки в направлении, перпендикулярном линии измерения;

сканирование увеличенного изображе0 ния участков микропроволоки без покрытия и с покрытием по одной линии измерения; определение толщины покрытия по полуразности длительностей импульсов фототока, полученных при выполнении операции

5 сканирования увеличенного изображения участков микропроволоки без покрытия и с покрытием.

Размещение на одной измерительной позиции участков микропроволоки без по0 крытия и с покрытием в предметной плоскости одного и того же микроскопа позволяет устранить ошибки масштабирования, а в соответствии с принципом Аббе также и погрешности измерения, связанные с

5 ошибками первого порядка.

Перемещение микропроволоки в направлении перпендикулярном линии измерения позволяет вести квазинепрерывный контроль размеров поперечного сечения микропроволоки без покрытия и с покрытием в реальном масштабе времени технологического процесса нанесения покрытия.

Сканирование увеличенного изображения участков микропроволоки без покрытия и с покрытием перпендикулярно его оси является необходимой предпосылкой обеспечения движения навстречу друг другу раздвоенных (одно из которых - прямое, а другое - повернутое на 180°) изображений обоих участков и позволяет преобразовывать изменение светового потока при этой операции в импульсы фототоков и сопоставлять их длительность.

Определение толщины покрытия по полуразности длительностей импульсов фототока, полученных при сканировании участков микропроволоки без покрытия и с покрытием, позволяет осуществлять высокоточный относительный метод измерения.

Таким образом, введение новых операций позволяет осуществить контроль толщины покрытия протяженного микрообъекта в процессе его нанесения и расширить функциональные возможности способа.

Авторами не обнаружено технических решений, содержащих указанную совокупность отличительных признаков, в связи с чем данное решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 1 приведены изображения микропроволоки в плоскости щелевых диафрагм, увеличенных в / раз. Слева (а, в, д, ж) - раздвоенное зеркальное изображение участка микропроволоки без покрытия, справа (б, г, е, з) - раздвоенное зеркальное изображение участка микропроволоки с нанесенным покрытием толщиной S:

а - зеркальное раздвоенное изображение микропроволоки без покрытия диаметром . Идентичные полуконтрастные изображения при сканировании со скоростью Vc движутся навстречу друг другу в направлении щелевой диафрагмы

б-зеркальное раздвоенное изображение микропроволоки с покрытием диаметром dn dH + 2S. Идентичные полуконтрастные изображения при сканировании со скоростью Vc движутся навстречу друг другу и пришли в соприкосновение (состыковались) перед щелевой диафрагмой Д2, ширина изображения Нп

8 - идентичные полуконтрастные зеркально раздвоенные изображения участка микропроволоки без покрытия пришли в соприкосновение (состыковались). Ширина изображения Нн 2 / бн ,

г - идентичные полуконтрзстные зеркально раздвоенные изображения участка

микропроволоки с покрытием в момент соприкосновения идентичных полуконтрастных изображений участке без покрытия (фиг. 1, в) накладываются друг на друга, образуя контрастную полоску шириной АН п; д - идентичные полуконтрастные зеркально раздвоенные изображения участка микропроволоки без покрытия в процессе сканирования после стыкования (фиг. 1, в)

постепенно накладываются друг на друга (на фигуре не показано) вплоть до начала разъединения противоположных кромок полуконтрастных изображений;

е - идентичные полуконтрастные зеркально раздвоенные изображения участка микропроволоки с покрытием в момент разъединения идентичных полуконтрастных изображений участка без покрытия (фиг. 1, д) в процессе сканирования после

постепенного наложения друг на друга, перехода друг по другу (на фигуре не показано) еще остаются частично наложенными, образуя контрастную полоску шириной А ж - идентичные полуконтрастные зеркально раздвоенные изображения участка без покрытия в процессе сканирования разъединились;

з - идентичные полуконтрастные зеркально раздвоенные изображения участка с

покрытием в процессе сканирования начинают разъединяться (в момент, соответствующий фиг. 1 ж, для участка без покрытия).

