Лазерный профилометр для определения геометрических параметров профиля поверхности

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для оптического бесконтактного измерения профиля поверхности, и может быть использовано для измерения параметров неровности, шероховатости поверхности, например дорожного покрытия, поверхности металлов и изделий сложной формы. Лазерный профилометр для определения геометрических параметров профиля поверхности содержит источник лазерного излучения с преобразователем лазерного пучка в линию, оптический матричный приемник отраженного излучения и устройство обработки информации. Источник лазерного излучения выполнен в виде полупроводникового лазера, работающего в импульсном режиме со встроенной системой стабилизации температуры. По ходу отраженного луча перед оптическим матричным приемником введен по крайней мере один узкополосный интерференционный светофильтр. Кроме этого использован полупроводниковый лазер, работающий в видимом красном диапазоне длин волн, система стабилизации температуры выполнена на основе элементов Пельтье с управляющим контроллером и датчиком температуры. Технический результат - повышение точности измерения за счет уменьшения погрешности работы профилометра при упрощении его конструкции. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для оптического бесконтактного измерения профиля поверхности, и может быть использовано для измерения параметров неровности, шероховатости поверхности, например дорожного покрытия, поверхности металлов и изделий сложной формы.

Известен лазерный профилометр для контроля профиля изделий сложной формы (патент РФ 2285234, опубл. 10.10.2006). Лазерный профилометр содержит лазерные источники щелевой подсветки, формирующие плоские световые пучки, телекамеру и компьютер для вычисления параметров контролируемого сечения, два дополнительных объектива, оптические оси которых находятся в плоскости, образованной осями лазеров и продольной осью, а также отражатель. Точки фокусов дополнительных объективов совпадают друг с другом и с точкой пересечения осей лазеров и продольной осью измеряемого изделия.

Недостаток этого профилометра - невысокая точность фокусировки дополнительных объективов и совмещения даваемых ими изображений, т.к. эти операции основаны на субъективном критерии разности изображений контролируемых изделий.

Известен лазерный профилометр - дальномер (патент РФ 2082090, опубл. 20.06.1997), который содержит источник формирования лазерного луча с приводом сканирования лазерного луча, приемник отраженного луча с фотодиодом и усилителем на его выходе и вычислительное устройство со схемами сравнения и управления.

Недостатком данного устройства является конструктивная сложность схемы дальномера, а также возможность влияния многих факторов, способных внести ошибки в результаты измерений.

Наиболее близким по технической сущности является лазерный профилометр для измерения геометрических параметров профиля дороги (патент РФ 2201577, опубл. 27.03.2003), содержащий лазерные излучатели с оптическими системами для преобразования пучка лазерного света в линию и оптические приемники отраженных излучений. Оптические приемники отраженных излучений выполнены в виде камеры - матричного фотоприемника, преобразующей отраженные линейные излучения в аналоговые сигналы по форме профиля дороги, и соединены с системой обработки информации. Система обработки информации содержит преобразователи отраженных излучений в аналоговые сигналы, преобразователи аналоговых сигналов, процессорный блок, программный комплекс, ЭВМ. Каждый преобразователь аналоговых сигналов выполнен в виде компаратора, выделяющего из аналогового сигнала часть, соответствующую отраженному излучению, и преобразующего эту часть аналогового сигнала в TTL-уровень. Процессорный блок выполнен с возможностью суммирования сигналов TTL-уровня в заданные отрезки времени.

Недостатком данного устройства является конструктивная сложность системы обработки информации, а также невозможность исключения температурных факторов, влияющих на погрешность измерения, что снижает точность измерения геометрических параметров профиля поверхности. Также не учитывается безопасность работы при использовании профилометра с лазерным источником, особенно если профилометр работает в невидимом диапазоне длин волн.

Технической задачей данного изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшение погрешности работы профилометра при упрощении его конструкции. Также увеличивается безопасность работы данного устройства.

