Способ определения толщины стенки стеклянной трубки и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - расширение технологических возможностей путем обеспечения возможности измерения толщины стенок трубок, перемещающихся с изменением ориентации своей оси. Осветительная система, выполненная а виде лазера 1 и объектива 2, формирует сходящийся сферический источник света. Светоделительные пластины 3,4, зеркало 5 и уголковый отражатель 8 формируют два параллельных пучка света А и 5, которые освещают объект и эталонную пластинку 11 под углами а , аэт. При движении светоделительной пластинки 4 по направлению к уголковому отражателю 8 расстояние между пучками А и Б, а также разность их оптического пути изменяются по зависимости. + с; AD(vt+c)(sin 2a /2(n2-sin2 а)}, где т - время, v - скорость изменения, п - показатель преломления стенки трубки, и - угол между нормалью к поверхности трубки и осями пучков, ДО - расстояние между ося

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)s G 01 В 11/06, 11/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4336100/28 (22) 27.11.87 (46) 15.10.92.Бюл.й - 38 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) В.B.Xoïîa и В.Н.Васильев (56) Патент США N. 4387994, кл, G 01

В 11/24, 1983, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ

СТЕНКИ СТЕКЛЯННОЙ ТРУБКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения — расширение технологических возможностей путем обеспечения возможности измерения толщины стенок трубок, перемещающихся с изменением ориентации своей оси.

„„Я „„1768961 А1

Осветительная система, выполненная в виде лазера 1 и обьектива 2, формирует сходящийся сферический источник света.

Светоделительные пластины 3,4, зеркало 5. и уголковый отражатель 8 формируют два параллельных пучка света А и Б, которые освещают объект и эталонную пластинку 11 под углами а.аэ . При движении светоделительной пластинки 4 по направлению к угол ко вам у отражател ю 8 расстоя н ие ме>кду пучками А и Б, а также разность их оптического пути изменяются по зависимости;

dd =vt+ с; ZE)=(vt+c)(sin 2а /2(п -sin cc)), где

t — время, v — скорость изменения, n — показатель преломления стенки трубки, а — угол между нормалью к поверхности трубки и осями пучков, ЛΠ— расстояние между ося1768961 ми пучков, Л1 — разность оптического пути первого и второго пучков, причем постоянная с определяется из условий д < а I;. < 2 д„щ ч 2 — д

AL>< >2 б„„, „2;pa+0, где д— длина когерентности излучения, ЛLm;<, Л п) х — минимальное и максимальное значение разности оптического пути пучков, dmin, б)пах минимальное и максимальное значения толщины стенок трубки и регистрируют разность оптического пути пучков в момент максимального контраста интерференционных полос, по которой судят об искомой величине. При этом углы а,а» и О и связаны зависимостью tg В=(з!п2 й/2(n2

-sin a)); tg О =(sin2 а»/2(n»-sin a»)), где и, г, г

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении стеклянных трубок.

Цель изобретения — расширение области использования за счет обеспечения возмо>кности измерения толщины стенок трубок, перемещающихся с изменением ориентации своей оси, На фиг,1 представлена схема образования интерференционной картины при освещении стеклянной трубки; на фиг.2 оптическая схема устройства для определения толщины стенок стеклянных трубок.

Стенка трубки освещается двумя параллельными, сходящимися, сформированными путем разделения излучения полупроводникового лазера пучками А,E когерентного света {фиг,1), которые ориентированы к нормали, опущенной на ось трубки, под углом a . Блики света а,а, б,б, отраженные от обеих поверхностей трубки, интерферируя попарно между собой, образуют сло>кную интерференционную картину, Если одновременно изменять расстояние между осями пучков А и Б и разность их оптического пути по зависимости

hL=vt+c; (1) =(vt+c), (2)

2 (n — sin2 а) где t — время, v — скорость изменения, D — расстояние между осями пучков, Л вЂ” разность оптического пути пучков

Б и А и постоянная с определяется из условий д <Л)ь < 2 4 - л а d n — д;(3)

> О -вР а d х д . (4) 5

35 и» вЂ” показатели преломления стенки трубки и эталонной пластинки, угол Оотсчитывается от нормали к первой светоделительной пластинке к оси осветительной системы против часовой стрелки, а углы а,a» отсчитываются от нормали к оси установки трубки и поверхности эталонной пластинки к оптическим осям, пересекающим их, по часовой стрелке. Расстояние, пройденное пластинкой 4 за время между появлением импульсов с блоков 7,12 измерения контраста интерференционных полос от контролируемой трубки и эталонной плоскопараллельной пластинки 1 1, фиксируется в счетчике 14, 2 с.п.ф-лы, 2 ил, где д — длина когерентности излучения.

