close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY7225

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7225
(13) C1
(19)
(46) 2005.09.30
(12)
7
(51) G 01B 11/12
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ПРОТЯЖЕННЫХ ОТВЕРСТИЙ
BY 7225 C1 2005.09.30
(21) Номер заявки: a 20021070
(22) 2002.12.20
(43) 2004.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт электроники
НАН Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Ильин Виктор Николаевич;
Дубешко Александр Викторович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт электроники НАН Беларуси" (BY)
(56) Александров В. К. и др. Автометрия. 1990, № 3. - С. 93 - 97.
SU 773429, 1980.
SU 1413415 A1, 1988.
SU 1620826 A1, 1991.
JP 01180403 A, 1989.
(57)
Способ измерения диаметра протяженных отверстий, включающий освещение отверстия монохроматическим пучком длиной волны λ1, регистрацию интенсивности излучения в дифракционной картине вдоль оси пучка и вычисление диаметра отверстия с учетом
зафиксированных координат, отличающийся тем, что модулируют монохроматический
пучок длиной волны λ1, преобразуют его в сходящийся, освещают им входную плоскость
отверстия, создают второй монохроматический пучок с другой длиной волны λ2, причем
λ2>λ1, модулируют его в противофазе к первому пучку, преобразуют в расходящийся и
освещают им выходную плоскость отверстия, формируют за отверстием на одной плоскости одноименные дифракционные картины от каждого пучка с максимумами интенсивности порядка n, принадлежащими этим длинам волн, фиксируют координаты максимумов
интенсивности выделенного порядка вдоль оптической оси, а диаметр отверстия D вычисляют с учетом величин n, λ1, λ2 по формуле:
(H nom ± ∆x )λ1λ 2 (2n − 1)
D=2
,
λ1 − λ 2
где Hnom - номинальное расстояние между максимумами интенсивности выделенного
порядка для протяженного отверстия;
Фиг. 1
BY 7225 C1 2005.09.30
∆х - смещение между максимумами интенсивности выделенного порядка при погрешности изготовления отверстия.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения диаметров отверстий миллиметрового и микрометрового размеров.
Известен способ измерения диаметра отверстий [1], заключающийся в том, что освещают коллимированным пучком монохроматического излучения измеряемое отверстие,
регистрируют интенсивность излучения в дифракционной картине вдоль оси пучка, фиксируют координаты трех последовательных центральных минимумов/максимумов интенсивности излучения в дифракционной картине, определяют диаметр отверстия с учетом
зафиксированных координат.
Данный способ не обеспечивает требуемой точности измерений из-за значительной
методической погрешности при измерении отверстий, имеющих протяженность. Это связано с существенным снижением контрастности суммарного дифракционного распределения, которое формируется за отверстием от его входной и выходной плоскостей с различным фазовым сдвигом.
Техническая задача, которую позволяет решить предлагаемое изобретение, - повышение точности измерения диаметра протяженных отверстий за счет улучшения контрастности одноименных дифракционных изображений, полученных от входной и выходной
плоскостей отверстия для двух разных длин волн.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе измерения диаметра
протяженных отверстий, включающем освещение отверстия монохроматическим пучком
длиной волны λ1, регистрацию интенсивности излучения в дифракционной картине вдоль
оси пучка и вычисление диаметра отверстия с учетом зафиксированных координат, модулируют монохроматический пучок длиной волны λ1, преобразуют его в сходящийся, освещают им входную плоскость отверстия, создают второй монохроматический пучок с
другой длиной волны λ2, причем λ2 > λ1, модулируют его в противофазе к первому пучку,
преобразуют в расходящийся и освещают им выходную плоскость отверстия, формируют
за отверстием на одной плоскости одноименные дифракционные картины от каждого пучка с максимумами интенсивности порядка n, принадлежащим этим длинам волн, фиксируют координаты максимумов интенсивности выделенного порядка вдоль оптической
оси, а диаметр отверстия D вычисляют с учетом величин n, λ1, λ2 по формуле:
(H nom ± ∆x )λ1λ 2 (2n − 1)
D=2
λ1 − λ 2
,
где Hnom - номинальное расстояние между максимумами интенсивности выделенного
порядка для протяженного отверстия; ∆х - смещение между максимумами интенсивности
выделенного порядка при погрешности изготовления отверстия.