Поставленная задача достигается тем, что лазерный профилометр для определения геометрических параметров профиля поверхности содержит источник лазерного излучения с преобразователем лазерного пучка в линию, оптический матричный приемник отраженного излучения и устройство обработки информации. Новым является то, что источник лазерного излучения выполнен в виде полупроводникового лазера, работающего в импульсном режиме со встроенной системой стабилизации температуры. По ходу отраженного луча перед оптическим матричным приемником введен по крайней мере один узкополосный интерференционный светофильтр. Кроме этого использован полупроводниковый лазер, работающий в видимом красном диапазоне длин волн, система стабилизации температуры выполнена на основе элементов Пельтье с управляющим контроллером и датчиком температуры. Устройство для обработки информации выполнено в виде программируемого логического контроллера с обработкой сигнала в реальном времени и вычислением профиля поверхности.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Лазерный профилометр для определения геометрических параметров профиля поверхности содержит (фиг. 1) источник лазерного излучения 1, который представляет собой полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме, преимущественно в видимом красном диапазоне длин волн. Сконструирован по предлагаемому изобретению профилометр, где выбран полупроводниковый лазер, например ML501P73, работающий в видимом красном диапазоне длин волн (длина волны 638 нм). Полупроводниковый лазер снабжен системой стабилизации температуры 9, выполненной на основе элементов Пельтье с управляющим контроллером и датчиком температуры, расположенной на одной подложке с полупроводниковым лазером. За счет встроенной системы стабилизации температуры длина волны полупроводникового лазера поддерживается с точностью ±0,5 нм. По ходу лазерного луча расположен преобразователь светового пучка в линию (оптический генератор линии) 2, состоящий из коллиматора и призмы в форме, например, полусферы или треугольника. Лазерный пучок попадает сначала на коллиматор, а затем на призму, которая разворачивает сфокусированный пучок лазера в линию длиной от 1 м до 1,3 м вдоль контролируемой поверхности 5 и образует в пространстве световую плоскость 3. Отраженный от контролируемой поверхности 5 световой луч попадает в узкополосный интерференционный светофильтр 6, затем на оптический матричный приемник 8 и устройство обработки информации 4. В оптимальном случае используют набор из двух светофильтров. Каждый из интерференционных светофильтров 6 работает на свой угол обзора, что в совокупности со стабилизацией длины волны лазерного излучения позволяет использовать светофильтры с очень узкой полосой пропускания. Оптический приемник 8 в виде матрицы имеет n строк и m столбцов и преобразует полученное световое излучение в оцифрованное изображение линии 7 профиля поверхности измеряемого объекта. Оцифрованное изображение с матричного приемника 8 передается на устройство обработки информации 4, которое выполнено в виде программируемого логического контроллера с обработкой сигнала в реальном времени и вычислением профиля поверхности. Контроллер 4 может быть выполнен на базе сигнального процессора, который подключен к управляющему компьютеру 10 по интерфейсу Fast Ethernet. Для подключения необходимо наличие в компьютере сетевой карты, поддерживающей скорость не менее 100 Мбит.

Устройство работает следующим образом.

