Акустооптическое устройство для измерения размеров изделий

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения шага дискретизации элементов фотоприемника при его дискретизации в виде оптически управляемой линии задержки на поверхностных акустических волнах. Устройство реализовано по бесконтактному теневому методу. Фотоприемник выполнен в виде оптически управляемой линии задержки, состоящей из пьезоэлектрической пластины звукопровода, на поверхности которой с заданным шагом расположены штыревые элементы двух идентичных встречно-штыревых преобразователей 4, 5. Нечетные (четные) штыревые элементы П 4, 5 гальванически соединены с токопроводящей шиной 6, а четные (нечетные) - отделены от соответствующих шин 7, 8 зазором, перекрытым соответствующими участками фотоприводящего слоя 9. Вследствиефотоэффекта в слое 9 при освещении поверхности пластины 2 происходит коммутация штырей П 4, 5 вне зоны тени от изделия с шинами 7, 8 в результате информация о размере изделия преобразуется во время задержки ОУЛЗ управляемой шины задержки. Уменьшение шага дискретизации обеспечивается тем, что точность ограничена в основном только потенциальными возможностями литографии при изготовлении штыревых элементов П 4, 5. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения таких размеров поперечного сечения изделий, как диаметр, высота или ширина.

Известны [1. . .3] устройства для измерения геометрических размеров, в частности линейных перемещений изделий. В конструкцию данного типа устройства входят подвижная и неподвижная пьезоэлектрические пластины, на поверхности которых расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) для взаимного преобразования электрической и акустической энергий, генератор электрических колебаний, соединенный с одним из ВШП, и измеритель разности фаз, соединенный с другим ВШП. При этом в конструкцию устройства также входит измерительный шток, механически сопряженный с подвижной пластиной.

Однако пределы точного измерения этими устройствами перемещений изделий или изменения какого-либо из их размеров ограничены.

Наиболее близким к изобретению является устройство [4], содержащее источник светового излучения, проецирующий модуль, многоэлементный фотоприемник, установленный по ходу излучения после контролируемого изделия, блок обработки информации, подключенный к выходу фотоприемника, а также устройство управления работой источника и приемника светового излучения.

Однако точность измерения данного устройства ограничена конечными размерами отдельных элементов фотоприемника.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Это достигается тем, что в устройстве, содержащем источник светового излучения, многоэлементный фотоприемник, установленный по ходу излучения, и блок обработки информации, подключенный к выходу фотоприемника, фотоприемник выполнен в виде оптически управляемой линии задержки на поверхностных акустических волнах с многоэлементными встречно-штыревыми преобразователями, штыревые элементы которых с заданным минимальным шагом расположены на светочувствительной поверхности пьезоэлектрического звукопровода.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается от прототипа новыми признаками: многоэлементный фотоприемник выполнен в виде оптически управляемой линии задержки на ПАВ с многоэлементными ВШП; штыревые элементы линии задержки на ПАВ, выполненные с заданным минимальным шагом, расположены на светочувствительной и пьезоэлектрической поверхности звукопровода; каждый элемент приемника выполнен в виде двух разнополярных штырей; информационный параметр устройства определяется посредством времени задержки его линии.

На фиг. 1 и 2 показаны структурная схема акустооптического устройства для измерения размеров изделий и конструкция оптически управляемой линии задержки на ПАВ.

Акустооптическое устройство для измерения размеров изделий содержит источник 1 света, включающий лампу накаливания и коллиматор, и последовательно установленные по ходу излучения света контролируемое изделие, а также оптически управляемую линию 2 задержки на ПАВ, используемую в качестве многоэлементного фотоприемника и связанную с блоком обработки информации.

Оптически управляемая линия задержки на ПАВ состоит из пьезоэлектрической пластины 3 звукопровода, на нормально расположенной к световому потоку излучения поверхности которой расположены два одинаковые многоэлементные встречно-штыревые преобразователи 4, 5. Чередующиеся четные (или нечетные) штыри каждого преобразователя с одной стороны пластины 3 выполнены гальванически соединенными между собой посредством токопроводящей шины 6, а другие нечетные (или четные) штыри с другой стороны пластины 3 выполнены разомкнутыми и образуют с токопроводящими шинами 7, 8 небольшие зазоры, перекрывающиеся светочувствительными слоями 9.

Отдельные штыревые элементы, состоящие из двух соседних штырей с заданным минимальным шагом, составляют фотоячейки данного типа фотоприемника. Минимально возможное значение шага, определяющее точность измерения устройства, ограничено только разрешающей способностью технологического оборудования, которая может быть доведена до 0,05 мкм.

При коаксиальном расположении компонентов 1,4,6,7 устройства наикратчайшее расстояние между преобразователями 4 и 5 выбрано меньше наименьшего размера изделия. В случае фиксации размера изделия 10 или его отклонения от заданного значения относительно базовой точки отсчета, расположенной аксиально с другими компонентами устройства, ограничения на расстояние между преобразователями 4 и 5 и размеры контролируемого изделия несущественны, а один из преобразователей может быть выполнен по обычной топологической схеме встречно-штыревого преобразователя и нечувствительным к световому излучению.

В качестве материала светочувствительного слоя может быть использован сульфид кадмия или селенид кадмия. Использование в другом варианте конструкции устройства пластины 5, выполненной из материала, обладающего как пьезоэлектрическими, так и фотопроводящими свойствами позволяет исключить из конструкции светочувствительный слой. Вместо источника света, включающего лампу накаливания, может быть использован другой источник излучения, например светоизлучающий диод или лазер.

Акустооптическое устройство для измерения размеров изделий работает следующим образом.

Пучок света осветителя падает, как условно показано на рисунке стреловидными линиями, на пластину и контролируемое изделие, проецируя его теневое изображение на фокальную плоскость этой пластины. Вследствие прямого фотоэффекта резко падает электрическое сопротивление светочувствительного слоя на участках за пределами, ограниченными теневым изображением контролируемого изделия, что приводит к принудительному соединению ранее практически разомкнутых зазорами штырей преобразователей, с токопроводящими шинами на этих участках. Крайние друг к другу коммутированные таким образом штыри обоих преобразователей, ограниченные зоной проецирования изображения изделия, являются координатами его краев в измеряемом сечении, а расстояние между ними определяют время задержки оптически управляемой линии задержки на ПАВ, которое является алгоритмом измеряемого размера изделия.

При подаче на вход этой линии задержки электрического сигнала с помощью блока обработки информации измеряют значение ее времени задержки и определяют размер изделия из выражения L_х= v τ, где L_х - измеряемый размер изделия, м; v - скорость распространения ПАВ в направлении, нормальном штырям преобразователей, м/с; τ - измеренное время задержки, с, для случая коаксиального расположения компонентов устройства или из выражения L_х= v τ -L_о, где L_о - расстояние между крайними, обращенными друг к другу штырями преобразователей, м в случае аксиального расположения изделия относительно других компонентов устройства и меньшим размером поперечного сечения изделия по сравнению с значением величины L_о, а также из выражения L_х= v τ -L_о+ L_э, где L_э - расстояние от базовой точки отсчета размера изделия, превышающего величину L_о, до дальней от края пластины границы ближайшего к точке отсчета преобразователя.

Если ввести в блок обработки информации широкополосный усилитель с установленной в его цепи положительной обратной связи оптически управляемой линией задержки на ПАВ, то по значению частоты, полученной за счет этого автогенератора и непосредственно связанной с значением времени задержки оптически управляемой линии, также можно определить размер контролируемого изделия.

Благодаря выполнению в данном устройстве многоэлементного фотоприемника в виде оптически управляемой линии задержки на ПАВ с заданным минимальным шагом штырей ее многоэлементных встречно-штыревых преобразователей обеспечивается высокая точность измерения размеров контролируемых изделий, которая определяется потенциальными возможностями современной литографии по изготовлению штыревых структур преобразователей линий задержки на ПАВ с субмикронными размерами.

Формула изобретения

АКУСТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ИЗДЕЛИЙ, содержащее источник светового излучения, многоэлементный фотоприемник, установленный по ходу излучения, и блок обработки информации, подключенный к выходу фотоприемника, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, фотоприемник выполнен в виде оптически управляемой линии задержки на поверхностных акустических волнах с многоэлементными встречно-штыревыми преобразователями, штыревые элементы которых с заданным минимальным шагом расположены на сверхчувствительной поверхности пьезоэлектрической пластины звукопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2