На фиг. 2 представлены временные диаграммы фотоимпульсов, возникающих при

сканировании изображений участков микропроволоки, показанные на фиг. 1: А - на щели Д1 диафрагмы при сканировании участка микропроволоки без покрытия; Б - на щели Д2 диафрагмы при сканировании уча

стка микропроволоки с покрытием; В - масштабные импульсы с преобразователя угловых (линейных) перемещений сканирующего элемента.

На фиг. 2 также обозначены: Тн, Тп соответственно длительности фотоимпульсов при сканировании участков микропроволоки без покрытия и с покрытием, т- период синусоидальных сигналов (синхроимпульсов), N - число синхроимпульсов.

На фиг. 3 представлена функциональная схема для осуществления способа. Она содержит источник 1 света, саетоделитель- ную пластину 2, первый коллиматор 3. контролируемые элементы протяженного

микрообъекта (микропроволоки): участок 4 без покрытия и участок 5 с покрытием микропроволоки, оптический микроскоп 6, сканирующий элемент 7, оптическую систему 8 зеркального раздвоения изображения, диафрагму 9, первый фотоэлемент 10, первый усилитель 11 фототока, первую поворачивающую призму 12, второй коллиматор 13, вторую поворачивающую призму 14, первую дифракционную решетку 15, бипризму 16, вторую дифракционную решетку 17, фокусирующие линзы 18 и 19, щелевую диафрагму 20, второй фотоэлемент 21, второй усилитель 22 фототока, вычислительное управляющее устройство 23, средство отображения 24, исполнительный элемент 25, привод 26 перемотки микропроволоки. На фиг. 3 также обозначены ЛИ - линия измерения, I - расстояние между параллельно размещенными на измерительной позиции участком 4 без покрытия и участком 5 с покрытием, аи - угловая скорость поворота сканирующего элемента.

На фиг. 4 приведен вид на положение микропроволоки относительно линии измерения и технологической камеры нанесения покрытия (А-А на фиг. 3). На ней изображены: привод 26 перемотки микропроволоки 27, тянущий ролик 28 направляющие ролики (4 шт.), технологическая камера 30 нанесения покрытия на микропроволоку. На фиг. 4 также обозначены: oi угловая скорость вращения тянущего ролика и его диаметр Dp; ЛИ - линия измерения, ПЗ - поле зрения микроскопа, Н - расстояние от линии измерения до тянущего ролика, I - расстояние между параллельно размещенными на измерительной позиции участком 4 без покрытия и участком 5 с покрытием микропроволоки 27, Vg - скорость продольного перемещения микропроволоки при перемотке.

Способ осуществляют совокупностью следующих операций.

Формируют коллимированный лазерный пучок, размещают на его пути в предметной плоскости микроскопа два участка микропроволоки, без покрытия и с покрытием, перпендикулярно линии измерения и параллельно друг другу на расстоянии, превышающем удвоенный размер поперечного сечения участков микропроволоки без покрытия и с покрытием, освещают их параллельным световым пучком, получают увеличенное изображение, сканируют их сканирующим элементом раздваивают изображение каждого участка микропроволоки на два полуконтрастных, поворачивают полуконтрастные изображения каждого участка друг относительно друга на 180°, перемещают микропроволоку в направлении, перпендикулярном линии измерения, регистрируют в моменты касания и разъединения полуконтрастных изображений световой поток, преобразуют его в импульсы фототока, и о толщине покрытия судят по полуразности длительностей импульсов фототока, полученных при сканировании увеличенного изображения участков микропроволоки с покрытием и без покрытия.

Пример реализации способа.

Пучками лучей, исходящими из источни0 ка 1 света (фиг. 3) и проходящими через светоделительную пластину 2 и формируемыми первым коллиматором 3 в параллельный световой пучок, освещают участок 4 без покрытия и участок 5 с покрытием микро5 проволоки, которые размещают в предметной плоскости оптического микроскопа 6 перпендикулярно линии измерения и параллельно друг другу, получают с помощью микроскопа 6 их увеличенное изображение

0 и сканируют его сканирующим элементом 7, оптической системой 8 зеркального раздвр- ения изображения, раздваивают изображения каждого участка микропроволоки на два полуконтрастных и поворачивают

5 полуконтрастные изображения каждого участка друг относительно друга на 180°. При сканировании увеличенных изображений сканирующим элементом 7 повернутые полуконтрастные изображения

0 каждого участка перед диафрагмой 9 движутся навстречу друг,другу и первый фотоэлемент 10, установленный за диафрагмой 9, регистрирует изменение интенсивности светового потока, происходящее- вследст5 вне стыкования и разъединения полуконтрастных изображений. Вырабатываемые первым фотоэлементом 10 фотоимпульсы усиливаются первым усилителем 11 фототока.

0 Одновременно отраженный от светоде- лительной пластины 2 луч разворачивается на 90° первой поворачивающей призмой 12 и пройдя второй коллиматор 13, разворачивается снова на 90° второй поворачиваю5 щей призмой 14 и направляется на первичный преобразователь угловых и линейных перемещений (ПУЛ П), состоящий из дифракционной решетки 15, бипризмы 16, второй дифракционной решетки 17, фокуси0 рующихлинз 18 и 19,щелевой диафрагмы 20, второго фотоэлемента 21 и второго усилителя 22 фототока. ПУЛП представляет собой растровый преобразователь пространственных перемещений. Особенностью схемы

5 является то, что обе дифракционные решетки 15 и 17 неподвижны друг относительно друга, а модуляция светового потока осуществляется посредством вращения сканирующего элемента 7, установленного между ними. Для получения муаровых комбинационных полос достаточного контраста угол дифракции луча корректируется бипризмой 16. Движущийся световой пучок, прошедший сканирующий элемент 7, падает на вторую дифракционную решетку 17 и взаимодействует с ней. Дифрагированные пучки преобразуются фокусирующими линзами-сферической 18 и цилиндрической 19 - в неподвижные протяженные дифракционные максимумы со сложной внутренней структурой представляющей интерференционную картину. При вращении сканирующего элемента 7 возникает изменение интенсивности света на щелевой диафрагме 20, вызывающее выходные сигналы со второго фотоприемника 21, которые имеют квазисинусоидальную форму и усиливаются вторым усилителем 22 фототока. Период синусоидальных сигналов г P1.2/VC 2sln (p /2), где pi,2 - шаг дифрак- ционных решеток 15 и 17, р- угол их относительного разворота, Vc - скорость смещения изображения при вращении сканирующего элемента с угловой скоростью ол .

Сигналы с усилителей 11 и 22 подаются в вычислительное управляющее устройство 23. При число-импульсной обработке сигналов с обоих каналов текущий размер поперечного сечения микропроволоки, со- ответственно участка без покрытий d и уча: стка с покрытием dn будет определяться из следующего соотношения:

dH,n j sfn ( У/2 ) sin 1н,п ( 1 -

V9

1 .n Vr -SiirXn

),

где G - толщина сканирующего элемента 7 в направлении излучения, п - показатель преломления материала стекла сканирующего элемента 7, i - величина его угла поворота.

Толщина покрытия

S (dn - dH}/2.

Длительность фотоимпульса при сканировании участков микропроволоки без покрытия и с покрытием будет соответственно равна

TH 2dH/3/Vc,Tn 2dn/S /Vc,

а толщина покрытия

Vc , - V

I/

п

дывающееся соответственно в Тп и Тн.

S- -(Гп-Тн)или8-.(М„-Мй|Г, где Мп и NH - число синхроимпульсов, укла510 15 20 25

30

35

40

5

0

5

Реализуется также алгоритм вычисления толщины контроля как S - (AT + ДТ ) /2 - r(N s + )/2. (см. фиг. 2)

Результаты измерения выводятся на средство отображения 24.

Поворот сканирующего элемента 7 осуществляют с помощью исполнительного элемента 25. Для возможности непрерывного контроля толщины покрытия предусматривается привод 26 перемотки микропроволоки 27, который с помощью тянущего ролика 28, вращающегося с угловой скоростью (Oi и направляющих роликов 29 (количество которых может меняться в зависимости от размеров и конфигурации технологической камеры 30 нанесения покрытия) обеспечивает подачу и отвод очередных участков без покрытия и с покрытием микропроволоки на измерительную позицию и их ориентацию в процессе контроля. С помощью вычислительного управляющего устройства 23, исполнительного устройства 25 и привода 26 перемотки определяют число синхроимпульсов NL, приходящееся на длину L между контролируемыми участками с покрытием и без покрытия, от точки вхождения участка 4 без покрытия и на измерительную позицию до точки вхождения на нее участка 5 с нанесенным покрытием, а также время At прохождения отрезка L движущейся микропроволокой И СКОРОСТЬ Vg ПРОДОЛЬНОГО

перемещения микропроволоки. Для приведенной схемы (фиг. 4) L 2H + л Dp/2, At L/Vg NL/F, где F - частота синхроимпульсов, полученная с исполнительного элемента 25. Вычислительное управляющее устройство 23 отбирает и обрабатывает фотоимпульсы, полученные при сканировании участков без покрытия и с покрытием и сопоставляет их по длительности. При устойчивых режимах покрытия или при покрытиях, не требующих высокой точности контроля,,сопоставляются два следующих при сканировании друг за другом измерения. При необходимости большей точности и достоверности контроля данные измерения заносятся в электронную память вычислительного управляющего устройства 23 и сопоставляются результаты измерения элементов без покрытия и с покрытием, разне- сенные по времени на A t, a пространственно на. L Это обеспечивает привязку данных измерений к одному и тому же поперечному сечению микропроволоки. Соотношение между скоростью Vg продольного перемещения микропроволоки и скоростью сканирования устанавливается определенным. Например, на один оборот сканирующего элемента производят К сканирований изображений поперечного размера микропроволоки (где К - число граней сканирующего элемента), причем длина сканируемого участка примерно соответствует диаметру микропроволоки, а продольное перемещение микропроволоки за это же время происходит на I 4d. Это обеспечивает полный (без пропускания) охват сканированием микропроволоки по всей длине. Полный охват сканированием необходим, например, в исследовательских экспериментах или при отработке режимов покрытия. В большинстве случаев с целью повышения производительности контроля и с учетом практического опыта достаточным является установление, например, одного сканирования на длине I 10d.

Апробирование способа осуществлялось на лабораторном макете модернизиро- ванного модуля сбора информации фотоэлектрической автоматизированной системы Микрина, Макет состоял из источника света - лазера ЛГ-78, системы под- светки-коллиматоров, формировавших световой пучок диаметром 2 мм, проекционной оптической системы с увеличением ft 120Х, светоделитель ной пластины, поворачивающих прямоугольных призм АР-900 с односторонней гранью, раздваивающей системы по типу окулярной головки ОГУ-22 и служившей для зеркального раздвоения измеряемых элементов микрообъекта, сканирующего элемента - стеклянного куба со стороной 50 мм щелевыхдиафрагм с размером щелей b ж - 410 м х 1 10 м, за которыми устанавливались фотоприемники ФЭУ-55. Шаг дифракционных решеток составлял 20 мкм. Перечисленные элементы являлись составными частями преобразователя угловых и линейных- перемещений, В ПУЛП формировались масштабные импульсы, которые входили в каждую длительность и в соответствии с предложенными формулами обрабатывались на вычислительном управляющем устройстве, в качестве которого применялось микроЭВМ Электрони- ка-60. Вычисленная толщина покрытия выдавалась на устройство отображения - измерительный показывающий прибор, отградуированный в микрометрах.

Объектом измерения служила биметаллическая проволока, полученная на экспериментальной установке гальванического покрытия. Сердцевина проволоки диаметром 0,2 мм. выполненная из никелевой стали Н-42, покрывалась медью толщиной 6-10 мкм. Проволока пропускалась через двухсекционную ванну, в прямом и обратном

направлениях через промежуточный тянущий ролик в конце ванны, таким образом, что местонахождение входа непокрытой проволоки в ванну и выхода покрытой проволоки из нее было с одной стороны ванны и в предметной плоскости микроскопа. Длина проволоки находящейся в ванне, соответствующая расстоянию по ее длине между контролируемыми сечениями эле0 ментов без покрытия и с покрытием проволоки, составляла около 500 мм. Покрытие осуществлялось в сернокислом электролите (состав: медь сернокислая 5H2U - 250 г/л, кислота серная НгЗО - 50 г/л).

5 Режим работы: температура электролита 20-25°С, плотность тока 25-30 А/дм2, скорость протяжки (продольного перемещения) проволоки составляла Vg 1 - 1,5 мм/с. Погрешность измерения толщины по0 крытия была сопоставима с измерением ди- аметра микропроволок на системе Микрина, прошедшей метрологическую аттестацию, и в эксперименте не превышала ±0,15 мкм, то есть составляла 1,5-2,5%.

5 Потенциальные возможности точности измерения предлагаемого способа выше - для малых размеров поперечного сечения (5- 100 мкм) абсолютная погрешность не превышает 0,05 мкм, а относительная 0 0,5... 1%.

Предлагаемый способ по сравнению с известными инвариантен к электрическим и магнитным свойствам покрытия и основы может применяться не только для контроля

5 толщины металлопокрытия микропроволок, но и лакокрасочного покрытия, изоляционного покрытия различных протяженных объ- ектов - проволок, волокон, нитей, Использование предлагаемого способа по0 зволит автоматизировать процессы измерения, контроля и адаптивного управления технологией нанесения покрытия, что и повысит качество продукции, снизит возможный брак.1

5

Формула изобретения Способ контроля линейных размеров микропроволоки, заключающийся в том, что формируют параллельный световой поток,

0 освещают им участок микропроволоки, увеличивают его изображение, сканируют, раздваивают на два полуконтрастных, которые поворачивают друг относительно друга на 180°, регистрируя в моменты касания и

5 разъединения полуконтрастных изображений изменения интенсивности светового потока, и преобразуют его в импульсы фототока, отличающийся тем, что. с целью обеспечения контроля толщины покрытия в процессе нанесения на микропроволоку, на

участок микропроволоки наносят покрытие и освещают участки микропроволоки, расположенные друг относительно друга на расстоянии, превышающем удвоенный разтием и без покрытия, перед сканиро перемещают микропроволоку в на нии, перпендикулярном линии изме о толщине покрытия судят по полур

мер поперечного сечения участков с покры- 5 длительности импульсов фототока.

тием и без покрытия, перед сканированием перемещают микропроволоку в направлении, перпендикулярном линии измерения, а о толщине покрытия судят по полуразности

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к опти- ко-электронным способам измерения поперечных размеров протяженных микрообъектов, например микропроволок. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения контроля толщины покрытия в процессе его нанесения. Освещают параллельным световым потоком микрообъект, получают его увеличенное изображение, раздваивают изображение каждого элемента микрообъекта на два полуконтрастных, поворачивают полуконтрастные изображения каждого элемента микрообъекта друг относительно друга на 180°, регистрируют в моменты касания и разъединения полуконтрастных изображений световой поток, пре- образуют его в импульсы фототока. Дополнительно размещают на измерительной позиции параллельно элементу микрообъекта без покрытия элемента этого же микрообъекта с нанесенным покрытием на расстоянии, превышающем удвоенный раз мер поперечного сечения элементов микрообъекта без покрытия и с покрытием, перемещают микрообъект в направлении, перпендикулярном линии измерения, перед раздвоением изображения обоих элементов микрообъекта сканируют их-сканирующим элементом и о толщине покрытия судят по полуразности длительностей импульсов фототока, полученных при сканировании увеличенного изображения элементов микрообъекта с покрытием и без покрытия. 4 ил.

b

Фиг.З

Л А-А