Способ измерения расстояния между отражающими поверхностями объекта Советский патент 1993 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при измерении внутренних поперечных размеров деталей или зазоров, имеющих длину не менее 1 см, в параллельных сечениях при перемещении детали вдоль оптической оси в автоматических ро- торно-конвейерных линиях.

Известен фотоэлектронный способ измерения толщины, при котором измерение осуществляют по импульсным световым параллельным штрихам, создаваемым на противоположных поверхностях объекта, запоминают их изображение с помощью электронно-оптического запоминающего элемента, преобразуют расстояние в видеосигнал.

Наиболее близким по техническому решению является способ измерения расстояний между оптически отражающими поверхностями (а.с. № 153789, кл. G 01 В 11/08,1968). взятый в качестве прототипа и заключающийся в том, что проецируют изображение двух световых марок на оптически отражающие поверхности под углом, отличающимся от направления нормали к поверхностям, переносят отраженные от поверхностей изображения.марок в плоскость анализа, а по величине смещения изображения марок в плоскости анализа относительно друг друга судят о расстоянии между оптическими отражающими поверх1 ностями.

Недостатком известных способов является низкая точность измерений из-за ошибок снятия отсчета по изображению марки по одному отрезку.

XJ

ю

СА)

го ел

В случае исполнения марки с периодическим распределением интенсивности света, например в виде синусоиды или ре- шетки, получения также периодического распределения интенсивности света в изображении марок и снятия отсчета по этим периодам повышение точности измерений не будет достигнуто по той причине, что будет осуществлено всего лишь усреднение измерений по локальным областям изображения марки на контролируемой поверхно-. сти, а не повышение точности снятия отсчета, а значит и точности измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерений. . .

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения расстояния между оптически отражающими поверхностями, залючающемся в том,- что проецируют изображение двух сформированных световых марок под углом, отличном от нормали, на две контролируемые оптически отражающие поверхности объекта, переносят изображения двух световых марок с отражающих поверхностей объекта, а по расстоянию между характерными областями изображений двух световых марок судят о расстоянии между отражающими изображениями в виде двух идентичных дифракционных картин, в качестве характерных областей изображения световых марок принимают одноименные минимумы двух дифракционных картин, фиксируют расстояния между одноименными минимумам двух картин и по усредненному расстоянию судят о расстоянии между отражающими поверхностями.

На фиг.1 показана схема устройства, реализующего способ измерения внутренних поперечных размеров деталей; на фиг.2 - формы марок для разных случаев измерения; на фиг.З - графики распределения интенсивности света в дифракционных Картинах в плоскости приемников излучения; на фиг.4 -схема управления фотодиодной линейкой; на фиг.5 - сигналы управления фотодиодной линейкой; на фиг.6-диаграмма работы линейки фотоприемников.

Устройство для реализации способа может быть выгюлне но, например, из источника излучения (лазера 1), коллиматора 2, двух марок 3 в виде дифракционных щелей, первого объектива 4, проецирующего световой поток на деталь 5, второго объектива 6, фо,- тодиодных линеек 7 и 8, блока 9 обработки сигнала, состоящего из двух усилителей 10 и 11, формирователей 12 и 13, счетчиков 14, генератора 15, делителя 16, блока 17 преобразования в десятичный код, сумматора 18,

индикатора 19, блока 20 управления фотодиодными линейками, блока 21 двойной коррелированной выборки. Выходы линеек 7 и 8 соединены с входами блока 9, т.е. с

входами усилителей 10 и 11, входы которых соединены соответственно с входами формирователей 12 и 13, выходы которых соединены с двумя входами счетчика 14, третий вход которого соединен с выходом генератора 15, а выход сумматора соединен с входом делителя 16, выход которого соединен с входом блока 17 преобразования в десятичный код, выход которого соединен с входом сумматора 18, выход которого соединен

5 с входом индикатора 19.

