Устройство для измерения диаметра волокна

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ H3MEPEIiKH ДИАМЕТРА ВОЛОКНА, содержащее излучатель , сканирующую систему, фотоэлемент с усилителем и измеритель длительности импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измереннп, оно снабжено соединенными последовательно амплитудным детектором и делителем напряжения На два,компаратором, инвертирующий вход которого соединен с выходом делителя напряжения на два, неинвертирующий вход.- с выходом усилителя, подключенного к ин юрмационному входу амплитудного детектора, одновибратором, вход которого соединен с выходом компаратора и входом измерителя длительности импульсон, выход - с входом сброса амплитудного детектора, а усилитель вьтолнен инвертирующим.

„„Su„„ I ЗЗ48З

Ц 511 G О1 В 21/10

ОПИСАНИЕ КЯОБРЕ7ЕНКЯ

)взк6 фее

@@ (Д .ф с фД. Ф.А.Ф.. /,Хф э-б ;;. :., СОЮЗ ССЗЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ : :,"Г "".:=:- РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГПФ

И АЗТСРСЯОМ СВИДЕТЕЛЬСТВЪ (21) 3507041/18-28 (22) 27.10.82 (46) 07.01.85. Бюл. N- 1 (72) Б.А.Староверов, IO.В.Закорюкин, В.В.Кашин, Ю.И.Недранец, Г.С.Добров и Г.A.Ñåäîcååâ (53) 531.71(088.8) (56) I. Устройство допусковое измерительное. Л., ЛОМО, 1977 ° (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕ11ИЯ

ДИАМЕТРА ВОЛОКНА, содержащее излучатель, сканирующую систему, фотоэлемент с усилителем и измеритель длительности импульсов, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью новышения точности измерений, оно снабжено соединенными последовательно амплитудным детектором и делителем напряжения Иа два,компаратором, инвертирующий вход которого соединен с выходом делителя напряжения на два, неинвертирующий вход — с выходом усилителя, подключенного к информационному входу амплитудно"

ro детектора, одновибратором, вход которого соединен с выходом компара-. тора и входом измерителя длительности импульсов, выход — с входом сброса амплитудного детектора, а усилитель выполнен инвертирующим.. 11334

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в производстве искусственно. го волокна, кабеля, проволоки.

Известно устройство для измерения диаметра волокна, содержащее,излучатель, сканирующую систему, фотоэлемент с усилителем и измеритель длительности импульсов (1 3.

Недостатком известного устройства 10 является низкая точность измерения из-за погрешности, обусловленной нестабильностью излучателя или чувствительности элементов схемы обработки сигнала, 15

Целью изобретения является повы.шение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения диаметра волокна, содержащее излучатель, сканирующую систему,. фотоэлемент с усилителем и измеритель длитель ности импульсов, снабжено соединенными последовательно амплитудным детектором и делителем напряжения на два, комларатором, инвертирующий вход которого соединен с выходом делителя.. напряжения на два, неинвер тирующий вход — с выходом усилителя, подключенный к информационному входу амплитудного детектора, одновибратоI ром, вход которого соединен с выходом компаратора и входом измерителя длительности импульсов, выход — с входом сброса амплитудного детектора, а усилитель выполнен инвертирующим.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 — диаграмма элемейтов схемы; на фиг.3 и 4 — процесс образования импульса на выходе фотоэлемента.

Устройство для измерения диаметра волокпа содержит излучатель 1, сканирующую систему, состоящую из зеркальной призмы 2, установленной с возможностью вращения, и линзы 3 (сканируется волокно 4 ), линзу 5, фотоэлемент 6 с усилителем 7, соединенные последовательно амплитудный детектор 8 и делитель 9 напряжения на два, компаратор 10, инвертирующий вход которого соединен с делителем 9 напряжения на два, неинвертирующий — с выходом усилителя 7, одновибратор 11, выход которого соеди- 55 нен с входом сброса амплитудного детектора 8, информационный вход которого связан с усилителем 7, изме83 2 ритель 12 длительности импульса, вход которого и вход одновибратор.1 ll соединены с выходом компаратора 10.

Устройство работает следующим образом, Световой луч от излучателя 1 развертывается в пределах угла о за счет вращения зеркальной призмы 2.

Луч попадает на линзу 3, которая обеспечивает параллельное его перемемещение. Линза 5 фокусирует перемещающийся луч на фотоэлементе 6.

При пересечении лучом волокна 4 (фиг.1) в промежуток времени (фиг.2) уменьшается световой поток, попадающий на фотоэлемент 6 и соответственно снижается напряжение на еro выходе U, а на выходе усилителя 7 переменного тока, усиливающего и инвертирующего переменную составляющую напряжения с фотоэлемента 6, появляется нарастающее напряжение U>, образуется передний фронт импульса. Если этот импульс— первый после включения устройства в работу, то в этом случае к моменту близко к нулю, соответственно на выходе делителя 9 напряжения, уменьшающего напряжение амплитудного детектора 8 в два раза, также имеется нулевое напряжение U . Поо этому при появлении напряжения на вьиоде усилителя 7 в момент 4 срабатывает компаратор 10, так как на инвертирующий его вход в момент to подается нулевое напряжение делителя 9, на неинвертирующий вход компаратора 10 поступает увеличивающееся напряжение U> с выхода усилителя 7. На выходе компаратора появляется импульс U„ по переднему фронту которого одновибратор 11 формирует на своем выходе короткий импульс 0 подаваемый на вход сброса амплитудного детектора 8. Этот импульс сброса Uо в дальнейшем используется для установки нулевого напряжения на выходе амплитудного детектора 8. 11о окончании импульса сброса 0 в мсмент 1 напряжение иа

1 выходе амплитудного детектора 8 повторяет напряжение на выходе усилителя 7 до максимального (амплитудного) значения (промежуток времени

Ф ) соответствующего полному пе рекрытию (.затемнению) сканирующего светового луча измеряемым объектом— волокном 4, минимуму светового пото ка, падающего иа фотоэлемент Ь, а

I 1334

3 также минимуму напряжения на его выходе. С момента 1 сканирующий луч выходит иэ пересечения с волокном и перекрывается им все в меньшей степени, увеличивается свето-. вой поток, падающий на фотоэлемент 6, растет напряжение на его выходе, уменьшается напряжение на выходе усилителя 7, формируется задний фронт импульса напряжения О (отре- 1О

3оК 4g — 6g ). При уменьшении напряже-j. ния U на выходе усилителя 7 напряжеМ ния Ц на выходе амплитудного детектора 8 изменяется и остается равным амплитудному значению напряжения

U . . СCо оoт вBеeт с т в еeнHнHо oнапряжение LI на выходе делителя 9 равно половине амп- литудного значения напряжения U íà выхьде усилителя 7 (отреэок 1з — 1в ).

При уменьшении напряжения на вьггоде

20 усилителя 7 до половины амплитудного значения (момент 4<) сравниваются на- пряжения на входах компаратора 10, он срабатывает, на его выходе формируется задний фронт импульса напряжения U„. При следующем пересечении волокна 4 сканирующим лучом на выходе усилителя / вновь формируется импульс напряжения U . Когда напряжение на выходе усилителя 7 достигает половины амплитудного значения, ЗО срабатывает компаратор 10, на его выходе формируется передний фронт импульса напряжения U„ (момент Ф ), коротким импульсом с одновибратора 11 напряжение на выходе амплитудного 35 детектора 8 сбрасывается до нуля, а затем возрастает, повторяя возрастающее напряжение на выходе усилнтепя 7 до амплитудного его значения. К моменту начала снижения напряжения 0„ на выходе усилителя 7 напряжение на выходе амплитудного детектора 8 равно максимальному. значению напряжения U, а напряжение на вьгходе делителя 9 — половине его. При снижении 45 напряжения на выходе усилителя 7 до половины его амплитудного значения срабатывает компаратор 10 и на его выходе формируется заднчй фронт импульса. напряжения U„ .

Итак, на выходе компаратора 10 сформировался импульс с длительностью 1 (фиг.2), равный времени, 4 в течение которого напряжение на выходе усилителя 7 превышает попо- 55 вину своего амплитудного значения.

