Способ измерения толщины ленты и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля толщины ленты и листового материала из непрозрачных материалов.

Известен способ измерения толщины ленты, при котором перемещают ленту поперек металлического барабана, освещают ее световым лучом, определяют положение ленты световым детектором, воспринимаю- щим изображение поверхности ленты и сканирующим это изображение, определяют положение поверхности барабана, по которой перемещается лента, и определяют толщину ленты, сравнивая положения повер- хности ленты и поверхности барабана. Недостатком этого способа является невысокая точность измерений, обусловленная трудностью достаточно точного определения положения изображения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения толщины ленты, при котором ленту прижимают к валу так, чтобы она частично охватывала его, устанавлива- ют экранирующую пластину так, чтобы между ее кромкой, обращенной к валу, и валом образовалась щель, сканируют щель по ширине лучом света и определяют толщину ленты по результатам измерения ширины щели с помощью фотоприемника.

Недостатком этого способа является невысокая точность измерений, обусловленная трудностью точного измерения пространственного положения сканирующего луча, а также дифракцией света на краях щели.

Известно устройство для измерения толщины ленты, содержащее металлический барабан, поперек которого перемещается лента, проектор, световой детектор, воспринимающий изображение поверхности ленты, устройство для определения положения поверхности барабана и вычислительный блок, связанный с этим устройством и его световым детектором. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерений, обусловленная трудностью достаточно точного определения положения изображения ленты.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения толщины ленты, содержащее вал, который частично охватывает лента, лазер, оптически связанные с ним конденсатор, сканер и фотоприемник, пластину, экранирующую свет, расположенную по ходу излучения между сканером и фотоприемником так. что между ее кромкой, обращенной к валу, и валом образуется

щель, соединенной с выходом фотоприемника пороговый элемент, а также таймер, компаратор и вычислительное устройство.

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерений, обусловленная трудностью точного измерения пространственного положения сканирующего луча, а также дифракцией света на краях щели.

Целью изобретения является повышение точности измерения толщины ленты.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения толщина ленты, при котором ее прижимают к валу так, чтобы она частично охватывала его, и освещают монохроматическим излучением, дополнительно прижимают ленту к валу так, чтобы при вращении вала не происходило его проскальзывания относительно ленты, формируют первую пару сфокусированных пучков излучения и направляют их в одну точку на поверхности вала, и вторую пару сфокусированных пучков излучения и направляют их в одну точку на поверхности участка ленты, прижатого к валу таким образом, что направления биссектрисы угла между пучками первой пары и биссектрисы угла между пучками второй пары совпадают между собой и с направлением нормали к поверхности вала в точках падения пучков плоскости падения первой и второй пар пучков излучения параллельны между собой и перпендикулярны оси вала, а углы, под которыми сходятся пучки в каждой паре, оди- наковы, приводят вал во вращение, принимают рассеянное излучение первой пары пучков в направлении биссектрисы угла между ними и преобразуют его в первый электрический сигнал, принимают рассеянное излучение второй пары пучков в направлении биссектрисы угла между ними и преобразуют его во второй электрический сигнал, определяют частоты первого и второго сигналов, а толщину h ленты определяют по формуле:

где ta - частота второго сигнала;

f 1 - частота первого сигнала;

D - диаметр вала.

Устройство для измерения толщины ленты наряду с валом, который частично охватывает лента, источником монохроматического излучения, фотоприемником и вычислительным блоком дополнительно содержит светоделитель, установленный по ходу излучения от источника, два формирователя сфокусированных в одну точку пар пучков излучения, установленных соответственно, по ходу сформированных светоде- лителем потоков излучения, второй фотоприемник, два усилителя, входы которых соединены соответственно с выходами фотоприемников, и два компаратора, входы которых соединены, соответственно с выходами усилителей, а выходы соединены с соответствующими входами вычислительного блока, вал установлен с возможностью вращения вокруг своей оси, формирователи установлены с возможностью фокусирования пар пучков излучения соответственно в точке, расположенной на поверхности вала, и в точке, расположенной на поверхности участка измеряемой ленты, охватывающего вал. и расположены таким образом, что плоскости падения первой и второй пар пучков излучения параллельны между собой и перпендикулярны оси вала, углы, под которыми сходятся пучки в каждой паре, одинаковы, направления биссектрис этих углов совпадают между собой и с направлением нормали к поверхности вала в точках падения пучков, а фотоприемники установлены между формирователями и поверхностью вала и расположены соответственно на указанных биссектрисах.

Повышение точности измерений достигается за счет того, что непосредственно измеряемым информативным параметром, через который определяется толщина ленты, является частота, значение которой может быть измерено с большей точностью, чем значение любой другой физической величины.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для измерения толщины ленты.

