Способ измерения расстояния до объекта Советский патент 1993 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к метрологии, к средствам измерения расстояния и формы объектов.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых расстояний в сторону их увеличения.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит лазер 1, модулятор 2, ответвитель 3, фокусирующую оптическую систему 4, установленные последовательно на оси лазера 1, объект 5, оптически связанный с лазером 1, приемник акустического излучения 6, приемник оптического излучения 7, блок питания 8 модулятора 2, выход которого связан с входом модулятора 2, пороговый блок 9, измеритель временных интервалов 10, к входу ЗАПИСЬ которого подключен выход приемника оптического излучения 7, а к входу СТОП - выход порогового блока 9. Приемник акустического излучения б акустически связан через среду 11 с приповерхностным слоем 12 среды 11 и поверхностью объекта 5. Индексом 13 обозначена акустическая волна.

В качестве среды 11 могут быть использованы как газы (инертные по отношению к элементам устройства и объекту), так и жидкости (например, вода), обладающие прозрачностью для лазерного излучения,

В качестве приемника акустического излучения 6 могут быть использованы микрофоны различных типов.

В качестве приемника оптического излучения 7 могут быть использованы приемники фотонного или теплового типа с достаточно высоким быстродействием.

В качестве порогового бл.окэ 9 может быть использована микросхема - триггер Шмидта, блока питания 8 - генератор типа ЛА-7, модулятора 2 - кристалл КДР (для лазера видимого и ближнего ИК диапазона),

ш

00

ы

СЛ

о |ь

00

ы

ответвмтел; 3 - плоскопараллельная пластана, прозрачная для излучения, измерителя временных интервалов 10-счетчик типа 43-34, фокусирующей оптической системы 4 - линза из материала, прозрачного для излучения,

В устройство может быть введена схема формирования переднего фронта электрического импульса, включенная между приемником оптического излучения 7 и измерителем временных интервалов 10,

В устройство может быть введено сканирующее устройство, для перемещения. объекта или лазера с сопряженными элементами.

В устройство могут быть введены измеритель давления среды (газа), измеритель, температуры среды (газа) и измеритель состава среды (газа).

В устройство может быть введен дополнительный объект, расположенный на известном расстоянии, используемый для калибров ки.

Вход СБРОС измерителя временного интерзала 10 может быть связан с одним из выходов программного блока (на чертеже не показан), другой выход может быть подключен к входу запуска блока питания 8 модулятора 2,

Предлагаемый способ заключается а следующем,/

Объект 5 освещают импульсным лазерным излучением и регистрируют передний Фронт Акустической волны 13, возникающей при нагреве поверхности объекта 5 и приповерхностного слоя 12 среды 11 (гззз), в которой размещзн объект 5. Расстояние S от объекта до зоны размещения приемника акустического сигнала 8 определяют по зависимости t, где t - интервал времени между моментом генерации оптического импульса и моментом регистрации переднего фронта акустического импульса, v - скорость распространения звука в среде 11, расположенной между объектом 5 и приемником акустического излучения 6, В качестве среды 11 могут использоваться газы (смеси газов) w жидкости прозрачные для излучения лазера 1.

При -использовании жидкости а качестве среды появляется возможность мсполь- ъоеать более короткие импульсы оптического излучения, что в свою очередь позволяет увеличить диапазон измеряемых расстояний з несколько раз, так как затухание звука уменьшается.

Диапазон длительностей импульсов с обусловлен с нижней стороны сложностью их формирования, регистрации

0

5

0

5

0

и большим затуханием (в воздухе а 1 при МГц), а с большей стороны - сложностью выделения переднего фронта, а сле- довательно, снижением точности измерений,

Диапазон плотности мощности 102-105 Вт/см обусловлен с нижней стороны ослаблением нагрева, следовательно, уменьшением амплитуды звукового сигнала, с верхней- возникновением явления пробоя существенно искажающего акустический импульс и приводящего к уменьшению точз ности измерений.

Работа устройства, выполненного в соответствии с предлагаемым способом осуществляется следующим образом.