Совокупность указанных признаков обеспечивает более высокую точность измерения
диаметра протяженных отверстий за счет повышения контрастности дифракционных максимумов и исключения влияния дифракции от входной плоскости на выходную, использования двух разных длин волн и выделения максимумов с одноименными порядками,
имеющими одинаковый радиус и протяженность. Кроме того, существенно повысилась
производительность способа за счет сокращения диапазона перемещения зеркала и времени обработки видеоимпульсов микропроцессором вследствие модуляции излучений лазеров в противофазе и формирования дифракционных изображений в одной плоскости.
Способ осуществляют следующей совокупностью операций.
Формируют два монохроматических пучка света с разной длиной волны λ1 и λ2, причем λ2 > λ1. Модулируют оба пучка в противофазе и преобразуют первый в сходящийся, а
второй в расходящийся пучки. После этого попеременно, т.е. со сдвигом по фазе на 180°,
2
BY 7225 C1 2005.09.30
освещают измеряемое протяженное отверстие на входной плоскости сходящимся монохроматическим пучком, имеющим длину волны λ1, и на выходной плоскости - расходящимся монохроматическим пучком с длиной волны λ2. Затем формируют за отверстием
на одной плоскости дифракционные картины от каждого пучка с максимумами интенсивности по оси одного и того же порядка n (например, n = 5), после чего фиксируют координату их местоположения по оси. По значению полученных координат с учетом n, λ1 и λ2
вычисляют искомый диаметр отверстия.
На фиг. 1 представлено устройство для осуществления предлагаемого способа, где
обозначены: 1 - микропроцессор, 2 - первый источник излучения, 3 - первая телескопическая система, 4 - светоделительная пластина, 5 - контролируемое протяженное отверстие,
6 - базовая плоскость, 7 - подвижное зеркало, 8 - привод, 9 - объектив, 10 - фотодиодная
линейка, 11 - второй источник излучения, 12 - вторая телескопическая система; V1 V2 V3 соответственно направление перемещения линз телескопических систем 3, 12 и зеркала 7,
FA,λ1, FB,λ2 - максимумы заданного порядка для выбранных длин волн λ1 и λ2; пунктирными линиями обозначены новые положения зеркала при его перемещении.
На фиг. 2 схематично показано продольное сечение протяженного отверстия и способ
его освещения, где "А", "В" - входная и выходная плоскости протяженного отверстия; P1,
±δ
P2 - освещающие пучки; XA, ХВ - область геометрической тени; D ±Aδ , D B
- диаметры на
входной и выходной плоскостях отверстия; Dc = 2Rc - средний диаметр; H - длина (протяженность) отверстия; FA,λ1, FB,λ2 - дифракционные максимумы; SA,λ1, SB,λ2 - расстояния от
плоскостей отверстия до дифракционных максимумов для различных длин волн.
На фиг. 3а,б схематично показаны продольные сечения дифракционных максимумов
(ДМ) для двух длин волн от входной и выходной плоскостей отверстия: а) максимумы
сформировались в одной плоскости - погрешность радиуса отверстия ∆R = 0; б) максимумы сформировались в разных плоскостях на расстоянии ∆Х - погрешность радиуса отверстия ∆R ≠ 0; ∆S - протяженность максимума на уровне 0,75А (максимальной амплитуды);
SV3 - величина перемещения зеркала 7.
Способ реализован следующим образом (фиг. 1). Микропроцессор 1 управляет включением первого 2 и второго 11 лазеров попеременно, т.е. модулируя их излучение в противофазе. Лазер 2 генерирует монохроматическое излучение с длиной волны λ1, которое
посредством первой телескопической системы 3 преобразуется в сходящийся пучок за
счет юстировочного движения линзы V1. Сформированный пучок P1 (фиг. 2) проходит
светоделитель 4 и освещает на входной плоскости D ±Aδ измеряемое отверстие 5, установленное на базовой плоскости 6. На выходной плоскости при этом образуется область геометрической тени ХB, размер которой определяется из соотношения протяженности и радиуса отверстия. В противофазе первому пучку излучение от второго источника 11 с длиной
волны λ2 с помощью второй телескопической системы 12 преобразуется в расходящийся
световой пучок P2, проходит светоделитель 4 и освещает измеряемое отверстие 5 на выходной плоскости D ±Bδ . При этом на входной плоскости D ±Aδ образуется области геометрической тени XA, размер которой также определяется из соотношения протяженности и
радиуса отверстия.