В основе работы устройства лежит принцип лазерной триангуляции. На поверхность 5 измеряемого объекта проецируют линию лазерного излучения 3, формируемую полупроводниковым лазером 1 с оптическим генератором линии 2. Отраженное от поверхности 5 излучение проецируют узкополосными светофильтрами 6 на матрицу оптического приемника 8, оцифровывают и передают на программируемый логический контроллер 4, где происходит обработка сигнала в реальном времени с вычислением профиля контролируемой поверхности 5. По полученному изображению контура объекта на контроллере 4 рассчитывают расстояние до поверхности объекта 5 (координата Z) для каждой из множества точек вдоль лазерной линии на объекте (координата X). Полупроводниковый лазер 1 снабжен встроенной системой стабилизации температуры 9, выполненной на основе элементов Пельтье, которые за счет поддержания постоянной температуры обеспечивают стабилизацию длины волны лазерного излучения в пределах ±0,5 нм. Постоянную температуру задают с помощью контроллера системы стабилизации 9 и поддерживают, например, T=20°C. Заданную температуру контролируют датчиком температуры системы стабилизации 9. Стабилизация длины волны лазерного излучения в предела ±0,5 нм позволяет использовать светофильтры с очень узкой полосой пропускания и получать на оптическом приемнике более точное изображение контролируемой поверхности за счет получения большего количества точек в профиле и более качественного построения изображения поперечного профиля. Лазерный профилометр характеризуется началом рабочего диапазона по координате Z, рабочим диапазоном по координате Z, рабочим диапазоном по координате X в начале рабочего диапазона по Z и в конце рабочего диапазона по Z. При этом по координате X мы можем получать на оптическом приемнике 8 до 2048 точек на длине 1,2 метра, что соответствует 0,6 мм разрешения по координате X. Информация с контроллера 4 поступает в компьютер 10 по интерфейсу Fast Ethernet, который осуществляет прием информации с профилометра и обеспечивает управление его режимами. При этом абсолютная погрешность определения расстояния до поверхности объекта по координате Z составляет не более ±1 мм во всем диапазоне вне зависимости от местоположения объекта по координате X. Такая погрешность измерения достигнута за счет использования в предлагаемом устройстве полупроводникового лазера, работающего в импульсном режиме с использованием системы стабилизации температуры и использования узкополосных интерференционных светофильтров. Использование импульсного режима в работе полупроводникового лазера позволяет получить достаточную мощность излучения для работы в условиях солнечного освещения, а также позволяет избежать перегрева лазерного диода при обеспечении его термостабилизации. Все это позволяет уменьшить погрешность и повысить точность измерений каждой точки профиля контролируемой поверхности. Как следствие, уменьшается погрешность при измерении высоты и длины объекта. Это позволяет, например, с большей точностью определить геометрические размеры профиля дорожного полотна в дневное время даже при работе на фоне засветки от солнечного света. Использование красной длины волны лазерного излучения повышает класс лазерной безопасности устройства за счет использования видимого спектра длин волн. Использование коллиматора и призмы, которая рассеивает сфокусированный пучок света лазера в линию, длина которой составляет от 1 до 1,3 метра, позволяет снизить интенсивность света в профиле до незначительных показателей и отнести профилометр ко второму классу по безопасности лазерного излучения. Также по сравнению с прототипом предложенное устройство имеет более простую конструкцию за счет упрощения устройства обработки информации, выполненного на базе программируемого логического контроллера.

Таким образом, лазерный профилометр представляет собой автоматизированную систему, способную с большей точностью контролировать геометрические параметры профиля поверхности, контурные размеры объекта, взаимное расположение деталей, отклонение от плоскостности.

1. Лазерный профилометр для определения геометрических параметров профиля поверхности, содержащий источник лазерного излучения с преобразователем лазерного пучка в линию, оптический матричный приемник отраженного излучения и устройство обработки информации, отличающийся тем, что источник лазерного излучения выполнен в виде полупроводникового лазера, работающего в импульсном режиме со встроенной системой стабилизации температуры, а по ходу отраженного луча перед оптическим матричным приемником введен по крайней мере один узкополосный интерференционный светофильтр.

2. Лазерный профилометр для определения профиля поверхности по п. 1, отличающийся тем, что система стабилизации температуры выполнена на основе элементов Пельтье с управляющим контроллером и датчиком температуры.

3. Лазерный профилометр для определения профиля поверхности по п. 1, отличающийся тем, что использован полупроводниковый лазер, работающий в видимом красном диапазоне длин волн.

4. Лазерный профилометр для определения профиля поверхности по п. 1, отличающийся тем, что устройство для обработки информации выполнено в виде программируемого логического контроллера с обработкой сигнала в реальном времени и вычислением профиля поверхности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для автоматического контроля размеров, шероховатости поверхности и температуры изделий. Технический результат – повышение точности измерений.

Изобретение относится к области обработки изображений. Технический результат – определение реального расстояния на основе изображения без сравнения с эталонным объектом, имеющимся в изображении.

Изобретение относится к области измерительной техники. Датчик угла поворота, выполненный в виде фотоэлектрического автоколлиматора, содержит объектив, в фокальной плоскости которого установлен матричный приемник излучения, выходом подключенный к электронному блоку, светоделитель, расположенный перед матричным приемником излучения, осветитель с источником света, предназначенный для подсветки сигнальной маски с прозрачным штрихом, установленной перед светоделителем в фокальной плоскости объектива, и двойное зеркало, представляющее собой контролируемый объект - призму БР-180°, обращенную прозрачной входной гранью к объективу.

Изобретение относится к области оптических измерений. Оптический способ измерения поля толщины прозрачной наледи на лопастях ветрогенератора заключается в освещении прозрачной наледи и фиксации видеокамерой изображения искаженного светового кольца, образованного на поверхности под наледью в результате полного внутреннего отражения света на границе раздела наледь-воздух.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения неоднородного сложного объемного динамического напряженного состояния, и может быть использовано для диагностики напряженного состояния и дефектоскопии композитов, в медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения напряжений и перемещений, связанных с деформацией объектов. Волоконно-оптический тензометрический датчик состоит из оптического волокна, покрытого металлом, двух волоконных брэгговских решеток (ВБР), защитной трубки и корпуса датчика.

Изобретение относится к неразрушающему контролю заготовок. Способ контроля заготовки включает сохранение данных модели, связанных с заготовкой, в систему контроля и определение относительного положения измерителя удаленности по отношению к заготовке.

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению для технологического контроля внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра. Контроль осуществляется компьютерной системой при помощи монохромной или цветной телевизионной камеры кругового обзора в области, близкой к полусфере, с принудительной подсветкой.

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению для технологического контроля внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра. Контроль осуществляется компьютерной системой при помощи монохромной (черно-белой) телевизионной камеры кругового обзора в области, близкой к полусфере, которая принудительно подсвечивается для получения оптимальной чувствительности изображения.

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к диагностическим магнитно-резонансным системам. Система для регулирования содержит устройство регулирования рентгеновской визуализации, которая содержит порт ввода для приема данных трехмерного изображения, полученных с помощью датчика при трехмерном наблюдении объекта, причем принятые таким образом данные трехмерного изображения содержат информацию о пространственной глубине, при этом данные трехмерного изображения описывают геометрическую форму объекта в трех измерениях, анализатор данных трехмерного изображения, выполненный с возможностью вычислять по принятым данным трехмерного изображения данные анатомических ориентиров объекта, причем вычисленные данные управления устройством визуализации включают в себя демаркационные данные, определяющие границу окна коллимирования устройства визуализации для области объекта, представляющей интерес, устанавливать из принятых данных трехмерного изображения данные положения анатомических ориентиров объекта, блок управления, причем функционирование устройства рентгеновской визуализации включает в себя операцию коллимирования для рентгеновского пучка, исходящего из рентгеновского источника.

Изобретение относится к области сварки, в том числе, при строительстве трубопроводов и при изготовлении крупногабаритных объектов. Заявленный мобильный сканер для определения качества поверхности сварного шва содержит модуль перемещения, который включает платформу с размещенным на ней считывающим блоком, датчиком пройденного пути, блоком беспроводной передачи и приема информации.

Изобретение относится к области океанографических измерений. Способ дистанционного определения дисперсии уклонов морской поверхности заключается в том, что импульсным лазером вертикально зондируют морскую поверхность, регистрируют отраженные импульсы и по ним рассчитывают дисперсию уклонов морской поверхности.

Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента состоит из координатного стола, оптически связанных рассеивающего экрана с пропускающим окном, контролируемого дифракционного элемента, расположенного между координатным столом и рассеивающим экраном, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры, блока обработки и управления.