Устройство содержит вал 1, частично охватываемый измеряемой лентой 13, источник монохроматического излучения 2, фотоприемник 3, и вычислительный блок 4. Кроме того, предлагаемое устройство содержит светоделитель 5, установленный по ходу излучения от источника 2, два формирователя 6 и 7 сфокусированных в одну точку пар пучков излучения, установленные соответственно по ходу сформированных светоделителем 5 потоков излучения, второй фотоприемник 8, два усилителя 9 и 10, входы которых соединены соответственно с выходами фотоприемников 3 и 8, и два компаратора 11 и 12, входы которых соединены, соответственно, с выходами усилителей 9 и 10, а выходы соединены с соответствующими входами вычислительного блока 4. Вал 1 установлен с возможностью вращения вокруг своей оси, формирователи 6 и 7 установлены с возможностью фокусирования пар пучков излучения, соответственно в точке, расположенной на поверхности вала 1 и в точке, расположенной на поверхности уча- 5 стка измеряемой ленты 13, охватывающего вал 1, и расположены таким образом, что плоскости падения первой и второй пар пучков излучения параллельны между собой и перпендикулярны оси вала 1, углы, под ко0 торыми сходятся пучки в каждой паре, одинаковы, направления биссектрис этих углов совпадают между собой и с направлением нормали к поверхности вала 1 в точках падения пучков, а фотоприемники 3 и 8 уста5 новлены между формирователями 6 и 7 и поверхностью вала и расположены, соответственно, на указанных биссектрисах.

Вал 1 изготавливается из металла или другого отражающего свет материала. В

0 качестве источника монохроматического излучения 2 может использоваться стабилизированный гелий-неоновый лазер, например. ЛГН-ЗСЗ, Глубина фокусировки пучков должна превышать толщину ленты 13. В каче5 стве фотоприемников 3 и 8 могут быть использованы p-l-n фотодиоды, например ФД--256, снабженные объективами, компараторы 11 и 12 выполнены по схеме триггера Шмитта, а в качестве вычислительного устройства 4 мо0 жет быть использована микроЭВМ.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Прижимают контролируемую ленту 13 к валу 1 так, чтобы она охватывала его частично с таким усилием

5 натяжения, чтобы при вращении вала не происходило его проскальзывания относительно ленты 13, с помощью светоделителя 5 и формирователя 6 формируют первую пару сфокусированных пучков излучения и

0 направляют их в одну точку на поверхности вала 1, с помощью светоделителя 5 и формирователя 7 формируют вторую пару сфокусированных пучков излучения и направляют их в одну точку на поверхности участка лен5 ты 13, прижатого к валу 1, таким образом, что направления биссектрисы угла между пучками первой пары и биссектрисы угла между пучками второй пары совпадают между собой и с направлением нормали к

0 поверхности вала 1 в точках падения пучков, плоскости падения первой и второй пар пучков излучения параллельны между собой и перпендикулярны оси вала 1, а углы, под которыми сходятся пучки в каждой паре,

5 одинаковы, приводят вал 1 во вращение, с помощью фотоприемника 3 принимают рассеянное излучение первой пары пучков в направлении биссектрисы угла между ними и преобразуют его в первый электрический сигнал, принимают фотоприемником 8 рассеянное излучение второй пары пучков в направлении биссектрисы угла между ними и преобразуют его во второй электрический сигнал, с помощью вычислительного блока 4 определяют частоты первого и второго сигналов, а толщину h ленты 13 определяют по формуле:

Откуда

(f2-fi)vl 2o;sina

(6)

Подставляя со 2vi/D, получим

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности. Сформированные оптической системой две пары пучков монохроматического излучения фокусируются соответственно на поверхность вала 1, приводимого во вращение, и на поверхность участка измеряемой ленты 2, частично охватывающей с исключением проскальзывания вал 1, Рассеянное излучение указанных пар пучков фиксируется соответствующими фотоприемниками 4 и 9 и преобразуется в электрические информационные сигналы, определяются с использованием эффекта Дотглера, частоты этих сигналов. По полученным значениям частот и заранее известному диаметру валл аналитическим путем определяется искомая толщина ленты. Указанный положительный эффект достигается за счет использования в качестве информативного параметра частоты, значение которой по сравнению с другими физическими величинами может быть измерено с большей точностью. 1 ил СП С

где h частота второго сигнала:

f 1 - частота первого сигнала;

D - диаметр вала.

Рассмотрим аналитически работу пред- лагаемого способа. Сигнал на выходе первого фотоприемника 3 обусловлен доплеровским сдвигом частоты излучения двух первых пучков, рассеянного движущейся поверхностью вала 1, свободной от ленты 13. Частота fi сигнала при этом определяется выражением:

2vi fi- jpslna

О)

где vi - линейная скорость поверхности вала:

А- длина волны лазерного излучения;

a - угол между двумя сфокусированными пучками. 30

Поскольку

v1 ft D/2,

(2)

где о)- угловая скорость вращения вала:

D - диаметр вала, то

ft-Зг sire

(3)

Сигнал второго фотоприемника 8 обусловлен доплеровским сдвигом частоты излучения двух вторых сфокусированных пучков рассеянно движущейся поверхности ленты 13, прижатой к валу 1. Частота f2 сигнала при этом определяется аналогично (1) - (3)

2 (Ј + h) f2- psina sina, (4)

где h - толщина ленты. Вычитая (3) из (4) получим:

f2-flJMD/2+)sina- gsinc р sino(D/2 + h - D/2) 2f h sina (5)

)vl-D(f2-fl)m

п 4visina2fi u (t)

где использована формула (1) 2vi

Т

sina

Таким образом, определяя частоты fi и h первого и второго сигналов и зная диаметр D вала, можно по формуле (7) определить с высокой точностью толщину h ленты 13, поскольку величины fi, h и D можно измерять с достаточно высокой точностью.

Погрешность Ah измерения толщины ленты h, обусловленная погрешностями измерения диаметра D и частот fi, f2 определяется выражениями:

АЬ- ДпНДлЗ+ДьЗ

где ,

(8) (9)

(10) (11)

40 Из (9) видно, что относительные погрешности измерения толщины ленты 13 и диаметра вала 1 равны, т.е.

Ahi h

ДО D

(12)

0

5

откуда ясно, что нетрудно достичь значения Ahi/h порядка сотых долей процента.

При относительной погрешности измерения частоты Дг, имеющей порядок величины , значение Дн, и Дпз будет порядка 0/2-10 , что позволяет получить достаточно высокую точность, например, при D - 50 мм Дп 0,25 мкм.

Устройство для осуществления предлагаемого способа измерения толщины ленты работает следующим образом, Вал 1, частично охватываемый измеряемой лентой 13, вращается вокруг своей оси. Излучение источника 2 делится светоделителем 5 на два

пучка, первый пучок направляется в формирователь 6 первой пары сфокусированных в одну точку пучков, который формирует первую пару сфокусированных пучков излучения и направляет их в одну точку на поверхности вала 1. Второй пучок направляется в формирователь 7, который формирует вторую пару сфокусированных пучков излучения и направляет их в одну точку на поверхности участка ленты 13, прижатого к валу 1. Излучения первой пары сфокусированных пучков, рассеянные поверхностью вала 1, интерферируют на светочувствительной площадке фотоприемника 3. который преобразует интенсивность интерференционной картины в первый электрический сигнал, частота которого определяется формулой (1). Излучения второй пары сфокусированных пучков, рассеянные поверхностью измеряемой ленты 13 интерферируют на светочувст- вительной площадке фотоприемника 8, который преобразует интенсивность интерференционной картины во второй электрический сигнал, частота которого определяется формулой (4). Сигналы фотоприемников 3 и 8 усиливаются усилителями 9 и 10 соответственно и поступают на входы компараторов 11 и 12, выполненных по схеме триггера Шмитта, которые формируют импульсные сигналы с частотами, равными частотам поступающих на их входы электрических сигналов. Сигналы с выходов компараторов 11 и 12 поступают на входы вычислительного блока 4, в память которого предварительно занесена информация о значении диаметра вала D. В вычислительном блоке 4 происходит измерение частот fi и iz- и вычисляется значение толщины h ленты по формуле:

По сравнению с прототипом предлагаемый способ измерения толщины ленты и устройство для его осуществления позволяют повысить точность измерения за счет того, что непосредственно измеряемым информативным параметром, через который определяется толщина ленты является частота, значение которой может быть измерено с большей точностью, что значение любой другой физической величины.

Формула изобретения

5

0

5

0

щ и и с я тем, что, с целью повышения точности, ленту прижимают к валу так, чтобы при вращении вала не происходило его проскальзывания относительно ленты, формируют первую пару сфокусированных пучков излучения и направляют их в одну точку на поверхности вала, и вторую пару сфокусированных пучков излучения и направляют их в одну точку на поверхности участка ленты, прижатого к валу, таким образом, что направленная биссектрисы угла между пучками первой пары и биссектрисы угла между пучками второй пары совпадают между собой и с направлением нормали к поверхности вала в точках падения пучков, плоскости падения первой и второй пар излучения параллельны между собой и перпендикулярны оси вала, а углы, под которыми сходятся пучки в каждой паре, одинаковы, приводят вал во вращение, принимают рассеянное изучение первой пары пучков в направлении биссектрисы угла между ними и преобразуют его в первый электрический сигнал, принимают рассеянное излучение второй пары пучков в направлении биссектрисы угла между ними и преобразуют его во второй электрический сигнал, определяют частоты первого и второго сигнала, а толщину h ленты определяют по формуле

где f2 - частота второго сигнала;

fi - частота первого сигнала; D - диаметр вала.

которых соединены соответственно с выходами фотоприемников, и двумя компараторами, входы которых соединены соответственно с выходами усилителей, а выходы соединены с соответствующими входами вычислительно

го блока, вал установлен с возможностью вра щения вокруг своей оси, формирователи установлены с возможностью фокусирования пар пучков излучения соответственно в точке, расположенной на поверхности вала, и в точ

11 178330012

ке, расположенной на поверхности участканаправления биссектрис этих углов совпа- измеряемой ленты, охватывающего вал. идают между собой и с направлением норма- расположены таким образом, что плоскостьли к поверхности вала в точках падения падения первой и второй лар пучков излуче-пучков, а фотоприемники установлены меж- ния параллельны между собой и перпенди-5 ду формирователями и поверхностью вала и кулярных оси вала. углы, под которымирасположены соответственно на указанных сходятся пучки в каждой паре, одинаковы,биссектрисах.