Пучок монохроматического света от источника (фиг.1), например лазера 1, колли- мируют при помощи коллиматора 2, освещают две марки 3, выполненные в виде

0 дифракционных щелей размером . Щели могут быть выполнены различной формы в зависимости от измеряемых поверхностей (фиг.2 , позиции а) при измерении внутренних диаметров, б) при измерении

5 размера между плоскими поверхностями). Параллельный пучок света дифрагируют на марках. Продифрагированные пучки света проектируются на поверхности детали 5 объективом 4 и формируются изображения

0 марок на противоположных контролируемых поверхностях детали 5 с внутренним размером D0. Над отраженными расходящимися пучками осуществляется Фурье-преобразование объективом 6 и фор5 мируются изображения пространственно- частотных спектров каждой марки (Г.И.Василенко Теория восстановления сигналое, М., Советское радио, 1979, 185). Требуемое положение плоскости марки

0 (транспаранта) и пространственно-частотной плоскости может быть найдено по обычным законам геометрической оптики. В частности, Фурье-спектр всегда формируется в плоскости изображения точечного ис5 точника света независимо от количества линз и расположения входной плоскости. Пространственно-частотные спектры марок, выполненных в виде дифракционных щелей, реально существуют (С.Б.Гуревич

0 Передача и обработка информации голо- графическими методами, М., Советское радио, 1978, с.21-22) и в предлагаемом устройстве находится в задней фокальной плоскости эквивалентной оптической систе5 мы (В.Н.Чуриловский Теория оптических приборов, М., Машиностроение, 1966, с.82-86). Если фокусные расстояния объектов равны и эти объективы находятся друг от друга на тройном фокусном расстоянии, то изображение пространственно-частотных

спектров марок (дифракционных щелей) находится на двойном заднем фокусном расстоянии от второго объектива. Масштаб изображения пространственно-частотного спектра марки меняется при изменении фокусных расстояний или расстояния между объективами (Р.Кольер и др. Оптическая голография, Мир, 1973, с. 149). Период изображения пространственно-частотного спектра марок можно изменять в зависимости от размера дифракционных щелей (их ширины). Период изображения выбирается в зависимости от размеров фоточувствительных площадок приемников излучения (или апертуры считывающего устройства).

Устройство определения пространственного положения двух изображений пространственно-частотных спектров марок может быть выполнено различным образом, например с помощью телевизионной системы, видекона и др. или может состоять из дбух фотодиодных линеек, расположенных в плоскости изображений пространственно-частотных спектров перпендикулярно оптической оси на одинаковом от нее расстоянии с возможностью перемещения Di/2 (фиг.З) и. Do DI Д где fi - коэффициент масштаба, в противоположные стороны так, чтобы каждое изображение пространственно-частотного спектра марки находилось на фоточувствительных площадках линеек. Фотодиодными линейками 7 и 8 интенсивность распределения света в изображениях пространственно-частотных спектров марок преобразуется в электрические сигналы с периодом Т, соответствующим пространственному периоду в распределении интенсивности света. Число периодов k в обоих электрических с игналах одинаково и соответствует числу периодов распределения интенсивности света в изображениях пространственно-частотных спектров марок.

Обработка двух электрических периодических сигналов с периодом Т и числом периодов k и со смещением относительно .друг друга на осуществляется блоком обработки, состоящим из двух усилителей 10 и 11, в которых происходит усиление, затем сигна/ш поступают в формирователи 12 и 13, в которых фиксируются положения минимумов в каждом сигнале Б виде импульсов, которые управляют счетчиками 14, считающими число меток от генератора 15, при этом k-ый импульс первого сигнала запускает k-ый счетчик, а k-ый импульс второго сигнала останавливает счетчик и таким образом считывается все число меток, заполняемых k-отрезков между импульсами. После этого сумма числа импульсов поступ °1 + Do Т + С

пает в делитель 16с постоянным запоминающим устройством ПЗУ, в котором осуществляется деление на k число, защитное в ПЗУ, т.е. получается число импульсов, соответст- вующее отрезку между минимумами двух дифракционных картин (фиг.З) в двоичном коде, которое преобразуется в блоке преобразования 17 в десятичный код, из которого поступает в сумматор 18, в котором проис0 ходит суммирование с численным значением расстояния базы между фотодиодными линейками . После этого сигнал поступает в индикаторное устройство 19, в котором регистрируется результат измерения

5

Ј

k

где С - цена дискреты между импульсами. Линейный фртоприемник предназна0 чен Для преобразования распределения освещенности вдоль линейки фотодиодов в электрический сигнал (М.Хоувза, Д.Моргана. Приборы с зарядовой связью, М., Энергоиздат, 1981, с. 142). Фотоприемная

5 линейка (В.Г.Десятков, Л.В.Финогенов, С.В.Магденко Работа интегральной линейки фотоприемников в качестве устройства задержки аналоговых сигналов, .к.Автомет- рия, № 5, 1987, с.38-46) состоит из устрой0 ства управления 20 (фиг.4), линейки фотодиодов 7 (8), устройства с двойной коррелированной выборки 21. Устройство вырабатывает сигналы управления линейкой фотодиодов, стробирующие импульсы для

5 устройства двойной коррелированной выборки (ДКВ) и импульсы синхронизации с работой внешних устройств. Устройство ДВК предназначено для предварительной обработки двух сигналов с четных и нечет0 ных элементов линейки с целью исключения разброса темнового тока элементов,, подавления шума вида 1/f и шума, вносимого источником питания. В данном устройстве используется линейка фотодиодов ТС-26,

5 которая представляет собой две линейки по 512 элементов, вложенных друг в друга, которые считываются параллельно. Временная диаграмма управления линейкой фотодиодов, требуемая для реализации

0 ДКВ, приведена на фиг.5, где Ф| - сигналы, подаваемые на линейку; р - стробирующие сигналы для ДКВ. Частота считывания ограничивается сверху применяемой микросхемой ДКВ ( 400 кГц), а снизу временем

5 темнового разряда линейки фотодиодов (5 кГц). Диаграмма работы линейки фотоприемников приведена на фиг.б. По сигналу Пуск происходит последовательное стирание всех ячеек линейки, по окончании коФормула изобретения

Способ измерения расстояния между отражающими поверхностями объекта, заключающийся в том, что формируют две све- товые марки, проецируют изображения двух световых марок на две отражающие поверхности объекта, переносят изображения двух световых марок с отражающих поверхностей объекта в плоскость анализа, а по расстоянию между характерными областями изображений двух световых марок судят о расстоянии между отражающими

поверхностями объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, изображения двух световых марок формируют в плоскости анализа в виде двух идентичных дифракционных картин, в качестве характерных областей изображений световых марок принимают одноименные минимумы двух дифракционных картин, фиксируют расстояния между соответствующими одноименными минимумами двух дифракционных картин и по усредненному расстоянию судят о расстоянии между отражающими поверхностями объекта.

п

Конец

«; $

%

утаи

20

#,#

П

fo

Ж

2/.

.Itft.ver

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности. Способ заключается в том, что проецируют две световые марки под углом, отличающимся от направления нормали к поверхности, на контролируемые оптически отражающие поверхности детали в направлении отраженных пучков света в плоскость анализа. Новым в способе является формирование из отраженных световых пучков в плоскости анализа одинаково смещенных в противоположные стороны от оптической оси изображений пространственно частотных спектров каждой световой марки с равными и противоположными по знаку фазами и с одинаковыми постоянными перепадами. Многократно фиксируют расстояния между одноименными минимумами полученных изображений и определяют расстояние (толщины объекта) по усредненному значению расстояний. 6 ил. ю

L

пй п.

7(8)

Am. ftev

Јыл

: иет.

Р«гА