Лазерный центратор для рентгеновского излучателя

Изобретение относится к области неразрушающего контроля объектов с использованием рентгеновского излучения. Устройство включает в себя лазер, средство индикации расстояния от рентгеновского излучателя до объекта. Особенностью устройства является наличие дополнительного лазера, причем длины волн излучения лазеров, установленных симметрично относительно оси рентгеновского пучка под определенным углом к ней, выбираются с учетом их максимального цветового различия. Лазеры установлены с возможностью синхронного поступательного перемещения в противоположных направлениях параллельно продольной оси рентгеновского излучателя. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 1 ил.

 

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

Известен лазерный центратор, содержащий корпус, в котором расположен лазер с двухсторонним выходом излучения, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых выполнен из оргстекла и установлен на пересечении оси лазера с осью рентгеновского пучка, а второй установлен с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси рентгеновского пучка, средство индикации расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, центратор снабжен двумя цилиндрическими линзами, установленными на оси лазера перед его излучающими торцами, фокусное расстояние которых выбирается из соотношения f=h/tgα, где h - радиус лазерного пучка, α - угол излучения рентгеновского излучателя [1].

Недостаток данного устройства - наличие отражателя в пучке рентгеновского излучения, что может приводить к появлению на рентгеновском снимке артефактов, обусловленных проекцией на него неоднородностей материала отражателя.

Кроме того, шкала устройства является нелинейной, а при контроле изделий, удаленных от рентгеновского излучателя на расстояние L≥3-5 м, что характерно для контроля крупногабаритных объектов, деления шкалы при реальных ограничениях на размеры дальномерной базы центратора (В≤0,3-0,5 м) не превышают в линейной мере 0,1 мм, что затрудняет снятие отсчетов значений расстояния от излучателя до объекта, снижает точность измерений, требует прецизионной технологии изготовления шкалы.

Наконец, совмещение двух монохроматических полосок на объекте в реальных условиях, при наличии внешних засветок, затрудняет их визуальное наблюдение за счет пониженного контраста.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого в центратор дополнительно введен второй лазер, излучающий на длине волны, отличной от первого лазера, перед лазерами установлены сферические линзы, фокусное расстояние которых выбирается из условия f=h/tgα, где h - радиус лазерного пучка, α - угол излучения рентгеновского излучателя, лазеры расположены в плоскости, образованной осями рентгеновского пучка и продольной осью рентгеновского излучателя, симметрично относительно оси рентгеновского пучка, их оси наклонены к ней под углом β, определяемого из соотношения β=arctg(2L_o/B), где L_o - среднее значение расстояния от рентгеновского излучателя до объекта, В - расстояние между лазерами. Лазеры с установленным перед ними линзами могут перемещаться поступательно параллельно продольной оси рентгеновского излучателя, синхронно и в противоположных направлениях с помощью привода, выполненного, например, в виде известной конструкции из винтовых пар с левой и правой резьбой [2].

Изобретение поясняется чертежом (фиг.1, а и б), на котором показана принципиальная схема предлагаемого центратора.

Центратор содержит рентгеновский излучатель 1, к которому крепится корпус 2, в котором расположены лазеры 3 и 4, излучающие на длинах волн λ₁ и λ₂. Оси лазеров наклонены к оси рентгеновского пучка на углы β. Лазеры расположены симметрично относительно оси рентгеновского пучка на расстоянии В. Перед лазерами на их оптических осях установлены идентичные сферические линзы 7 и 8. Лазеры и линзы объединены в единых конструктивных модулях 9. С помощью привода 10 эти модули могут перемещаться параллельно продольной оси рентгеновского излучателя синхронно в противоположных направлениях. Привод выполняется, например, в виде известной конструкции на базе двух винтовых пар с левой и правой резьбой, вращаемых единой рукояткой.

На одном из лазерных модулей 9 установлен индекс 5, с помощью которого по шкале 6, закрепленной на корпусе 2, считывается расстояние от объекта 12 до рентгеновского излучателя 1.

На фиг.1, б показан вид лазерных пятен на объекте при различных расстояниях до него от рентгеновского излучателя для случая, когда пятна сведены на объекте, находящемся на расстоянии L от излучателя.

Интенсивность излучения лазеров регулируется оптическими аттенюаторами (ослабителями) 11, выполненными, например, в виде оптических поляроидов и т.п. известных устройств.

Длины волн излучения лазеров выбираются с учетом их максимального цветового различия, например, λ₁=0,63 мил (красный цвет) и λ₂=0,55 мкм (зеленое излучение).

Интенсивности пучков лазеров подбираются экспериментально такими, чтобы цвет наложенных друг на друга лазерных пятен максимально приближался к белому.

Лазерный центратор работает следующим образом.

Лазерные пучки от лазеров 3 и 4, имеющие длины волн λ₁ и λ₂ и угловой размер α, формируют на объекте изображения двух пятен различного цвета, которые в общем случае не совпадают друг с другом. Условие полного совпадения лазерных пятен записывается в виде β=arctg(2L_o/B), где В - расстояние между лазерами, L_o - среднее значение расстояния от объекта до рентгеновского излучателя.

В этом случае на объекте наблюдается яркое пятно, цвет которого определяется соотношением длин волн и интенсивностью излучения лазеров 3 и 4.

Например, при длинах волн λ₁=0,63 мм и λ₂=0,55 мм (зеленый лазер) наблюдатель воспринимает цвет пятна как близкий к белому, что следует из физиологических законов восприятия цвета [3].

Интенсивности излучения лазеров 3 и 4 при этом экспериментально подбираются такими, чтобы цвет наложенных изображений пятен максимально соответствовал белому.

При расстоянии от объекта до излучателя, отличном от L_o, пятна не совпадают на объекте, смещаясь параллельно продольной оси рентгеновского излучателя. На фиг.1, б показаны изображения лазерных пятен при различных значениях L. Так, при L<L_o слева от центрального пятна белого цвета возникает сегмент зеленого цвета, а справа от него - сегмент красного цвета. При L>L_o расположение цветных сегментов меняется местами. Существенно, что цвета этих сегментов имеют цветовой контраст.

Оператор, перемещая лазерные модули 9 с помощью привода 10, добивается их совмещения, и в этот момент с помощью индекса 5 снимает по шкале 6 значение расстояния L от объекта до рентгеновского излучателя.

Линейный размер изображения совмещенных лазерных пятен на объекте совпадает с размером участка объекта, просвечиваемого рентгеновским пучком, а центр этих пятен совпадает с точкой пересечения объекта с осью рентгеновского пучка.

Это позволяет точно идентифицировать контролируемый (просвечиваемый) участок объекта и проводить его контроль визуально и/или с помощью оптических или телевизионных приборов.

Выбор угла β определяет цену деления шкалы 6 и погрешность отсчета по ней, а также минимальное B_min и максимальное В_max расстояние между лазерными модулями 9, соответствующее минимальному L_min и максимальному L_max расстояниям от объекта до излучателя.

Практически с учетом реальных расстояний объект - излучатель для конкретных изделий оказалось удобным принять β=arctg(2L_o/B)=84°10'. При этом tgβ=10. Также можно использовать стандартные метрические линейные децимальные шкалы. Смещению модулей по этой шкале на 1 мм будет при этом соответствовать смещение плоскости, в которой происходит совмещение пятен на 10 мм.

Таким образом, даже при цене деления шкалы 6, равной 1 мм, погрешность отсчета расстояния до объекта составит 10 мм, что вполне достаточно для практики. При использовании стандартных шкал точность отсчета конусных шкал может быть повышена в 10 раз и составит 0,1 мм. При этом погрешность измерения расстояния объект - излучатель будет определяться в основном не погрешностью шкалы и отсчетов по ней, но ограничениями, связанными с предельной угловой разрешающей способностью зрения, равной одной угловой минуте (1') [3].

Для случая визуального (без оптических или телевизионных приборов) наблюдения при изменении расстояния объект - излучатель на 10 мм от положения, при котором лазерные пятна были полностью совмещены, смещение кромок красного и зеленого (например) пятен на объекте составит 1 мм. При расстоянии до объекта L_o≈3000 мм в мере это составляет γ=0,0003 радиан или γ≈1.

Таким образом, даже без применения специальных приборов предлагаемое устройство обеспечивает погрешность измерения менее 10 мм.

Общее уравнение шкалы, очевидно, определяется уравнением L_x=B_x·tgα, где L_x - текущее значение расстояния объект - излучатель, В_х - соответствующее этому расстоянию расстояние между лазерами, при котором лазерные пятна точно совмещаются в плоскости объекта.

При tg=10 уравнение принимает вид L_x=10 В_х. Таким образом, после совмещения пятен на объекте достаточно снять отсчет по шкале и, умножив его на десять, можно сразу получить значение расстояния до объекта.

Например, пусть В_х=105 мм, тогда L_x=1050 мм.

Начало шкалы располагается на расстоянии В от оси рентгеновского пучка, равном X=L_min/10. Длина шкалы определяется соотношением ΔB=B_max-B_min=(Z_max/10)-(L_min/10), где L_min и L_max - соответственно минимальное и максимальное расстояние до объекта в данном диапазоне измерений.

Например, при среднем значении расстояние объект - излучатель L_o=3000 мм, L_max=4000 mm, L_min=2000 мм, ΔВ=0,1·4000-0,1·2000=200 мм, что хорошо соотносится с конструктивными ограничениями на длину базы. При этом, очевидно, x=L_min/10=2000/10=200 мм.

Понятно, что помимо стандартных линейных шкал могут применяться и специальные, например, оцифрованные непосредственно в единицах расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, т.е. в метрах.

Конкретный выбор углов наклона осей лазеров к оси рентгеновского пучка может производиться также с учетом таких факторов, как ограничения на длину базы дальномера центратора (расстояние между лазерами), диапазон измерений, требования к их погрешности и др.

Литература

1. Патент РФ №2106619. Лазерный центратор.

2. Справочник конструктора оптико-механических приборов, под ред. В.А.Панова. - Л., Машиностроение, 1980, стр.742.

3. Эргономика зрительной деятельности человека. А.В.Луизов и др. - Л., Машиностроение, 1989, стр.112.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером, устройством индикации расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, выполненного в виде индикатора, закрепляемого на лазере, и шкалы, закрепленной на корпусе центратора, отличающийся тем, что он содержит дополнительный лазер, причем длины волн излучения лазеров выбираются с учетом их максимального цветового различия, лазеры расположены в плоскости, образованной осью рентгеновского пучка и продольной осью рентгеновского излучателя, симметрично относительно оси рентгеновского пучка под углом β к ней, определяемым из соотношения β=arctg(2Lo/B), где Lo - среднее значение расстояния до объекта от излучателя, В - расстояние между лазерами, соответствующее этому расстоянию, перед лазерами на их оптических осях установлены оптические ослабители и идентичные сферические линзы с фокусными расстояниями f, выбираемыми из соотношения f=h/tgα, где h - радиус пучка лазера, α - угол излучения рентгеновского излучателя, причем лазеры с жестко закрепленными на них линзами установлены с возможностью синхронного поступательного перемещения параллельно продольной оси рентгеновского излучателя в противоположных направлениях с помощью привода, реализуемого с помощью винтовых пар с левой и правой резьбой.