Способ бесконтактного контроля поверхности или внутренней структуры материалов и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: по способу бесконтактного контроля поверхности или внутренней структуры материалов световая полоса облучает подлежащий контролю материал и перемещается по нему. Свет световой полосы, отраженный, рассеянный или пропущенный материалом, детектируется и сравнивается с заданными значениями. Устройство для осуществления способа содержит линиеобразный источник света для генерирования непрерывной световой полосы и по меньшей мере одно линиеобразное, оптоэлектронное преобразовательное устройство для регистрации отраженного, рассеянного или пропущенного света. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к способу бесконтактного контроля испытуемого материала, перемещаемого относительно источника света, облучаемого по ширине по меньшей мере одной световой полосой от источника света, а свет от этой световой полосы при этом детектируется оптоэлектронным преобразовательным устройством. Таким образом, в частности, якобы гладкие или правильно структурированные поверхности контролируются на неоднородности или светопроницаемый, якобы равномерно или правильно структурированный слой материала контролируется на его неоднородность. Такие неоднородности могут возникнуть, например, вследствие включений. В случае полотнообразных материалов, которые перемещаются в процессе изготовления или в процессе обработки, например пленочное или текстильное полотно, и которые при прохождении имеют остающуюся якобы спокойной поверхность, может быть определена мера этого спокойного хода или могут быть установлены возможные неоднородности в спокойном ходе. Такой контроль необходим в рамках различных способов обработки, как например при ламинировании или напылении.

Напротив при контроле структуры испытуемого материала могут быть установлены и измерены изменения положения внутренних граничных поверхностей контролируемого материала. Кроме того, могут быть проконтролированы колебания таких областей и включений. Контроль вращающихся деталей на радиальное биение и колебания также относится к области задач такого рода контроля.

До сих пор в известных системах использовали отклоняемый с помощью механических средств лазерный луч (лазерный сканер) и сложные оптические компоненты. Поэтому соответствующие контрольные приборы являются дорогостоящими, громоздкими, а также подверженными износу. Другие системы работают с электронными камерами. Такие камеры выполнены, например, как строчные камеры и одновременно могут регистрировать строку проходящего и подлежащего испытанию материала. Однако, так как такая камера может быть направлена перпендикулярно на материал соответственно лишь в определенном месте строки, результат измерения поверхностных областей, которые регистрируются косоугольно, должен быть соответствующим образом скорректирован. Поэтому требуются сложные коррекции при формировании изображения.

Известен способ бесконтактного контроля, по которому контролируемый материал облучают световой полосой, регистрируют прошедший, рассеянный или отраженный световой поток, от контролируемого материала и сравнивают с заданными значениями.

Недостаток известного способа бесконтактного контроля испытуемых материалов заключается в том, что применяемые при этом источник света и преобразовательное устройство являются прямолинейными и не учитывают форму испытуемого материала, что не позволяет осуществлять контроль материала сложных форм.

В основу изобретения положена задача создания способа и устройства, которые позволяют устранить указанные недостатки, в частности позволяет осуществлять контроль материалов, имеющих сложную форму, причем устройство для контроля может быть заранее определяемым образом приведено в соответствие требованиям контролируемого материала или может быть автоматически приведено в соответствие в ходе процесса.

Эта задача согласно изобретению решается за счет того, что по способу бесконтактного контроля поверхности или внутренней структуры материала детектированные значения интенсивности излучения от источника света сравнивают с заданными и в соответствии с разрешением генерирования световой полосы и детектированного излучения для каждой отдельной точки световой полосы на испытуемом материале задают соответствующие значения интенсивности.

Кроме того, согласно предпочтительному примеру осуществления значениями интенсивности излучения от источника света и чувствительности оптоэлектронного преобразовательного устройства управляют с помощью обратной связи.

Указанная задача решается также устройством для бесконтактного контроля поверхности или внутренней структуры материалов, которое содержит по меньшей мере один источник света и одно оптоэлектронное преобразовательное устройство для регистрации света, причем источник света оптически связан с оптоэлектронным преобразовательным устройством, которое характеризуется тем, что источник света и оптоэлектронное преобразовательное устройство имеют линиеобразную форму и выполнены в виде отдельных элементов, при этом элементы источника света связаны между собой общим каналом управления, а в устройство введены логическая схема для определения характеристики интенсивности света для каждой точки световой полосы, соединенная через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с возбудителем переменного или постоянного тока, соединенным с источниками света, и приемник отраженного света, соединенный обратной связью с возбудителем переменного тока или с дополнительным возбудителем переменного тока, соединенным с прерывателем, размещенным перед источником света.

При этом согласно предпочтительному примеру выполнения элементы оптоэлектронного преобразовательного устройства выполнены в виде фотоприемников, соединенных с измерительным усилителем, соединенным в свою очередь, перед ЦАП с логической схемой.

Кроме того, согласно другому предпочтительному примеру выполнения устройства согласно изобретению элементы оптоэлектронного преобразовательного устройства выполнены в виде фотоприемников, перед которыми включен прерыватель, соединенный через возбудитель переменного или постоянного тока и ЦАП с логической схемой, причем фотоприемники соединены с измерительным усилителем.

Устройство согласно изобретению содержит оптоэлектронное преобразовательное устройство, которое включает измерительные усилители и элементы в виде фотоприемников для регулировки характеристики интенсивности детектирован- ного света каждого элемента оптоэлектронного преобразовательного устройства до заданного значения, при этом фотоприемники соединены с измерительными усилителями, соединенными через ЦАП с логической схемой, а логическая схема соединена с питающей линией и с управляющей линией, входящей в управляющий канал, связывающий все элементы оптоэлектронного преобразовательного устройства.

Оптоэлектронное преобразовательное устройство включает измерительные усилители и элементы в виде фотоприемников для регулирования характеристики интенсивности детектированного света каждого элемента оптоэлектронного преобразова- тельного устройства до заданного значения, при этом фотоприемники соединены с измерительными усилителями, причем перед фотоприемниками включен прерыватель, соединенный через возбудитель переменного или постоянного тока и ЦАП с логической схемой, при этом логическая схема соединена с питающей линией и с управляющей линией, входящей в управляющий канал, связывающий все элементы оптоэлектронного преобразовательного устройства.

На фиг.1 показан функциональный принцип способа для контроля поверхности и внутренней структуры испытуемого материала; на фиг.2-5 представлены четыре основных варианта способа; на фиг.6 показан функциональный принцип способа для контроля испытуемого образца с неравномерной толщиной материала; на фиг. 7 изображена схема первого примера выполнения устройства для управления интенсивностью света участка источника света; на фиг.8 схема второго примера выполнения устройства для управления интенсивностью света участка источника света; на фиг.9 схема первого примера выполнения устройства для определения интенсивности света в случае приемника света; на фиг.10 схема второго примера выполнения устройства для определения интенсивности света в случае приемника света.

На фиг. 1 показан основной функциональный принцип способа контроля поверхности и/или внутренней структуры подлежащего проверка материала согласно изобретению с помощью схематично представленного устройства для его осуществления. Испытуемый материал 1 является, например, полотнообразным материалом, поверхность которого должна быть проверена, или им может быть прозрачный или просвечивающий материал, в случае которого наряду с поверхностью должна быть проверена и внутренняя структура. Испытуемый материал перемещается согласно стрелке в равномерном движении справа налево. Он облучается светом от направленного линиеобразного источника 2 света, как это показано стрелками. Свет, падающий на испытуемый материал 1 в виде световой полосы 3, частично отражается от испытуемого материала, величина отраженной части света зависит от материала и, в частности, от качества его поверхности. Отраженная часть света снова регистрируется как световая полоса на линиеобразном, оптоэлектронном преобразовательном устройстве 4. Неотраженная часть света проходит через испытуемый материал 1, рассеивается в нем и снова выходит из него на другой, здесь нижней стороне испытуемого материала. На нижней граничной поверхности испытуемого материала 1 возможно другое отражение. Выходящий свет регистрируется другим линиеобразным, оптоэлектронным преобразовательным устройством 5. Согласно способу осуществляется измерение интенсивностей зарегист рированного света в отдельных точках линиеобразных, оптоэлектронных преобразовательных устройств 4, 5. С этой целью преобразовательные устройства 4, 5 должны иметь по возможности высокое оптическое разрешение. По этой причине они выполнены из некоторого количества отдельных оптических элементов 6, которые так сконструированы, что вместе образуют линиеобразную зону видимости. Однако для специальных применений и источник 2 света конструируется из таких отдельных оптических элементов 7, которые в таком случае отдельно управляются в отношении интенсивности излучаемого ими света. Путем отдельного, частного управления интенсивностью света каждой световой точки и отдельным, частным, определением детектируемой интенсивности в случае каждой измерительной точки практически для каждой измерительной точки может быть выбрана определенная интенсивность света или подлежащие детектированию значения могут быть заданы в качестве параметров. Таким образом, в соответствии с разрешением отдельной световой полосы и детектированного света могут быть эмпирически или математически заданы для каждой точки зависящие от места значения интенсивности в соответствии с движением перемещения испытуемого материала 1, которые в таком случае служат в качестве измеряемых параметров. Также могут иметься средства, с помощью которых может быть задано эмпирически или математически определенное, зависящее от места изменение интенсивности подлежащего детектированию света для каждой точки световой полосы при прохождении испытуемого материала. Значения могут быть переданы по обратной связи и сравнены. Путем идентификации определенного изменения интенсивности может быть осуществлена проверка движения проходящей поверхности.

На фиг. 2-5 показаны четыре различных варианта того, как может быть применен соответствующий изобретению способ. На фиг.2 представлен самый простой вариант, в котором источник 2 света освещает светопроницаемый материал 1. Часть падающего света отражается от его поверхности, остальное поглощается в материале. Отраженная часть детектируется детектором 4 оптоэлектронного преобразовательного устройства. Это устройство может быть, например, использовано для контроля поверхности пленочного материала, причем пленочный материал в форме полотна проходит под световой полосой 3. Однако устройство пригодно также для испытания твердых поверхностей, как, например, частей кузова, металлических профильных деталей или аналогичных материалов со светоотражающими поверхностями. При этом могут быть испытаны ширины до 10 м посредством проверки на технологической линии. Разрешение погрешностей составляет, например, приблизительно 10 мкм для отверстий, так называемая "ситовидная пористость", в токопрокатанных поверхностях слоев. В отношении царапин и пылевых частиц в качестве мест помех для отражения достигается разрешение, равное приблизительно 50 мкм. Поэтому с помощью этого устройства прежде всего могут быть зарегистрированы дефекты покрытий, посторонние частицы (пыль), царапины, вмятины, углубления и отверстия. Также могут быть установлены изменения плотности, цвета, шероховатости и качества поверхности. Способ контроля согласно изобретению позволяет иметь скорость контроля до 17 м/c скорости ленты.

На фиг.3 показан еще один вариант, согласно которому контролируемый материал 1 является прозрачным или просвечивающим, т.е. является диффузно светопроницаемым. Часть света, излученного источником 2 света и попавшего на испытуемый материал 1, отражается, другая часть проходит с потерями на поглощение материала 1 и после своего выхода из материала 1 отражается от зеркала 8, от которого она вторично проходит через этот материал. Обе полосы светового луча регистрируются оптоэлектронным преобразовательным устройством 4. Это устройство осуществляет контроль поверхности и одновременно структуру светопроницаемого материала. В отношении структуры могут быть, например, определены включения (пузыри), а также их размер или может быть проверена правильность поперечных связей, тяговых соединений внутри полимеров. Кроме того, могут быть определены изменения цвета и пропускания.

На фиг. 4 показано устройство для контроля поверхностей. Часть света отражается от поверхности, в то время как часть света, проходящая через испытуемый материал, отражается от противоположной поверхности 9, соответственно от образованной ею граничной поверхности и детектируется после повторного прохождения через подлежащий контролю материал 1. Неотраженная от граничной поверхности часть поглощается поглотителем 10, например, из черного бархата.

На фиг. 5 представлено устройство в том виде, как оно используется для контроля граничного слоя 13 между двумя соседними материалами 11, 12, например ламината. Свет проходит через первый, здесь верхний материал 11 и большей частью отражается от граничной поверхности 13 к второму, здесь нижнему материалу 12. Отраженный свет еще раз проходит через первый материал 11 и детектируется после своего выхода. Неотраженный от граничной поверхности 13 свет проходит через второй материал 12, а выходящий из его поверхности 14 свет улавливается поглотителем 10. При этом повышенный проходящий свет может указывать дефекты ламината.

На фиг.6 показан функциональный принцип способа для контроля испытуемого материала 1 с неравномерной толщиной. Для достижения равномерной измерительной чувствительности измерения проходящим светом, что указано на фиг.6 равной длиной стрелок перед детекторами 4, на материале 1 образуется световая полоса, имеющая изменение интенсивности I, которое так соответствует изменению ослабления света в подлежащем контролю материале 1, что оно компенсируется. Оптоэлектронное преобразовательное устройство 6 и оптический элемент 7 соответственно образуют так называемый измерительный канал.

На фиг. 7 показана схема первого примера осуществления устройства для зависящего от места и соответствующего программе управления интенсивностью света участка источника света. Здесь линиеобразный источник света как целое состоит из большого количества дискретных источников света, каждый из которых образован из излучающего свет диода (СИД) 15 или из лазера. При этом каждый отдельный такой источник света образует световой участок, который может индивидуально управляться по своей интенсивности. При этом управление осуществляется посредством управляющего канала (управляющей шины) 16, соединяющей все отдельные источники света. В показанной схеме изображено включение отдельных источников света. По линии 17 схема запитается электроэнергией. В логической схеме LOGIC 18 управляющие сигналы перерабатываются и через преобразователь 19 передаются возбудителю 20 переменного тока. Затем он запитает СИД или лазер. Приемник 21 отраженного света имеет обратную связь с возбудителем 20 переменного тока. Этот приемник отраженного света измеряет интенсивность света, созданную на контролируемом материале, т.е. возможен контроль за тем, соответствует ли эта действительная интенсивность света желаемой интенсивности света. Посредством обратной связи образуется регулировочный контур, так что интенсивность света всегда может быть отрегулирована на заданное значение.

На фиг.8 показана схема, являющаяся альтернативной по отношению к схеме, показанной на фиг.7. В отличии от схемы, представленной на фиг.7, здесь работа осуществляется с лампой 22 накаливания в качестве источника света. Логическая схема LOGIC 18 и ЦАП 19 питают лампу 22 накаливания через возбудитель 23 постоянного тока. Дополнительный возбудитель 24 переменного тока обрабатывает сигналы от логической схемы LOGIC 18 и цифроаналогового преобразователя ЦАП 19, а также от приемника 21 отраженного света и затем питает прерыватель 25. С помощью прерывателя генерируется высокая частота, чтобы генерировать свет, отличаемый от частот света окружающей среды, и чтобы поэтому быть в состоянии проводить измерения независимо от света окружающей среды. Генерированная частота света, таким образом, служит в качестве несущей частоты измерения. Она должна быть такой высокой, чтобы считывание, соответственно разрешение для перемещающегося контролируемого материала было удовлетворительным. С помощью описанной схемы удается в достаточной степени быстро и точно регулировать интенсивность света, излучаемого лампой накаливания.

На фиг.9 показана схема для обработки значений тока, выдаваемых светоприемником, в качестве значения интенсивности света посредством регулируемых измерительных усилителей. Тем самым зависящее от места изменение интенсивности детектируемого света каждого отдельного оптического элемента оптоэлектронного преобразовательного устройства может быть усилено до программируемого заданного значения. В случае этой схемы свет попадает на фотоприемник 26, электрический сигнал которого усиливается измерительным усилителем (переменными усилителем) 27. Усилитель 27 управляется логической схемой LOGIC 28 и ЦАП 29. Логическая схема LOGIC 28 по линии 30 снабжается током и управляется линией 31, которая ответвляется от общего управляющего канала (управляющей шины) 32.

На фиг. 10 показана альтернативная схема. Здесь перед фотоприемником 33 включен прерыватель 34, который управляется посредством логической схемы LOGIC 28, ЦАП 29 и возбудителя 35 переменного тока. В случае этой схемы прерыватель делает возможной селективную установку на определенную частоту передатчика. С другой стороны измеренная интенсивность может быть желаемым образом уменьшена с помощью этого прерывателя.

В качестве источника света на примерах выполнения устройства согласно изобретению может служить ряд фотодиодов, ламп накаливания, газоpазрядных труб или ламп. Применены также полупроводниковые диоды.

С другой стороны оптоэлектронные преобразовательные устройства могут состоять из фотодиодов, фототранзисторов или фотоумножителей. Средства для перемещения источника света и оптоэлектронного преобразовательного устройства по отношению к подлежащему контролю материалу и для регистрации пространственных координат этого перемещения в качестве параметров для источника света и оптоэлектронного преобразовательного устройства требуются лишь тогда, когда речь идет о неподвижном испытуемом материале. Этими средствами могут быть, например, линейные узлы или любые механические приводные средства. Во многих случаях испытательное устройство является неподвижным, а подлежащий контролю материал проходит под генерируемой световой полосой. Иногда температура может быть процессным параметром, который используется в качестве управляющего параметра (направляющей величины). В качестве примера можно привести металл, нагретый до красного каления, который оказывает влияние на измерение, или температура материала должна быть компенсирована вследствие расширения материала. В таком случае в качестве оптоэлектронных элементов пригодны инфракрасные пироэлектрические сенсоры.

Формула изобретения

1. Способ бесконтактного контроля поверхности или внутренней структуры материалов, при котором испытуемый материал перемещают относительно источника света, облучают его по ширине по меньшей мере одной световой полосой от источника света и детектируют свет от световой полосы оптоэлектронным преобразовательным устройством, отличающийся тем, что детектированные значения интенсивности излучения от источника света сравнивают с заданным и в соответствии с разрешением генерирования световой полосы и детектированного излучения для каждой отдельной точки световой полосы на испытуемом материале задают соответствующее значение интенсивности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значениями интенсивности излучения от источника света и чувствительности оптоэлектронного преобразовательного устройства управляют с помощью обратной связи.

3. Устройство для бесконтактного контроля поверхности или внутренней структуры материалов, содержащее по меньшей мере один источник света и одно оптоэлектронное преобразовательное устройство для регистрации света, причем источник света оптически связан с оптоэлектронным преобразовательным устройством, отличающееся тем, что источник света и оптоэлектронное преобразовательное устройство имеют линейнообразную форму и выполнены в виде отдельных элементов, при этом элементы источника света связаны между собой общим каналом управления, а в устройство введены логическая схема для определения характеристики интенсивности света для каждой точки световой полосы, соединенная через цифроаналоговый преобразователь с возбудителем переменного или постоянного тока, соединенным с источниками света, и приемник отраженного света, соединенный обратной связью с возбудителем переменного тока или с дополнительным возбудителем переменного тока, соединенным с прерывателем, размещенным перед источником света.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что элементы оптоэлектронного преобразовательного устройства выполнены в виде фотоприемников, соединенных с измерительным усилителем, соединенным, в свою очередь, через цифроаналоговый преобразователь с логической схемой.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что элементы оптоэлектронного преобразовательного устройства выполнены в виде фотоприемников, перед которыми включен прерыватель, соединенный через возбудитель переменного или постоянного тока и цифроаналоговый преобразователь с логической схемой, причем фотоприемники соединены с измерительным усилителем.

6. Устройство по пп. 3 5, отличающееся тем, что оптоэлектронное преобразовательное устройство включает измерительные усилители и элементы в виде фотоприемников для регулировки характеристики интенсивности детектированного света каждого элемента оптоэлектронного преобразовательного устройства до заданного значения, при этом фотоприемники соединены с измерительными усилителями, соединенными через цифроаналоговый преобразователь с логической схемой, при этом логическая схема соединена с питающей линией и с управляющей линией, входящей в управляющий канал, связывающий все элементы оптоэлектронного преобразовательного устройства.

7. Устройство по пп. 3 5, отличающееся тем, что оптоэлектронное преобразовательное устройство включает измерительные усилители и элементы в виде фотоприемников для регулировки характеристики интенсивности детектированного света каждого элемента оптоэлектронного преобразовательного устройства до заданного значения, при этом фотоприемники соединены с измерительными усилителями, причем перед фотоприемниками включен прерыватель, соединенный через возбудитель переменного или постоянного тока и цифроаналоговый преобразователь с логической схемой, при этом логическая схема соединена с питающей линией и с управляющей линией, входящей в управляющий канал, связывающий все элементы оптоэлектронного преобразовательного устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10