Этот прямоугольный импульс напряжения U с выхода компаратора 10 пода8 4 ется на вход измерителя 12 длительности импульсов. При снижении мощнос, ти сканирующего луча иэ — эа нестабильности излучателя I уменьшается падалщий световой поток, снижается амплитуда импульсов с фотоэлемента 6 и выхода усилителя 7 (момент 1, ). В момент Е на компараторе 10 происв ходит сравнение напряжения на выходе усилителя 7 с половиной прежнего амплитудного значения (до уменьшения светового потока}, далее на выходе амплитудного детектора 8 устанавливается напряжение, равное новому амплитудному значению напряжения на выходе усилителя 7, и половине этого напряжения — на выходе делителя 9 (момент ty) длительность прямоугольных имггульсов, формируемых в дальнейшем компаратором, снова равна времени, в течение которого напряжение на выходе усилителя 7 превышает половину своего амплитудного значения.

Задержка установления напряжения

U на инвертирующем входе компарато* ра 10 соответствующего изменившемуся амплитудному значению импульса с вьгхода усилителя, не превышает пе- . риода измерения.

Таким образом, устройство обеспечивает измерение длительности импульса с выхода усилителя, представля ощего теневое изображение волокна, на уровне половины его амплитудного значения независимо от изменений амплитуды этого импульса.

Целесообразность измерения длительности импульса.на уровне, равном половине его амплитуды (т.е. иа его середине), может быть пояснена на примере сканирования тонким световым лучом (диаметр d луча меньше диаметра волокна 9) непрозрачнсго волокна. При анализе примем следующие допущения.: мЬщность излучения равномерно распределяется по всей площади луча; влияние явлений, обусловленных волновыми свойствами света, не учитывается. Существует линейная зависимость между напряжением на вьгходе фотоэлемента и световым потоком падающего на него луча, а также напряжением на выходе усилителя.

Пусть луч пиаметром d движется со скоростью V к волокну диаметром

D (фиг.3) . Пока луч не пересек волокно, напряжение на выходе фотоэлес (х — rý dt — t момент кает

МС(КС

U2=

2 ьи=Л, DS, (11 ф

3 г луча; (з! макс = К +

« перекрытая

U = I "d.U

3 (2) 30

r-x

arccos — — = — ——

2 г

Тогда (pi 55

S I !33ч мента определяется IIQJIHbfH светсвым потоком луча

0,=4Ф где Ф вЂ” световой поток сканирующего

5 луча, лм; — чувствительность фотоэлемента, В/лм.

В момент E.„(фиг. 3) луч начинает пересекаться волокном. Далее часть луча перекрывается волокном, уменьшается световой поток, падающий на фотоэлемент, и снижается соответственно его выходное напряжение:

0ФЗ=ЗФ-du .

При указанных допущениях изменение напряжения а0 определяется площадью луча, перекрытой волокном: где 7r — общая площадь

r =- — — радиус луча;

2 а S — площадь луча, волок но и.

Напряжение на выходе усилителя где К вЂ” коэффициент усчления усилителя.

В некоторый текущий момент площадь луча, перекрытая волокном, равна площади сегмента ВАС (фиг.3, заштрихована):

l а Б =- — — — sin 0(), Г о где r=- — радггус сканирующего луча с гв

2 центром О; с — угол ГОС.

Радиус ОЛ (фиг.3) совпадает с направлением г.еремещения луча, он перпендикулярен продольной оси волокна н границе волокна ВС. ОА делит угол д. пополам. Очевидно

Г /г х1 . Г /г-х 1

55= — 2агссоз -sint2ar ccos

После преобразований получаем закон изменения напряжения на выходе

83 6 усилителя 7 в пределах импульса з) : К1 2« с««« -5 «i«««« i )) ф (/l.-x i . Г

I (4) где 0(х сс1; х=ч(— t )..

), когда центр луча 0 пересеч край волокна, перекрыта половина площади светового луча, изменение напряжения на фотоэлементе и напряжения на выходе усилителя достигает половины амплитудного значения:

В момент t (x=2r) луч полностью з перекрьгг, све-.оной поток, падаюший на фотоэлемент минимален и определяется засветкой от посторонних источников:

Затем до момента t световой по1 ток, падающий на фотоэлемент, и напряженке на выходе усилителя неизменны. Далее (отрезок +-t6) образуется задний фронт импульса, процесс аналогичен описанному, но протекает в обратном порядка.

Рассмотрим ошибку измерения длительности импульса„ обусловленную нестабильностью порога срабатывания измерителя длительности импульса (в описанном устройстве компаратора):

d0

У =2 „> (5)

dt где д"У вЂ” погрешность порога срабатывания;

СИ1 г скорость изменения напря. dt жения на выходе усилителя во время образования фронта импульса.

Коэффициент, равный двум, учитывает, что ошибка измерения возникает на обоих фронтах импульса.

Очевидно, функция (5) имеет минимум при максимальном значении ().

4 Па

4t

Найдем значение U, соответствую4 U щее максимуму (- -}. Имея в виду

dt

Э что Z=V(t-t„), можно записать:

11ЗЗ48З

duÝ du Ч dX du„

«,(Ч

dt,(х dt d x

Таким образом, минимум Р в вы ражении (5) определяется максимумом

d Uy (— — ) °

dx

Итак, .для отыскания уровня напряжения 0„, на котором погрешность измерителя длительности (компарато—

pa) d ll дает минимальную ошибку в измерении длительности, найдем вто)г рую производную †--- и приравняем 15

dx> ее к нулю. 10 ч 2rx . () г

dx г - (-)

Ti(.ã ) х 2(- х 1 ,1 г 1, 25

Очевидно -- - = 0 пр 1 дхг учитывая выражение (4 ), при

) (1 ф Ч cl wc о =

2 30

Погрешность от разброса (нестабильности) уровня срабатывания измерителя длительности (компаратора) дает наименьшую ошибку в измерении дли- З5 тельности импульса при условии, что длительность импульса измеряется на уровне, равном половине амплитуды и(пульса.

Длительность фронта импульса «(Π— (ф:1г.3) эависззт от .ф З 1 Ь диаметра ска11ирующего луча:

t< = djv.

Длительность импульса, замеренная на уровне его середины (половины амплитудного значения ) . не ЗРвнсит от диаметра луча и определяет— ся временем движения центра луча О (фиг. 3) от одного края волокна. до р др уго го

t = D/v.

Длительность импульса, эамереиная на уровне вершины им((ульса ь „„, у основания импульса а также на любом уровне, кроме середины импульс» « (фиг.3), зависит от диаметра сканирующего луча:

-....= — -((»«-»,(((«-!+)1= — -,, На фиг «4 приведены диаграмм(импульса при одинаковых мощностях (световых потоках), но разных диаметрах луча, сканирующего одно и то же волокно диаметром D. Очевидно, D

V т.е. разность замеренных на разных уровнях длительностей вызывается копен((ьми размерами луча.

11ри смещении волок1(д на край эоны сканирования фронты импульса становятся более поз(огими, вследствие увеличения диаметра луча иэза несогер зсхIc. ТI3d оптики э частности линзы З,фиг 1) . Измерения длительности на уро«зне, отли ном от середины И2".пульса» д«3ют . погрешность пропорциональную изменению диаметра сканирующегo луча.

На фиг.2 видно, что длительность импульсe> с фотоэлемента за меренн -fi Ha уровне его середи1(ы, не зависит от амплитуды этого имгульса. Вследств Ie этого изменение интеис,-вности излу ателя .и изменение чувствительности фотозлем-".Ига не вли- яют на точность измерения диаметра волокна, Таеиы образом- в рез х ьтзте прим« нения Iiðoääd аемозго ус(рой тв, уст— раняезся Fioãp".Iiíoo-:ь измерения диаме r r g воло1:на» вызванил«зя не стабильност ю изл»«чаг !Я» еестаб ..х. 1»1нзстью ч ьствительеости Аото.»ле(»е1«та, уменьшается погрешность вызванная разбросом поь«ога срабатывания измерителя длительности компчаратора) устраняется погрсшность, вызванная непостоянствсм диаметра луча и зоне сканирования., что в целом повышает точность измерсния диаметра волокна. 1133483

ggp

1133483,1133483

Заказ 9940/34 Тираж 651

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делаи изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35„ Раушская наб., д. 4/S

Пс дписное

Филиал ИПП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная,4

Составитель Е. Глазкова

Редактор И. Николайчук Техред С.11игунова Корректор В. Синищкая