Способ измерения расстояния между отражающими поверхностями объекта

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 B 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

)ДфЦДЦ \, j; 4pР gg

: QT + r

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21)4740727/28 (22) 20.07.89 (46) 07.02.93. Бюл. ¹ 5 (71) Производственное объединение "Ижевский механический завод" (72) В.Н,Аноховский (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 2 74936, кл. 6 01 В 7/04, 1968.

Авторское свидетельство СССР № 153788, кл. G 01 В 11/08, 1968. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ

: 1:МЕЖДУ ОТРАЖАЮЩИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Целью изобретения является повышение точности. Способ заключается в том, что проецируют две свеИзобретение относится к контрольноизмерительной 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 роторно-конвейерных линиях.

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

Наиболее близким по техническому решению является способ измерения рассто,, Ц, 1793215 А1

I товые 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 иэображений 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. яний 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 иэображениямарок в плоскость анализа, а по величине смещения иэображения марок в плоскости анализа относительно друг друга судят о расстоянии . между оптическими отражающими поверх- ностямими.

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

1793215

В случае исполнения марки с периодическим распределением интенсивности света, например в виде синусоиды или решетки, 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 изобра.жения марки на контролируемой поверхности, 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 отра>кэющими поверхностями, заключающемся в том, что проецируют изображение двух сформированных свето20 вых марок под углом, отличном от нормали, на две контролируемые оптически отражающие поверхности объекта, переносят изобра>кения двух световых марок с отражающих поверхностей объекта, а по расстоянию между характерными областями изобра>кений двух световых марок судят о расстоянии между отражающими изображениями в виде двух идентичных дифракционных картин, в качестве характерных 30 областей изображения световых марок принимают одноименные минимумы двух дифракционных картин, фиксируют расстояния между одноименными минимумам двух картин и по усредненному расстоянию судят о 35 расстоянии между отражающими поверхностями.

На фиг.1 показана схема устройства, реализующего способ измерения внутренних поперечных размеров деталей; на фиг.2 — 40 формы марок для разных случаев измерения; на фиг,З вЂ” графики распределения интенсивности света в дифракционных картинах в плоскости приемников излучения; на фиг.4 — схема управления фотодиод- 45 ной линейкой; на фиг.5 — сигналы управления фотодиодной линейкой; на фиг.6-диаграмма работы линейки фотоприемников. устройство для реализации способа мо- 50 жет быть выполнено, например, из источника излучения (лазера 1}, коллиматора 2, двух марок 3 в виде дифракционных щелей, riepвого объектива 4, проецирующего световой поток на деталь 5, второго объектива 6, фо,- 55 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 генераторэ 15, а вйход 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 с входом индикатора 19.

Пучок монохроматического света от источника (фиг.1), например лазера 1, коллимируют при помощи коллиматора 2, освещают две марки 3, выполненные в виде дифракционных щелей размером а/b=10/1.

Щели могут быть выполнены различной формы в зависимости от измеряемых поверхностей (фиг.2, позиции а) при измерении внутренних диаметров, б} при измерении размера между плоскими поверхностями).

Параллельный пучок света дифрагируют на марках. Продифрагйрованные пучки света проектируются на поверхности детали 5 обьективом 4 и формируются изображения марок на противоположных контролируемых поверхностях детали 5 с внутренним размером 0,>, Над отраженными расходящимися пучками осуществляется

Фурье-преобразование объективом 6 и формируются изображения пространственночастотных спектров каждой марки (Г.И. Вас илен ко "Тео рия восстановления сигналов", М„Советское радио, 1979, 185).

Требуемое положение плоскости марки (транспаранта) и пространственно-частотной плоскости может быть найдено по обычным законам геометрической оптики. В частности, Фурье-спектр всегда формируется в плоскости изображения точечного источника света независимо от количества линз и расположения входной плоскости.

Пространственно-частотные спектры марок, выполненных в виде дифракционных щелей, реально существуют (С.Б. Гуревич

"Передача и обработка информации голографическими методами", М., Советское радио, 1978, с,21 — 22) и в предлагаемом устройстве находится в задней фокальной плоскости эквивалентной оптической системы (В.Н,Чуриловский "Теория оптических приборов", M., "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

1793215 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 (P.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 (йли 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 двух фотодиодных линеек, расположенных в плоскости изображений пространственно-частотных спектров перпендикулярно оптической оси на одинаковом от нее расстоянии с возможностью перемещения D i (фиг.3) и Do= D< /3, где P — 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 сигналах одинаково и соответствует числу периодов распределения интенсивности света s изображениях пространственно-частотных спектров марок.

Обработка двух электрических периодических сигналов с периодом Т и числом периодов k и со смещением относительно .друг друга на р осуществляется блоком обработки, состоящим из двух усилителей 10 и 11, в которых происходит усиление. зате сигналы поступают в формирователи 12 и

13, в которых фиксируются положения минимумов в каждом сигнале в виде импульсов, которые управляют счетчиками 14, считающими число меток от генератора 15, при этом k-ый импульс первого сигнала запускает k-ый счетчик, à k-ый импульс второго сигнала останавливает счетчик и таким образом считывается все число меток, заполняемых k-отрезков между импульсами.

После этого сумма числа импульсов посту10

15 пает в делитель 16 с постоянным запоминающим устройством ПЗУ, в котором осуществляется деление íà k число, защитное в ПЗУ, т.е, получается число импульсов, соответствующее отрезку между минимумами двух дифракционных картин (фиг.3) в двоичном коде, которое преобразуется в блоке преобразования 17 в десятичный код, из которого поступает в сумматор 18, в котором происходит суммирование с численным значением расстояния базы между фотодиодными линейками О â€” D P После этого сигнал поступает в индикаторное устройство 19, в котором регистрируется результат измерения

D.= +, где С вЂ” цена дискреты между импульсами.

Линейный фотоприемник предназна20 чен для преобразования распределения освещенности вдоль линейки фотодиодов в электрический сигнал (М.Хоувза, Д.Моргана. "Приборы с зарядовой связью", M., "Э нергоиздат", 1981, с.142). Фотоприемная

25 линейка (В.Г.Десятков, Л.В.Финогенов, С.В.Магденко "Работа интегральной линейки фотоприемников в качестве устройства задержки аналоговых сигналов",,к.Автометрия, N 5, 1987, с.38-46) состоит из устрой30 ства управления 20 (фиг.4), линейки фотодиодов 7 (8), устройства с двойной коррелированной выборки 21. Устройство вы рабатывает сигналы управления линейкой фотодиодов, стробирующие импульсы для

35 устройства двойной коррелированной выборки (ДКВ) и импульсы синхронизации с работой внешних устройств. Устройство

ДВК предназначено для предварительной обработки двух сигналов с четных и нечет40 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, 45 которая представляет собой две линейки по

512 элементов, вложенных друг в друга, которые считываются параллельно. Временная диаграмма управления линейкой фотодиодов, требуемая для реализации

50 ДКВ, приведена на фиг.5, где Ф вЂ” сигналы, подаваемые на линейку; p — стробирующие сигналы для ДКВ. Частота считывания ограничивается сверху применяемой микросхемой ДКВ (400 кГц). а снизу временем

55 темнового разряда линейки фотодиодов (5 кГц). Диаграмма работы линейки фотоприемников приведена на фиг,6, По сигналу

"Пуск" происходит последовательное стирание всех ячеек линейки, по окончании ко1793215

1, при — — х а—

Ах Ах

2 2

Ах Ах

О, при — — >х )—

2 2

t(x)=

k — 1

Формула изобретения поверхностями объекта, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности

Способ измерения расстояния между измерений, изображения двух световых маотражающими поверхностями объекта, за- рок формируют в плоскости анализа в виде ключающийся втом, что формируютдвесве- двух идентичных дифракционных картин, в товые марки, проецируют изображения качестве характерных областей иэображедвух световых марок на две отражающие ний световых марок принимают одноименповерхности объекта, переносят изображе- ные минимумы двух дифракционных ния двух световых марок с отражающих по- картин, фиксируют расстояния между соотверхностей объекта в плоскость анализа, а ветствующимиодноименнымиминимумами по расстоянию между характерными обла- двух дифракционных картин и по усредненстями иэображений двух световых марок су- ному расстоянию судят о расстоянии между дят о расстоянии между отражающими отражающими поверхностями обьекта. торого на выходе нротовн появляется импульс, По сигналу "Читай" от синхроимпульса с измерительной позиции (не показано) происходит последовательное считывание линейки.

Технические характеристики фотоприемников;

Размер элемента 15х15 мкм

Шаг 25 мкм

Энергия насыщения, 2 10 Дж/злемент

Максимальная частота опроса 400 кГц

Время темнового разряда (по 1/2) 1 с

Питание "- 15 В, + 5 В

Потребление 5Вт

Электронная часть устройства (одного из вариантов) может быть реализована на микросхемах 155 серии K155NE5, К155ИМЗ, К155ПР7, К155ИД9, К155ГТ1.

Если деталь перемещать вдоль оптической оси, то измеряются размеры в параллельных сечениях в автоматическом режиме. Деталь также может перемещаться перпендикулярно оптической оси в направлении измеряемого размера. Для работы в этих режимах подачу деталей на измерительную позицию осуществляет роторноконвейерная линия. В момент, когда оптическая ось устройства измерения внутренних поперечных размеров и продольная ось детали совпадают, вырабатывается синхроимпульс, получаемый с датчика, выход которого соединен с входом управления устройства линейкой. быстродействие данного устройства будет ограничено только быстродействием фотодиодной линейки, т.е. чтобы не происходило нсмазан изображения пространственно-частотных спектров марок, При скорости перемещения детали 1 м/с величина смаза равна Л = 2,5 мкм при f=400 кГц — частота считывания.

Если марка выполнена в виде щели прямоугольной формы, то формирование пространственно-частотного спектра представляет собой выполнение операций пре5 образования Фурье, т.е. выполняется соответствие между координатной и частотной областями (P.Êîëüeð, К.беркзарт, Л;Лин

"Оптическая голография", M., нМир", 1973, с.102). В заявленном изобретении на вход

10 системы (фиг,1) подается функция

Значит на ее выходе в спектральной плоскости фотоприемников будет периодическая функция распределения интенсивности

20 t(f<) = (Ах sine (f>< Ах)), где A> — ширина щели.

Периодичность функций распределения интенсивности используется для снятия отсчетов, средняя квадратическая ошибка

25 которого определяется (С.В,Елисеев "Геодезические инструменты и приборы", M„ т Геодезическая литература", 1959, с.39) по формуле где V — разность между средним арифметическим значением отдельным измерением

35 (отсчетом);

k — число отсчетов или число периодов (на каждый период один отсчет).

Видно, что при снятии k отсчетов среднекеа ратическая ошибка уменьшается а

40 k — 1 раа, IBM ори снятии о ного отсчета, т.е. при k=10 получаем 10-1 = 3, погрешность уменьшается в 3 раза.

1793215

ll °

1793215

Фиг. 5 юиск читай

86/l. чайфi

С и ГХРО

Коюгц .

Составитель Е,Глазкова

Техред М,Моргентал

Редактор

Корректор С.Патрушева

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

Заказ 494 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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