За протяженным отверстием 5 для каждой длины волны на расстояниях SA,λ1 и SB,λ2
формируются центральные дифракционные максимумы FA,λ1 и FB,λ2. Взаимное расположение подвижного зеркала 7 и объектива 9 таково, что фокальная плоскость объектива
находится в крайнем расчетном положении F1, которое соответствует началу максимума
на уровне 0,5 его амплитуды. Этому положению также соответствует изображение максимума на фотодиодной линейке 10 точка 1. Далее зеркало 7 посредством привода 8, управляемого микропроцессором, смещается вдоль оптической оси во второе крайнее положение F2, соответствующее окончанию дифракционного максимума. Этому положению бу-
3
BY 7225 C1 2005.09.30
дет соответствовать изображение на фотодиодной линейке 3. Зеркало 7 совершает несколько
возвратно-поступательных перемещений между точками F1 и F2 с целью последующего вычисления среднего значения диаметра по нескольким измерениям.
Микропроцессор 10 по заданной программе осуществляет управление лазерами 2 и 11,
обеспечивая включение и временное разделение сигналов, управление фотодиодной линейкой 10, осуществляя съем и обработку фотоимпульсов, а также управление приводом
8, обеспечивая возвратно-поступательное перемещение зеркала 7. Строгая геометрия периодической решетки пикселей фотокатода фотодиодной линейки 10 позволяет определять местоположение центра видеоимпульса (точка 2) с погрешностью не хуже 1 мкм.
Покажем, что существует аналитическая связь между диаметром 2R протяженного отверстия и положением дифракционных максимумов для λ1 и λ2, если n = const.
Протяженное отверстие на входной плоскости освещается сходящимся пучком P1,
диаметр которого превышает величину D ±Aδ (фиг. 2). Угол сходимости β1 пучка P1 задается таким, чтобы на выходной плоскости сформировалась область геометрической тени:
(1)
XB = Hном×tgβ1.
Отверстие на выходной плоскости освещается расходящимся пучком P2, диаметр которого меньше D −Aδ , а угол расходимости β2 задается таким, чтобы сформировалась область геометрической тени XA, а в плоскости "В" диаметр пучка должен быть больше
диаметра отверстия с плюсовым предельным отклонением D +Bδ . В частном случае
XA = ХB и β1 = β2.
Известно [3],что расстояния от отверстия до дифракционного максимума для разных
длин волн равны:
(2)
Smax,λ1 = R2/λ1(2n-1); Smax,λ2 = R2/λ2(2n-1);
Длина волны λ2 выбирается из условия
(3)
λ2 = R2/(SA,λ1-H) (2n-1)
с тем, чтобы выделяемые максимумы сформировались на одной плоскости за отверстием.
Для тонкого отверстия, не имеющего протяженности, расстояние ∆x1 между максимумами будет равно:
(4)
∆х1 = Smax,λ1 - Smax,λ2,
при условии, что λ2>λ1.
Из (2) и (4) находим:
∆x 1λ 1λ 2 (2n − 1)
.
R2 =
(5)
(λ1 − λ 2 )
Для протяженного отверстия, когда максимумы формируются в одной плоскости
(фиг. 3а), ∆x1 = Нnom. Номинальное значение Нnom заносится в память микропроцессора и
используется при вычислении номинального диаметра 2Rnom по формуле (5). Если отверстие имеет погрешность изготовления ±∆R, то максимумы сформируются в разных плоскостях (фиг. 3б) и появится смещение ∆x. В формулу (5) подставляется значение
∆x1 = (Нnom ± ∆x), т.е.
(H nom ± ∆x )λ1λ 2 (2n − 1)
D=2
(6)
(λ 1 − λ 2 )
Величину диаметра протяженного отверстия вычисляют по (6).
Реализация способа осуществлялась по принципиальной оптической схеме фиг. 1. Источник излучения 2 и 11 представляет собой полупроводниковые лазеры MЛH-3, имеющие длину волны 650 нм и 670 нм со встроенными телескопическими системами 3 и 12.
Частота переключения лазеров в противофазном режиме - 10 кГц. За счет изменения по-
4
BY 7225 C1 2005.09.30
ложения одной из линз телескопической системы осуществлялась перестройка пучка либо
в сходящийся, либо расходящийся. Зеркало 7 устанавливалось на подвижную каретку,
управляемую линейным приводом. Диапазон перемещения каретки составлял, например,
при контроле отверстий протяженностью H = 10 мм и диаметром 1 ± 0,01мм около 6,0 мм.
Основным элементом микропроцессорного устройства является микроконтроллер AT90S2313
фирмы ATMEL, а фотодиодная линейка - ILX703 А - фирмы SONI.
Источники информации:
1. Александров В.К., Галушко Е.В., Ильин В.Н. Размерный контроль ограничивающих
диафрагм по дифракции Френеля // Автометрия. - № 3. - 1990. - С. 93-97.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
95 Кб
Теги
by7225, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа