Лазерный центратор для рентгеновского излучателя

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля объектов с использованием рентгеновского излучения. Устройство включает в себя лазер с двухсторонним выходом излучения, отражатель установленный на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновского пучков, средство индикации расстояния. Особенностью устройства является наличие телескопа и световода с закрепленными на его обоих торцах микролинзами. Первая микролинза установлена на оси лазера перед его вторым выходным торцом, а вторая - закреплена на указателе шкалы индикатора, оптическая ось второй микролинзы направлена в окуляр телескопа. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения. 2 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и изделий с использованием рентгеновского излучения и может быть применено для контроля объектов авиакосмической техники и других отраслей машиностроения радиационным методом.

Известен лазерный центратор, имеющий корпус, в котором расположен лазер с двухсторонним выходом излучения, оптическая ось выхода излучения которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых выполнен из оргстекла и установлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка излучателя, а второй установлен с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первого отражателя, на оси выхода излучения лазера вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучения, средство индикации расстояния от рентгеновского излучателя до объекта и средство прерывания пучка от второго отражателя, установленное до или после второго отражателя, центратор снабжен двумя цилиндрическими линзами, установленными на оси излучения лазера, первая - между одним из торцев лазерного отражателя и первым отражателем, и вторая - между вторым торцем лазерного излучателя и вторым отражателем, их фокусное расстояние выбирается из соотношения f=h/tgα, где h - радиус лазерного пучка, α - угол излучения рентгеновского пучка, при этом линзы установлены с возможностью вращения вокруг оси лазерного пучка [1].

Недостаток данного устройства - невысокая точность измерений расстояния от объекта до излучателя при расстояниях порядка D≥3000 мм, что характерно при контроле крупногабаритных объектов авиакосмической техники. В этом случае для обеспечения требуемой точности измерений расстояния (порядка ±30 мм) точность отсчета по шкале индикатора этих расстояний составляет в угловой мере 1≤(1-3) угловых минут даже при предельно допустимых из-за конструктивных ограничений размеров базы дальномера центратора порядка В≤300 мм (В - расстояние между отражателями по оси лазера). Линейный размер деления шкалы индикатора, соответствующих этим углам, составляет t≤0,l мм даже при диаметре шкалы D=2R≈200 мм, что следует из очевидного уравнения t=R·α=100·10 ^-3=0,1 мм (α=3'=0,001 в радианной мере). Это обстоятельство, в свою очередь, приводит к неоправданно высоким требованиям к качеству выполнения шкалы индикатора и соответствующим средствам отсчета по шкале, что ухудшает технико-экономические показатели устройства.

При использованной в центраторе схеме отражения лучей от второго отражателя его поворот на угол приводит к отношению отраженного луча от первоначального направления на угол α, что дополнительно уменьшает угловой размер рабочего диапазона шкалы и линейного размера ее делений, снижает точность измерений и ухудшает эксплуатационные и эргономические характеристики центратора в целом [2].

Наконец применение в центраторе цилиндрических линз, формирующих на объекте две световые полоски, угловой размер которых в пространстве изображения соответствует углу излучения рентгеновского излучателя, не всегда рационально, т.к. обычно достаточно высветить на объекте светящуюся точку, соответствующую точке его пересечения с осью рентгеновского пучка. При этом область объекта, просвечиваемая рентгеновским пучком, определяется размером кассеты с пленкой, накладываемой на него при радиографировании.

Для устранения вышеуказанных недостатков в лазерный центратор, содержащий корпус с расположенным в нем лазером с двухсторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка, средство индикации расстояния от рентгеновского излучателя до объекта в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, дополнительно введены телескоп и световод с закрепленными на его входном и выходном торцах микролинзами, фокальные плоскости которых совпадают с этими торцами, первая микролинза расположена на оси лазера перед его вторым излучающим торцем, а вторая - перед окуляром телескопа и скреплена с указателем шкалы индикатора расстояния от объекта до излучателя, указатель шкалы установлен с возможностью вращения относительно оси, перпендикулярной плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков и проходящей через центр проекции на эту плоскость входного зрачка окуляра телескопа.

