Устройство для контроля параметров объектов Советский патент 1993 года по МПК G01B15/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного экспресс-контроля и измерения диаметров, округлости обьектов цилиндрической формы и площади отверстий и ширины щели удлиненной формы. Преимущественная область использования - контроль и измерение диаметров обьектов цилиндрической формы.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка, а именно расширение функциональных возможностей при высокой точности контроля и простоте устройства. Расширение функциональных возможностей состоит в том, что предлагаемое устройство обеспечивает бесконтактный экспресс-контроль и измерение диаметров, сечение профиля, округлости и формы поверхности объектов цилиндрической формы как из проводящего, так и из непроводящего материалов, а также площади и ширины щелей и отверстий удлиненной формы.

Анализ заявляемого технического решения показывает, что указанные блоки широко известны. Однако, при их введении в указанные связи с остальными элементами схемы в заявляемом устройстве проявляются новые свойства, что приводит к количественной оценке изменения отношения уровней отраженных сигналов, которые и являются мерой параметра объекта. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию существенные отличия.

Сущность изобретения заключается в том, что для контроля параметров объекта цилиндрической формы и отверстий удлиненной формы используется физическая зависимость эффективной площади рассеяния цилиндрической поверхности от соотношения радиуса цилиндра к длине волны при облучении полем плоской электсо

о

со

XI

CJ

го

ромагнитной волны изолированного одиночного цилиндра. Энергетические функции рас- сеяния имеют форму асимптотических кривых, приближающихся при изменении d/A к единичному значению сечения обратного рассеяния, которое с увеличением d/Я уменьшается при ориентации плоскости поляризации излучения параллельно оси цилиндра или увеличивается при ориентации плоскости поляризации перпендикулярно оси. При постоянной длине волны каждому значению диаметра соответствуют два значения отражающей поверхности при двух ортогональных значениях ориентации поляризации. При изменении диаметра изменяются и значения отражающих поверхностей. Поэтому можно определять отношение отраженных сигналов (параметр объекта) при ориентации поляризации параллельно оси объектов или перпендикулярно ей или же при ортогональных ориентациях для каждого объекта. Последний случай является предпочтительным, так как обеспечивает наивысшую точность контроля.

На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства контроля параметров объекта.

Устройство контроля параметров объектов содержит генератор электромагнитных волн 1, перестраиваемый полосовой фильтр 2, двухканальный делитель мощности 3, первый циркулятор 4, первый вращатель плоскости поляризации 5, первый приемопередающий излучатель 6, эталонный объект 7, первый поглотитель 8, второй поглотитель 9, первый детектор 10, второй циркулятор 11, второй вращатель плоскости поляризации 12, второй приемопередающий излучатель 13, контролируемый объект 14, третий поглотитель 15, четвертый поглотитель 16, второй детектор 17, блок управления вращением плоскости поляризации 18, измеритель отношений напряжений 19.

Устройство контроля параметров объектов работает следующим образом.

Сначала после сборки устройства производится его настройка, целью которой является получение равенства коэффициентов передачи эталонного и измерительного каналов, а также получение полного согласования каждого канала в отдельности при всех возможных ортогональных ориентациях плоскости поляризации излучателей на всех предусмотренных длинах волн. Для этого к выходам детекторов 10 и 17 подключаются чувствительные гальванометры, а из устройства исключаются эталонный 7 и контролируемый 14 объекты, На устройство подается питание, органами управления генератора 1 и полосового фильтра 2 устанавливаются соответствующие значениям длин волн, а органами управления блока управле- ния вращением плоскости поляризации 18 устанавливают поочередно ортогональные ориентации плоскости поляризации излу- . чателей и каждый раз добиваются отсутствия показаний гальванометров. Это

0

достигается регулировками конструкций

поглотителей 8, 9, 15, 16 и их расположением по отношению к излучателям 6 и 13 . (устранение переотражений в области излучатель-объект), а также регулировками со5 гласующих подстроечных элементов в каналах излучатель-вращатель плоскости поляризации-циркулятор-детектор (устранение рассогласований). Добившись отсутствия переотражений устанавливают затем

0 равенство коэффициентов передачи обоих каналов. Для этого перед излучателями устанавливают два идентичных эталонных объекта 7 (на каждой рабочей длине в отдельности для всех 4 ориентации плоскости

5 поляризации) например, условно 0°, 90°, 180°, 270°) путем регулировки подстроечных аттенюаторов добиваются равенства показаний обоих гальванометров. При этом ориентации плоскостей поляризации излу0 чателей 6 и 13 каждый раз должны быть идентичны, т.е. вектор поляризации излучения как излучателя 6, так и излучателя 13 каждый раз должен быть либо перпендикулярен, либо параллелен продольной оси

5 обоих эталонных объектов. Затем отключают чувствительные гальванометры и подключают выходы детекторов ко входам излучателя отношений напряжений 19. Путем регулировки подстроечных аттенюато0 ров на выходе детекторов добиваются показаний измерителя отношений напряжений равных единице.