Пучок лазерного излучения от лазера 1 модулируют модулятором 2, управляемом блоком питания 8 и направляют на ответви- тель 3, одна часть излучения с. которого попадает на приемник оптического излучения 7, где оно преобразуется в электрический сигнал, который подают на вход ЗАПУСК измерителя временных интервалов 10. Другая часть излучения фокусируется фокусирующей оптической системой 4 на поверхности объекта 5, вследствие поглощения оптического излучения поверхностью объекта 5 происходит ее нагрев и нагрев приповерхностного слоя среды 1 (газа), что и служит причиной генерации акустической волны с амплитудой А.

vl/2

a

0

5

0

5

.fi

где PS кия; ТиrMr2-#-/Hl-R)-V-A)

(А-с -/э)1/2«су интенсивность лазерного излучедлительность импульса; /2 - коэффициент объемного расширения среды (для газа ft /273);

eft - коэффициент теплопередачи поверхность-среда;(для металл-воздух $ 1СГ2 - т -);

см2 градv - скорость звука в воздухе; РО - плотность воздуха; А - коэффициент теплопроводности материала объекта;

с - теплоемкость материала объекта;

р- плотность материала объекта;

СУ - теплоемкость среды (для воздуха

Д ). .

см45 град

Акустическая волна 13 распространяется от поверхности объекта 5 через среду к приемнику акустического излучения 6 и достигая его преобразуется им в электрический сигнал, который подается на вход порогового блока 9, на выходе которого формируется сигнал (импульсный), соответствующий времени прихода на приемник акустического излучения переднего фронта акустического импульса, с выхода порогового блока 9 сигнал подают на вход СТОП измерителя временных интервалов 10 и с

с

выхода его снимают показание t -.

При известном v определят расстояние от объекта v.

При наличии в устройстве измерителя давления среды, температуры среды, измерителя состава газа могут быть введены поправки на скорость звука v, что позволит увеличить точность измерений, например, (в воздухе) при , ,8M/c; при Т .+10°С, v 337,8 м/с; для воздуха при Т +100°С. ,2 м/с; для азота при Т +100°C,v 394,1 м/с.

Скорость звука может быть получена прямым способом, при измерении объекта, расстояние до которого известно с высокой точностью.

При работе целесообразно выбирать угол между осями лазерного излучения и осью чувствительности приемника акустического излучения близким к нулю или использовать введение поправки (при угле отличном от нуля), исключающей возникновение погрешности при изменении расстояния от при- емника акустического излучения до объекта.

Возможна работа устройства в частотном режиме, при этом временной интервал между импульсами лазерного излучения должен быть больше времени окончания пе- реходных процессов в приемнике акустического излучения.

Разработано и испытано устройство, реализующее предлагаемый способ в соответствии с приведенным выше описанием с использованием лазера - модель 143 (А - 10,6, импульсный ги 10 с, плотность мощности в зоне объекта Рв 103 Вт/см2), микрофон типа - МД64, порогового блока триггера Шмидта , приемника оптического излучения типа ДТП (пост.времени с) и счетчика типа 43-34, объекта - сталь ст.ЗО.

При испытаниях получен диапазон измерения расстояния от 10 до 5000 мм при

разрешающей способности 5 мм и точности ±20 мкм (в прототипе предел измерений ± 2 мм, точность 10-20 мкм), кроме того в прототипе точность измерений существенно зависит от состояния поверхности (обработки) и результат измерений не определен при попадании пятна излучения на край или уступ поверхности, предлагаемый способ свободен от этих недостатков. Одним из преимуществ предлагаемого способа является возможность измерения расстояний до объектов, не отражающих звук (что при использовании ультразвуковых датчиков не позволяет измерять расстояние до объекта), например, ткани, бумаги и т.п., другим - возможность получения высокого пространственного разрешения до 0,5 мкм (Лазер Я 0,3 мкм), ограниченного лишь возможностями фокусировки излучения лазера на поверхности объекта.

Предлагаемый способ может быть использован в приборостроении для создания автоматизированных систем контроля геометрических размеров и формы деталей и состояния их поверхности.

Формул а изобретен и я

1,Способ измерения расстояния до объекта, заключающийся в том, что освещают объект лазерным излучением, регистрируют провзаимодействовавшее с поверхностью изделия излучение, по параметрам которого судят о расстоянии, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых расстояний, освещение производят импульсами, длительность которых составляет 10 -10 с при плотности мощности 102-105 Вт/см2, измеряют момент вступления переднего фронта акустического импульса провзаимодействовавшего сигнала, в качестве параметра используют интервал времени между моментом генерации оптического импульса и моментом регистрации переднего фронта акустического импульса.

2,Способ по п.1, отличающийся тем, что объект освещают через оптически прозрачную жидкость.

N

Изобретение относится к метрологии, к средствам измерения расстояния и формы объектов. Цель - расширение диапазона измеряемых расстояний - достигается за счет того, что освещение объекта проводят имff-Т пульсами с длительностью 10 -10 с при плотности мощности 102-105 Вт/см2, а в качестве информационного параметра используют мнтерзая времени между моментом генерации оптическом импульса и моментом регистрации переднего фронта акустического импульса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.