Оптическая ось телескопа лежит в плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков, проходит через точку пересечения этой плоскости с осью вращения указателя индикатора расстояний и наклонена к оси лазера на угол

,

где В - база дальномерной системы центратора, равная расстоянию от оси рентгеновского пучка до оси вращения указателя расстояний;

D_min и D_max - соответственно минимальное и максимальное расстояния от объекта до излучателя,

при этом угол поля зрения телескопа равен β≥(αmax-αmin).

Изобретение поясняется фиг.1 и 2, на которых показана оптическая ось центратора и схема для расчета его точностных характеристик.

Центратор содержит рентгеновский излучатель 1, к которому крепится корпус 2 с расположенным в нем лазером 3 с двухсторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель 4, выполненный из оргстекла и расположенный на пересечении осей лазерного и рентгеновского пучков, световод 6 с закрепленными на его торцах микролинзами, фокальные плоскости которых совпадают с этими торцами, шкалу 8 индикатора расстояний, закрепленную на корпусе 2, указатель 7 шкалы, на котором закреплена микролинза, установленная на выходном торце световода 6 и который может вращаться относительно оси, перпендикулярной плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков, телескоп 9, плоскость входного зрачка окуляра которого проходит через ось вращения указателя 7, причем оптическая ось телескопа расположена в плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков и наклонена к оси лазера на угол α.

Лазерный центратор работает следующим образом.

Лазер 3 с помощью отражателя 4 формирует на объекте 10 яркую точку, соответствующую точке пересечения объекта с осью рентгеновского пучка.

Излучение из второго торца лазера первой микролинзой 5 фокусируется на входном торце световода 6. На выходе световода вторая микролинза 5 формирует параллельный пучок, угловая расходимость которого практически равна расходимости исходного лазерного пучка (1-3). Вторая микролинза укреплена на указателе 7 индикатора расстояний и вместе с ним может вращаться относительно оси, перпендикулярной плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков и проходящей через центр проекции плоскости входного зрачка окуляра телескопа на эту плоскость. При этом при вращении указателя 7 излучение лазера на выходе второй микролинзы всегда проходит через центр зрачка окуляра телескопа. В соответствии со свойством телескопической системы при повороте указателя 7 и соответственно изменение угла падения лазерного пучка на зрачок окуляра Δα' ось лазерного пучка на выходе из телескопа отклоняется на угол Δα=Δα'/m, где m=fo/fon - увеличение телескопа, fo и fon - фокусное расстояние объектива и окуляра телескопа соответственно [2].

Оптическая ось телескопа наклонена к оси лазерного пучка на угол α=(αmax-αmin)/2, соответствующий среднему значению угла рентгеновского пучка с объектом при максимальном Dmax и соответственно минимальном Dmin расстоянием до объекта от излучателя. Угол поля зрения телескопа В выбирается из очевидного условия B≥(αmax-αmin).

В начале работы оператор наводит рентгеновский излучатель с центратором на нужную точку объекта, при этом излучение из второго торца лазера перекрывают заслонкой.

Затем заслонку убирают, оператор наблюдает на объекте две светящихся точки и, вращая указатель индикатора расстояний с установленным на нем выходным торцем световода с микролинзой, добивается совмещения лазерных пятен и в момент их совпадения производят отсчет по шкале индикатора расстояний от объекта до излучателя.

На фиг.2 представлена схема для расчета точностных характеристик центратора. На фиг.2 приняты следующие обозначения: В - база дальномера центратора, D - расстояние от объекта до излучателя, ΔD - минимальное изменение расстояния до объекта, соответствующее минимальному значению (цене деления) t шкалы индикатора расстояний, D' - расстояние от объекта до телескопа, t'o и t'on - фокусные расстояния объектива и окуляра телескопа, α - угол наклона оптической оси телескопа и оси лазера, параллельной базе дальномера В, Δα' - угловой размер минимального деления шкалы индикатора расстояний при радиусе шкалы, равном R, Δα=Δα'/m - угловой размер этого минимального деления шкалы в пространстве объектов, m=f'o/f'on - увеличение телескопа.