Затем производится градуировка устройства, Для этого используется набор

5 эталонных (контрольных) объектов идентичного материала (проводящего или непроводящего) и идентичного параметра (диаметра, округлости и др.), но разной величины этого параметра. Число этих эталон0 ных объектов разной величины параметра зависит от назначения устройства, точности и диапазона измеряемых значений. Поэтому число эталонных объектов должно включать в себя объекты с величиной параметра,

5 равной начальному, промежуточным и конечному значениям диапазона измеряемых значений. Установив перед излучателем 6 эталонный объект 7, значение параметра ко- , торого соответствует начальному, среднему или конечному (контроль в сторону увеличения, в обе стороны от номинала или в сторону уменьшения) значению диапазона измеряемых значений, по шкале измерителя отношений напряжений 19 фиксируют величину отношений сигналов для каждого контрольного образца 14, располагаемого перед излучателем 13. По значениям этих отношений строят переводной график или составляют переводную таблицу или же их наносят непосредственно на шкалу измерителя напряжений 19. .В последнем случае обеспечивается непосредственный отсчет в значениях контролируемого параметра. При этом градуировка проводится раздельно для каждого из вариантов использования ориентации вектора поляризации: параллельно оси объектов, перпендикулярно ей или при комбинированной (ортогональной),

После проведения операций настройки и градуировки устройство готово к применению.. Эталонный объект 7 остается в устройстве на все время его работы, а контрольные объекты 14 изымаются.

Перед началом работы устройства и желательно периодически в процессе его работы производить установку нуля. Для этого перед излучателем 13 устанавливается эталонный объект, идентичный объекту 7 и регулировкой подстроечного аттенюатора на выходе детектора 10 или 17 устанавливается отношение сигналов по шкале измерителя отношений напряжений 19, равное единице (нуль шкалы). Эта регулировка вызвана, в первую очередь, старением детекторов. После установки нуля перёд излучателем 13 устанавливается контролируемый объект 14 и осуществляется контроль его параметра. Значения параметра определяются по графику, таблице или непосредственно по шкале измерителя отношений напряжений.

Устройство может быть.реализовано известными техническими средствами. В качестве примера конкретного выполнения может быть приведено устройство, выполненное в волноводном канале сечением 3,6 х 1,8 мм, в диапазоне рабочих частот порядка 53,57-78,33 ГГц. Генератор типа ГЧ-142. Перестраиваемый полосовой фильтр 2 выполнен в виде открытого резонатора с двумя отверстиями связи. При выполнении его из материалов с малым температурным коэффициентом, например инвара, может быть получена температурная стабильность частоты порядка 2x10 . град, при добротности порядка 30-50 тыс. Двухканальный делитель мощности 3 типа известных трехдецибельных шлейфовых направленных ответвителей, обладающих идентичностью плеч в широком диапазоне

частот. Циркуляторы 4, 11 типа широко распространенных ферритовых циркуляторов, . обладающих прямыми потерями одного плеча порядка 0,3-0,6 дБ и развязкой между

плечами порядка 20-35 дБ.

Вращатели плоскости поляризации 5,12 типа широко распространенных устройств, основанных на эффекте Фарадея, содержащих волновод круглого сечения, с

размещенным вдоль его оси ферритовым элементом, охваченный проводящей ка- тушко.й, которая при протекании через нее электрического тока создает осевое магнитное поле. Вращатели плоскости поляризации комплектуются двумя волноводными переходами: со стороны циркулятора - переходом с прямоугольного сечения на круглое, а со стороны излучателя - переходом с круглого сечения на квадратное, например

3,6x3,6 мм. Приемопередающие излучатели 6, 13 типа открытых концов волноводов квадратного сечения, например 3,6x3,6 мм или известных рупорных излучателей. Поглотители 8, 9, 15, 16 выполнены из известных, поглощающих электромагнитное излучение, материалов, например, марки 1 С японской фирмы Тосиба дэнки, используемых в диапазоне частот 1-100 ГГц. Детекторы 10, 17 из комплекта рефлектометра

измерителя КСВН типа Р2-69. Блок управления вращением плоскости поляризации 18 типа широко распространенных импульсных источников питания постоянного тока с реле времени. Измеритель отношений напряжений 19 типа В7-34. Характеристики, приведенные выше, серийно выпускаемых отечественной промышленностью приборов указаны в каталогах-проспектах Радиоизмерительные приборы издательства М.,

ЦООНТЙ Экое.