М ))-)и, Ж п) х — минимальное и максимальное значения разности оптического пути пучков, dmin, dms минимальное и максимальное значения толщины стенки, то в момент времени, когда оси пучков б и а соль)отся, разность их оптического пути станет равной нулю. Условия (3) и {4) определяют границы измерения разности оптического пути пучковАи Б, Учитывая, что регистрация излучения, отраженного от стенки трубки, ведется во всей угловой апертуре, лежащей в плоскости, проходящей через ось трубки в и освещающие пучки, сигнал на выходе регистратора будет определяться только интерференцией лучей б и а в момент их совпадения, поскольку интерференцион ная картина, образованная в этот момент времени, характеризуется полосой с бесконечной шириной, в отличие от картин, образованных лучами а и б . а и б, а и а, б и б, а и б и б, а, когда они разнесены в пространстве, которь,е всегда представляют собой полосы Юнга и интегрируются фотоприемником регистратора, Таким образом, несмотря на появление контрастных полос, образованных интерференцией этих лучей, сигнал на выходе фотоприемника будет отсутствовать, кроме того, разность оптического пути пучков не зависит от положения в пространстве трубки, при условии, что угол а не изменяется.

Устройство содер>кит осветительную систему, выполненную в виде последовательно установленных полупроводникового лазера 1 и объектива 2, светоделительные

1768961 пластинки 3 и 4, ориентированные под углом к оптической оси осветительной системы, и зеркало 5, ориентированное перпендикулярно той же оси; перед поверхностью пластинки 4, обращенной к зеркалу

5, расположена ось 6 установки стеклянной трубки, лежащая в плоскости, проходящей через ось осветительной системы и нормаль к пластинке 4, проходящей через точку пересечения светоделительной пластинки 4 с осью осветительной системы, нормаль к оси

6, лежащая в указанной плоскости, ориентирована под углом а к оптической оси, симметричной оси осветительной системы относительно нормали, опущенной в точку пересечения пластинки 4 с осью осветительной системы, перед осью 6 на расстоянии от нее, большем внешнего радиуса стеклянной трубки на оси симметричной оптической оси, пересекающей ось 6, относительно нормали к оси установки трубки, которая пересекает оптическую ось, проходящую через ось 6, на расстоянии от нее, равном внешнему радиусу трубки, установлен блок 7 измерения контраста интерференционных полос, входным окном обращенной к оси установки трубки =o стороны пластинки 4, обращенной к осветительной системы, на оси симметричной оси осветительной системы относительно нормали, опущенной в точку пересечения пластинки 4 и оптической оси осветительной системы, установлен уголковый отражатель

8, обращенный отражающей поверхностью к пластинке 4, причем оптический путь от его вершины до точки пересечения пластинки 4 с осью осветительной системы равен оптическому пути от той же точки до зеркала

5, пластинка 4 установлена с возможностью перемещения по направлению к отражателю 8, снабжена приводом 9 и блоком 10 измерения этого перемещения со стороны пластинки 3, обращенной к пластинке 4, установлена эталонная пластинка 11 таким образом, что ее пересекает оптическая ось, симметричная оси осветительной системы относительно нормали к пластинке 3, опущенной в точку пересечения ее с осью осветительной системы, нормаль к пластинке

11 ориентирована QA углом а„к оптической оси, пересекающей ее, перед пластинкой 11 установлен блок 12 измерения контраста интерференционных полос, обращенный входным окном к эталонной пластинке 11 и расположенный на оси, симметричной оптической оси, пересекающей пластинку 11, относительно нормали, опущенной в точку их пересечения, выходы блоков 7 и 12 подключены ко входу блока

13 измерения временных интервалов, выход которого соединен с установочным входом счетчика 14, счетный выход которого соединен с выходом блока 10, угол О между нормально к пластинке 4 и осью осветительной системы и угол а связаны между собой соотношением т О= пга тц

2 (п — sin а)

sin 2 аэт

tg B

2 ° 2

2 (пэт — slA от) где п, пэт — показатели преломления стенки трубки и эталонной пластинки, угол О отсчитывается от нормали к пластинке 4 к оси осветительной системы против часовой стрелки, а углы а,аэт отсчитываются от нормали к оси 6 и пластинке 11 к оптическим осям, пересекающим их по часовой стрелке.

Устройство работает следующим образом.

Осветительная система, выполненная в виде полупроводникового лазера 1 и объектива 2, формирует сходящийся сферический источник света. Светоделительная пластинка 4 делит его на два пучка. При помощи зеркала 5 и уголкового отражателя

8 формируются два параллельных пучка света А и Б, которые освещают обьект и эталонную пластинку 11 под углами а,аэт относительно нормали к ним. При движении светоделительной пластинки 4 по направлению к уголковому отражателю 8 посредством электромеханического привода 9 расстояние между пучками А и Б, а также разность их оптического пути изменяются.

При смещении пластинки 4 по направлению к осветительной системе на величину Лп расстояние между пучками ЛЭ и разнос их оптического пути Л изменяются следующим образом:

Л D=2h, h sin О, Л=4Л h cos О, т.е.

ЛD — =tg О.

Если принять во внимание соотношение между углами О и а, получим

sin 2 а

2 (n2 — sin а)

Таким образом, закон изменения AL u

ЛЭ во времени, при котором лучи б и а (фиг.1) сливаются, в момент, когда разность их оптического пути становится равной нулю, выполняется При этом блок 7 измерения контраста интерференционных полос зафиксирует максимальную величину и выдаст импульс в блок 13 измерения временных интервалов. В блоке 7 происходит детектирование синусоидального сиг1768961 нала с выхода фотоприемника блока, дифференцирование его и ограничение посредством компаратора по определенному уровню, причем сигнал в блоке 13 формируется по заднему фронту импульса с выхода компаратора. Синусоидальный сигнал с выхода фотоприемника блока 7 получается за счет гетеродинной схемы интерферометра (разность оптического пути пучков непрерывно изменяется). Схема, измеряющая разность оптического пути пучков б и а в момент максимального контраста интерференционной картины на выходе блока 7, состоит из измерителя 10 перемещения светоделительной пластинки 4, светоделительной пластинки 3, эталонной пластинки

11, блока 12 измерения контраста интерфференционных полос, блоков 13 и 14. В счетчике 14 фиксируется расстояние, пройденное пластинкой 4, за время между появлением импульсов с блоков 7 и 12. Поскольку толщина и показатель преломления пластинки 11 известны, появление импул ьса с блока 12 однозначно определяет разность оптического пути пучков б и а в этот момент времени, а изменение его до появления импульса с блока 7 фиксируется в счетчике 14. В блоке 13 происходит запуск и срыв двух ждущих мультивибраторов импульсами, поступающими на их входы. Блок

12 аналогичен блоку 7, Толщина стенки трубки рассчитывается по формуле р * н о =дуэт

1 в п а афпг- sin à где пэт — показатель преломления эталонной пластинки, а знаки "+" или "-" определяются очередностью прихода импульсов с блоков

7 и 12 ("+" — если первым срабатывает мультивибратор, соединенный запускающим входом с блоком 12, а "-" наоборот).

Начало движения пластинки 4 отстоит от места установки на величину, равную д, (условие (3)),а конечная точка оп4cos О ределяется условием (4).

Использование операции изменения расстояния и разности оптического пути между зондирующими объект пучками по определенному закону позволяет устранить неоднозначность измерений, связанную с использованием когерентного источника света, сократить габариты, вес и потребление энергии, а также обеспечивает измерения в реальных условиях технологического процесса, характеризуемых изменением положения и ориентации оси стеклянной трубки.

Формула изобретения

1. Способ определения толщины стенки

5 стеклянной трубки, заключающийся в том, что разделяют когерентное излучение сферического источника света на два пучка, направляют один из пучков на стенку контролируемой трубки так, что ось пучка

10 расположена в плоскости, проходящей через ось трубки, совмещают пучок, отраженный от стенки трубки, с вторым пучком, измеряют контраст образованных при этом интерференционных полос и по результа15 там измерений судят о толщине контролируемой стенки, отл и ч а ю щи и ся тем, что, с целью расширения области использования за счет обеспечения измерения стенок трубок, перемещающихся с изменением

20 ориентации оси, направляют второй пучок на стенку контролируемой трубки так, что ось второго пучка лежит в плоскости, проходящей через ось трубки, ориентирована параллельно оси первого пучка и не

25 пересекает нормаль, опущенную со стороны освещения в точку пересечения первого луча с внешней поверхностью трубки, но изменяют расстояние между осями пучков и разность их оптического пути по зависимо30 сти hL=vt+ с;

ЖЗ=(с+ ) з п 2 а

2 (п — sin à) где t — время; ч — скорость изменения;

n — показатель преломления стенки трубки; а- угол между нормалью к поверхности трубки и осями пучков, ЛΠ— расстояние между осями пучков;

А — разность оптического пути первого и второго пучков, причем постоянная с определяется из условий: д

Л ..>г р:„г .а,„+ где д — длина когерентности излучения:

dmin, шах — минимальное и максимальное значение разности оптического пути пучков;

dmin, dmso — минимальное и максимальное значения толщины стенок трубки, регистрируют разность оптического пути пучков в момент максимального контраста интерференционных полос и по зарегистрированному значению судят об искомой величине.

2, Устройство для определения толщины стенки стеклянной трубки, содержащее

1768961

45

55 последовательно установленные осветительную систему, выполненную в виде полупроводникового лазера и объектива, установленных относительно друг друга на расстоянии, не равном фокусу объектива, светоделительную пластинку, предназначенную для установки так, что нормаль к ней ориентирована под углом к оптической оси осветительной системы, ось установки трубки, размещенную в плоскости, проходящей через оптическую ось осветительной системы, и нормаль, опущенную в точку пересечения светоделительной пластинки с осью осветительной системы, и предназначенную для установки так, что нормаль к оси установки трубки в указанной плоскости ориентирована под углом а к оптической оси, симметричной оси осветительной системы относительно нормали, опущенной s указанную точку пересечения, и блок измерения контраста интерференционных полос, установленный перед осью установки трубки так, что входное окно блока обращено к оси установки трубки, на расстоянии от нее, большем максимального размера зоны измерения на оси, симметричной оптической оси относительно нормали к оси установки трубки и пересекающей указанную ось на расстоянии от оси установки трубки, равном максимальному размеру зоны измерения,отл ича ющееся тем,что,с целью расширения технологических возможностей устройства, оно снабжено плоским зеркалом, уголковым отражателем, второй светоделительной пластиной, эталонной плоскопараллельной пластинкой, вторым блоком измерения контраста интерференционных полос, блоком формирования временных интервалов, измерителем перемещений и счетчиком, плоское зеркало установлено за первой светоделительной пластинкой так, что нормаль к его поверхности ориентирована параллельно оптической оси осветительной системы, плоскость установки оси трубки расположена по отношению к первой светоделительной пластинке с той >ке стороны, что и плоское зеркало, уголковый отражатель установлен с противоположной стороны первой светодели ельной пластинки так, что его отражающая поверхность обращена к пластинке, оптическая ось совпадает с осью, симметричной оси осветительной системы относительно нормали к светоделительной пластинке, опущенной в точку пересечения ее - осью осветительной системы, а оптический путь

40 от вершины уголкового отражателя до точки пересечения оси осветительной системы со светоделительной пластинкой равен оптическому пути от этой точки до плоского зеркала, светоделительная пластинка установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения по направлению к уголковому отражателю и связана с измерителем перемещений, вторая светоделительная пластинка установлена между осветительной системой и первой светоделительной пластинкой под углом к оптической оси осветительной системы, эталонная плоскопараллельная пластинка установлена по отношению к второй светоделительной пластинке с той же стороны, что и первая светоделительная пластинка, и ориентирована так, что оптическая ось, ориентированная симметрично оптической оси осветительной системы относительно нормали, опущенной в точку пересечения указанной оси с второй светоделительной пластин кой, образует угол а» с нормал ью к эталонной пластинке, второй блок измерения контраста интерференционных полос расположен по отношению к эталонной плоскопараллельной пластинке со стороны ее поверхности, обращенной к второй светоделительной пластинке, на оси, симметричной оптической оси, образующей угол а» с нормалью к эталонной пластинке, выходы блоков измерения контраста интерференционных полос подключены к входам блока формирования временных интервалов, выход которого подключен к установочному входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом блока измерения перемещений, углы а,аэ и Освязгны зависимостями

SiA 2 а т9О

2 (п — sin à) Sin 2 Ci» тцн

2 (и» sIn Qgy) где и, п,т — показатели преломления стенки трубки и эталонной пластинкvi, угол О отсчитывается от нормали к первой светоделительной пластинке к оси осветительной системы против часовой стрелки, а углы а, а» отсчитываются соответственно от нормали к оси установки трубки и от нормали к поверхности эталонной пластинки к оптическим осям, пересекающим их, по часовой стрелке.

1768961

Составитель С. Грачев

Редактор Т, Мещерякова Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор П. Гереши

Заказ 3638 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101