При контроле крупногабаритных изделий, например авиакосмической техники, расстояние D составляет D≥3000 мм. База дальномера обычно составляет В≈300 мм в связи с конструктивными ограничениями. При этом угол α=arctg (D/B)≈8,5°, из фиг. 2 следует, согласно тригонометрическим соотношениям, что Δα'=t/R (в радианной мере), D'=D/sinα, отрезок AC=D'·Δα. В прямоугольном треугольнике ДЕС угол ЕАС=α (углы со взаимно перпендикулярными сторонами), АЕ=ВД=АС/соsα.

После несложных преобразований, производя подстановки в соответствии с вышеприведенной формулами, получим выражение, связывающее цену деления шкалы индикатора t с соответствующим ему минимальным значением изменения расстояния до объекта AD через основные параметры схемы дальномера центратора

Приведен численный пример оценки этой величины для характерных значений параметров схемы дальномера центратора: D≈3000 мм, В=300 мм, α=arctg(D/B)=84°, sinα=0,995, cosα=0,10, R=100 мм, t=l мм, Δα=0,01 (в радианной мере), f'o=100 мм, f'on=10 мм, m=fo/fon=10.

Подставляя это значение в выражение (1), получим

Таким образом точность определения расстояния от объекта до излучателя составила 30 мм в относительных величинах, ΔD/D=30/3000=1%, что достаточно для большинства практических случаев радиографирования объектов техники.

В случае необходимости повышения точности измерения (ΔD) или ее сохранения при увеличении расстояния (D) выражение (1) позволяет подобрать необходимые значения параметров схемы дальномера центратора (В, t, R, m).

Отметим, что при использовании схемы измерения расстояния до объекта согласно изобретению-прототипу для аналогичных значений D=3000 мм, B=300 мм, α=84°, ΔD=30 мм, Δα=0,001, R=100 мм получим значение цены деления шкалы t=0,05 мм, что требует сложной технологии изготовления шкалы, применения нониусных шкал отсчета и существенно снижает эргономические характеристики центратора.

Литература:

1. Патент РФ №2106619, Лазерный центратор.

2. Справочник конструктора оптико-механических приборов. /Под ред. В.А.Панова. - Л.: Машиностроение, 1980, с.742.

Формула изобретения

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером с двухсторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей лазерного и рентгеновского пучков, заслонку для перекрывания излучения из второго торца лазера, средство индикации расстояния от объекта до рентгеновского излучателя в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, отличающийся тем, что дополнительно содержит телескоп и световод с закрепленными на его входном и выходном торцах микролинзами, фокальные плоскости которых совпадают с этими торцами, первая микролинза расположена на оси лазера перед его вторым выходным торцом и ее оптическая ось совпадает с этой осью, вторая микролинза закреплена на указателе шкалы индикатора расстояний, ее оптическая ось направлена в окуляр телескопа и расположена в плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков, указатель индикатора расстояний установлен с возможностью вращения относительно оси, перпендикулярной плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков и проходящей через центр проекции входного зрачка окуляра телескопа на эту плоскость, оптическая ось телескопа расположена в плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков, проходит через точку пересечения оси вращения указателя индикатора расстояний с этой плоскостью и наклонена к оси лазера под углом α=(αmax-αmin)/2, где αmax=arctg(Dmax/B), αmin=arctg(Dmin/B), В - база дальномера центратора, Dmax и Dmin - соответственно максимальное и минимальное расстояние от объекта до рентгеновского излучателя в рабочем диапазоне этих расстояний.

РИСУНКИ