Устройство, собранное из указанных выше элементов, имеет рабочий диапазон длин волн порядка 3,85-5,55 мм. Существенные изменения эквивалентной отражающей

поверхности проводящего цилиндрического объекта наблюдаются в интервале порядка от d/A 0,3 до d/ А 2,0 как для параллельной,так и для перпендикулярной ориентации вектора поляризации относительно оси цилиндра. Для рабочей длины А 3,85 мм эти крайние значения аргумента d/A соответствуют значениям диаметра d; 1,15мм ий2 7,7мм. Для рабочей длины А 5,55 мм соответствующие значениям диаметра равны di 1,67 мм и.d2 11.1 мм. При этом эффективные отражающие поверхности изменяются при параллельной ориентации от 1,5 So до 1,15 So а при перпендикулярной - от 0,5 So до 0,85 So. И

отношения сигналов будут изменять от величины, равной единице до 1,3 (при отношении большей величины к меньшей) или до 0,77 (при отношении меньшей к большей величине) при параллельной ориентации и, соответственно, до 1,7 и 0,59 при перпендикулярной ориентации. Если же брать отношение сигналов при облучении эталонного и контролируемого объектов ортогональными ориентациями, то отношение изменяется от 3,0 до 1,35 (при отношении большей величины к меньшей) и от 0,33 до 0,74 (при отношении меньшей величины к большей). Таким образом, для указанных изменений аргумента d/A отношение сигналов изменяется следующим образом: при параллельной ориентации порядка на 30% или 23%, при перпендикулярной ориентации порядка на 70% или 41% и при ортогональной ориентации порядка в 2,22 раза или 2,24 раза. Следовательно устройство обеспечивает наивысшую точность контроля в режиме ортогональных ориентации вектора поляризации эталонного и контролируемого объектов, что достигается заданием соответствующей программы блоку управления вращением плоскости поляризации 18, который также выдает сигнал на измеритель отношений напряжений для сброса показаний измерителя. Соответствующими выборами значений рабочих длин волн (для приведенного конкретного примера не более двух) обеспечивается существенное перекрытие контролируемых значений параметров объектов. Для данного конкретного примера диапазон контролируемых значений диаметров равен 1,15-11,1 мм, т.е. выполняется почти десятикратное перекрытие значений.

Заявляемое устройство контроля параметров объектов по сравнению с лучшими устройствами обладает технико-экономической эффективностью, обусловленной расширением функциональных возможностей при высокой точности контроля и быстродействия. В качестве базы сравнения могут быть приняты технико-экономические показатели прототипа.

Посравнению с базовым объектом заявляемое устройство обладает тем преимуществом, что позволяет производить контроль объектов цилиндрической формы. Ф о р м у л а и з о б р ет е н и я Устройство для контроля параметров

объектов, содержащее последовательно соединенные тенератор, перестраиваемый полосовой фильтр, двухканальный делитель мощности, первый и второй трехплечий цир- куляторы, входы которых соединены с выходом двухканального делителя мощности, первый и второй детекторы, входы которых подключены к вторым выходам соответствующих циркуляторов, индикатор, первый и второй входы которого соединены с выходами детекторов, первый и второй полые поглотители электромагнитной энергии, внутри которых установлены первая и вторая приемопередающие антенны, третий и четвертый поглотители электромагнитной

энергии с лунками для размещения эталонного и контролируемого объектов, установленные в торцах соответственно первого и второго поглотителей в раскрывах приемопередающих антенн, отличающееся

тем, что, с целью расширения области применения, оно снабжено первым и вторым вращателями плоскости поляризации и блоком управления плоскости поляризации, первые выходы первого и второго трехплечих циркуляторов соединены соответственно с первыми входами первого и второго вращателей плоскости поляризации, выходы которых соединены соответственно с первой и второй приемопередающими антеннами, а вторые входы первого и второго вращателей плоскости поляризации соединены с первым и вторым выходами блока управления плоскости поляризации соответственно, третий выход которого соединен с третьим входом индикатора.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - расширение области применения. Это достигается введением в устройство, содержащее генератор электромагнитных колебаний, делитель мощности на опорный и контролируемый каналы, циркулятор, приемопередающий излучатель детектор в каждом канале и измеритель отношений напряжений, дополнительно вращателей плоскости поляризации в каждый канал, включенных между циркуляторами и излучателями, и блоком управления вращением плоскости поляризации.1 ил.