Изобретение относится к визуальной оценке качества поверхностей плоских подложек для оптико-электронных компонентов и может быть использовано при техническом контроле состояния поверхности крупных партий деталей в электротехнической промышленности.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и направлено на повышение точности определения положений дефектов на асферических поверхностях как второго, так и более высокого порядка в процессе их формообразования.

Изобретение относится к области метрологии, в частности к системам для определения положения неровностей поверхности, их размеров и количества на расстоянии. Заявленный способ бесконтактного определения рельефа поверхности материалов включает получение информации об объекте с помощью считывающего устройства, обработку информации путем формирования универсальной матрицы поверхности, состоящей из информационных ячеек, содержащих информацию об эталонных и фактических координатах меток поверхности.

Изобретение относится к средствам контроля микронеровностей поверхностей, полученных в результате воздействия машиностроительных технологических операций на шероховатую поверхность.

Изобретение относится к области измерительной техники и может служить для бесконтактного автоматизированного контроля неровностей внутренней вертикальной цилиндрической поверхности, например ракетной шахты.

Изобретение относится к устройствам для внутритрубного контроля трубопроводов и может быть использовано для диагностики трубопроводов среднего диаметра, а также составления профиля трубопровода.

Изобретение относится к области материаловедения и может использоваться для оценки микронеровностей на плоских поверхностях без применения специальных дорогостоящих измерительных средств.

Изобретение относится к точной механике и может быть использовано для контроля качества изготовления изделий; оцифровки созданного вручную дизайн-макета изделия, как основы для дальнейшей проработки; представления удаленных экспертов результатов разрушающих испытаний, последствий аварий и катастроф, воздействий взрывов; визуализации участков местности с естественными формами рельефа; криминалистов, археологов. Заявленное устройство трехмерного сканирования содержит первую платформу, вторую платформу, первый шаговый двигатель с первым вращающимся валом, второй шаговый двигатель со вторым вращающимся валом, первый кронштейн и дальномер. При этом первый вращающийся вал первого шагового двигателя установлен на первой платформе, второй шаговый двигатель установлен на второй платформе посредством первого кронштейна. Первый шаговый двигатель механически сопряжен со второй платформой. Устройство трехмерного сканирования содержит также зеркало, сопряженное со вторым вращающимся валом второго шагового двигателем, при этом дальномер установлен на второй платформе Зеркало оптически сопряжено с дальномером. Также устройство содержит первый энкодер с первой вращающейся частью, установленный между второй платформой и первым шаговым двигателем, причем первая вращающаяся часть первого энкодера механически сопряжена с первым вращающимся валом первого шагового двигателя, и второй энкодер со второй вращающейся частью, установленный между первым кронштейном и вторым шаговым двигателем, причем вторая вращающаяся часть второго энкодера механически сопряжена со вторым вращающимся валом второго шагового двигателя. В заявленное устройство введен редуктор с вращающимся центром, установленный между второй платформой и первым энкодером, при этом вращающийся центр редуктора механически сопряжен с первой вращающейся частью первого энкодера. Технический результат - повышение качества трехмерного изображения. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для оптического бесконтактного измерения профиля поверхности, и может быть использовано для измерения параметров неровности, шероховатости поверхности, например дорожного покрытия, поверхности металлов и изделий сложной формы. Лазерный профилометр для определения геометрических параметров профиля поверхности содержит источник лазерного излучения с преобразователем лазерного пучка в линию, оптический матричный приемник отраженного излучения и устройство обработки информации. Источник лазерного излучения выполнен в виде полупроводникового лазера, работающего в импульсном режиме со встроенной системой стабилизации температуры. По ходу отраженного луча перед оптическим матричным приемником введен по крайней мере один узкополосный интерференционный светофильтр. Кроме этого использован полупроводниковый лазер, работающий в видимом красном диапазоне длин волн, система стабилизации температуры выполнена на основе элементов Пельтье с управляющим контроллером и датчиком температуры. Технический результат - повышение точности измерения за счет уменьшения погрешности работы профилометра при упрощении его конструкции. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх