устройство непрерывного контроля параметров шестигранного волоконно-оптического стержня во время вытяжки

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ШЕСТИГРАННОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО СТЕРЖНЯ ВО ВРЕМЯ ВЫТЯЖКИ, содержащее последовательно установленные осветитель и коллиматор, объектив, фотоэлектрический преобразователь, блок обработки информации и вычисления величины размера шестигранного стержня, соединенный с ним, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит светоделитель, установленный за коллиматором по ходу потока излучения и предназначенный для деления потока излучения на два параллельных световых пучка, два измерительных канала, первый из которых выполнен в виде установленных по ходу первого светового пучка рассеивателя излучения, предназначенного для расположения перед объектом, и фотоэлектрического преобразователя в виде координатно-чувствительного фотоприемника, располагаемого за объектом и блока обработки информации, состоящего из последовательно соединенных устройства обработки видеосигнала, подключенного к фотоэлектрическому преобразователю, вычислительного устройства и индикатора размера стержня, второй измерительный канал содержит последовательно установленные по ходу второго светового пучка в прошедшем световом потоке поляризационный светофильтр, второй объектив, две идентичные щелевые диафрагмы, размещенные в задней фокальной плоскости, объектива симметрично его оптической оси, и два двухплощадочных фотоприемника, установленных напротив соответствующих диафрагм, и второй блок обработки информации, выполненный в виде последовательно соединенных компаратора, подключенного к двухплощадочным фотоприемникам, счетчика интерференционных полос, второго вычислительного устройства и индикатора угла закручивания стержня, второе вычислительное устройство соединено с вторым входом первого вычислительного устройства, осветитель выполнен в виде лазера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля размера и угла закручивания шестигранного волоконно-оптического стержня при его изготовлении в холодной зоне вытяжки.

Известно устройство [1] для бесконтактного контроля размера шестигранного стержня, содержащее осветитель, узел сканирования, выполненный в виде двух синхронно вращающихся специальных призм, объектив, специальную колеблющуюся диафрагму, связанную с приводом вращения призм, и фотоэлектрический преобразователь, преобразующий теневые картины проекций шестигранного стержня в электрические сигналы, пропорциональные величинам проекций шестигранника, и выбирающий из этих электрических сигналов минимальный, соответствующий размеру контролируемого шестигранника. Под размером шестигранного стержня принимается величина диаметра окружности, вписанной в шестиугольник, образованный сечением шестигранного стержня плоскостью, перпендикулярной его геометрической оси.

Недостатки известного устройства - сложность конструкции и трудности, связанные с синхронизацией вращения призм и колебательных движений диафрагмы.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство [2] для непрерывного контроля размера шестигранного стержня при его изготовлении, содержащее осветитель, коллиматор, узел сканирования, выполненный в виде двух зеркал, расположенных под углом 45^о друг к другу и образующих двугранный угол, объектив и фотоэлектрический преобразователь, соединенный с блоком обработки информации.

Недостатки данного устройства - необходимость в оптико-механическом сканировании контролируемого шестигранника пучком лучей в поиске минимального размера теневой картины, что снижает быстродействие устройства, и отсутствие возможности определения угла закручивания шестигранника во время вытяжки, что приводит к неопределенности качества готовой продукции и к погрешности измерения размера шестигранного стержня в процессе изготовления.

Изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства, заключающиеся в обеспечении возможности определения угла закручивания контролируемого шестигранника при одновременном повышении быстродействия работы устройства за счет исключения оптико-механического сканирования светового пучка и замены его оптоэлектронным сканированием.

Технический результат достигается тем, что в качестве осветителя использован лазер, после коллиматора дополнительно установлены светоделитель, делящий излучение лазера на два параллельных лазерных пучка, оси которых расположены в плоскости, проходящей через ось шестигранного стержня, и формирующих два измерительных канала, в первом из которых между светоделителем и контролируемым объектом расположен рассеиватель излучения. Фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде координатно-чувствительного фотоприемника, соединенного с блоком обработки информации, состоящим из последовательно соединенных устройства обработки видеосигнала, вычислительного устройства и индикатора размера стержня. Второй измерительный канал содержит последовательно расположенные после контролируемого объекта поляризационный светофильтр, второй объектив, в задней фокальной плоскости которого расположены симметрично относительно оптической оси второго объектива две идентичные щелевые диафрагмы, за которыми закреплены два двухплощадочных фотоприемника, соединенных со вторым блоком обработки информации, состоящим из последовательно соединенных компаратора, счетчика интерференционных полос, второго вычислительного устройства и индикатора угла закручивания стержня. Второе вычислительное устройство соединено с первым.

На фиг. 1 и 2 представлена схема двухканального измерительного устройства; на фиг. 3 - распределение освещенности теневой картины в плоскости анализа; на фиг.4 - эпюра видеосигнала, снимаемого с фотоприемного устройства первого канала; на фиг.5 - распределение освещенности в дифракционной картине в плоскости анализа; на фиг.6 - эпюра фотоэлектрического сигнала, снимаемого с фотоприемника второго канала при закручивании шестигранного стержня.

Устройство содержит лазер 1, коллиматор 2, светоделитель 3, формирующий два измерительных канала, в первом из которых расположен матовый рассеиватель 4, излучение оси которого направляется на стержень 5 объектива 6, координатно-чувствительный фотоприемник 7 и блок обработки информации, состоящий из устройства обработки видеосигнала 8, вычислительного устройства 9 и регистратора 10 размера шестигранного стержня. Во втором измерительном канале последовательно расположены поляризационный светофильтр 11, объектив 12, в задней фокальной плоскости которого установлены две идентичные щелевые диафрагмы 13 и 13", за которыми закреплены два двухплощадочных фотоприемника 14 и 14", соединенных со вторым блоком обработки информации, состоящим из компаратора 15, счетчика 16 интерференционных полос, второго вычислительного устройства 17 и регистратора 18 угла закручивания шестигранного стержня 5. Второе вычислительное устройство 17 соединено с первым вычислительным устройством 9. Все оптико-электронные элементы устройства закреплены на единой платформе, имеющей отверстие для беспрепятственного прохождения контролируемого шестигранного стержня 5, а также возможность вращения вокруг геометрической оси шестигранного стержня 5.

Устройство располагается в холодной зоне вытяжки шестигранного волоконно-оптического стержня и работает следующим образом.

Параллельный пучок лазера 1, сформированный коллиматором 2, попадает на светоделитель 3, (систему из двух зеркал и т.п.), который делит лазерный пучок на два. Первый из пучков попадает на рассеиватель 4 (например, матовую пластинку), который нарушает когерентность лазерного пучка и освещает контролируемый шестигранный стержень 5. Объектив 6 формирует с необходимым увеличением резкую теневую картину в плоскости анализа ПА, оптически сопряженную с предметом исследования стержнем 5. В плоскости анализа ПА расположен координатно-чувствительный фотоприемник 7 (например, ПЭС-линейка), который сканирует теневую картину и преобразует распределение освещенности в ней 1 (х) в видеосигнал V(t), направляемый в устройство обработки видеосигнала 8, откуда он поступает в вычислительное устройство 9, имеющее два входа. Вычислительное устройство 9 вычисляет размер теневой картины S", но так как в него заранее вводится величина линейного увеличения V объектива 6, то на выходе вычислительного устройства 9 формируется закодированный сигнал о размере S теневой проекции шестигранного стержня 5, направляемый в регистратор 10 (например, цифровой вольтметр, дисплей и т.п.).

Во время вытяжки для шестигранного волоконно-оптического стержня характерны поперечные смещения на величину порядка 1-1,5S и закручивание вокруг собственной геометрической оси. Поперечные смещения шестигранного стержня приводят к смещению теневой картины в плоскости анализа ПА, однако путем правильного выбора увеличения V объектива 6 и размера светочувствительной зоны координатно-чувствительного фотоприемника 7 (равной 3S", где S" = VS) влияние поперечного смещения шестигранного стержня на правильность измерений исключается. В то же время его закручивание вокруг геометрической оси приводит к изменению размера теневой картины, что сказывается на точности измерений размера шестигранного стержня, так как

S" = SVK( ), где К( ) - коэффициент искажения размера S за счет угла закручивания . Коэффициент К( ) искажения размера S для стержня шестигранной формы определяется по формуле:

K() = + cos

Перед началом измерений путем поворота платформы вокруг геометрической оси шестигранного стержня 5 добиваются минимального размера S" теневой картины от шестигранного стержня 5, что соответствует увеличенному размеру шестигранного стержня 5 без учета его закручивания.

Для определения угла закручивания шестигранного волоконно-оптического стержня 5 в устройстве предусмотрен второй измерительный канал, состоящий из последовательно установленных поляризационного светофильтра 11, объектива 12, в задней фокальной плоскости которого симметрично относительно оптической оси второго канала расположены две идентичные по размерам щелевые диафрагмы 13 и 13", а за ними закреплены два двухплощадочных фотоприемника 14 и 14", связанных со вторым блоком обработки сигналов.

При попадании лазерного излучения на поверхности контролируемого шестигранного стержня 5 происходит развертка лазерного пучка в плоскость на 360^о с образованием дифракционно-интерференционной картины. Пучки лучей, отраженные и частично преломленные оптическими волокнами, составляющими шестигранный стержень 5 при поперечном освещении интерферируют между собой, формируя интерференционную картину, промодулированную дифракцией лазерного излучения на краях шестигранного стержня 5. При самопроизвольном закручивании стержня 5 во время вытяжки происходит перераспределение энергии в дифракционно-интерференционной картине за счет изменения углов падения лазерных лучей на грани стержня 5, что приводит к появлению бегущей интерференционной картины и изменению угловых координат дифракционных максимумов и минимумов за счет изменения размера дифракционного экрана (проекции поперечного сечения стержня 5). Одновременно изменятся размер S" теневой картины, анализируемой в первом измерительном канале.

Интерференционно-дифракционная картина, наблюдаемая в развертке лазерного пучка в плоскость вследствие наличия неоднородностей граней стержня 5 (вызываемых неравномерностью укладки и сплющивания некоторых оптических волокон, составляющих стержень), обладает значительной неравномерностью распределения освещенности и нелинейностью ее изменения при закручивании стержня 5 вокруг его геометрической оси.

Многократно проведенные эксперименты показали, что зона наиболее равномерного распределения освещенности, описываемая аналитически, расположена в дальней зоне Фраунгофера, где наблюдается четкая дифракционная картина с неподвижным нулевым максимумом и симметричными дифракционными максимумами до 20-40 порядка слева и справа от него. При закручивании стержня на угол вследствие интерференции света происходит поочередное затухание дифракционных максимумов по принципу бегущей волны (фиг.5). Одновременно с этим, вследствие изменения размера дифракционного экрана (теневой проекции стержня 5), происходит сдвиг дифракционных максимумов в направлениях к нулевому максимуму (при увеличении теневой проекции), и наоборот - от нулевого максимума (при уменьшении теневой проекции).

Поэтому для контроля бегущих интерференционных полос, характеризующих угловое закручивание шестигранного стержня 5, достаточным условием является расположение фотоприемников в зоне дифракции. Для определения направления закручивания контролируемого шестигранного стержня 5 фотоприемник достаточно выполнить, например, двухплощадочным. Это позволит путем сравнения электрических сигналов, снимаемых с обеих площадок фотоприемника, определить знак закручивания стержня, одновременно вычисляя количество пробежавших интерференционных полос, пропорциональных величине угла закручивания .

Для учета сдвигов дифракционных максимумов при закручивании стержня 5 в устройстве использованы два двухплощадочных фотоприемника 14 и 14", расположенных симметрично относительно оптической оси второго измерительного канала и регистрирующих положение одноименных дифракционных максимумов слева и справа от нулевого максимума дифракционной картины. Интерференционные полосы при закручивании стержня бегут в одном направлении во всей развертке лазерного пучка, а дифракционные максимумы картины Фраунгофера сдвигаются симметрично нулевого максимума, поэтому при сравнении сигналов, поступающих с фотоприемников 14 и 14" в компаратор 15, устраняется погрешность в подсчете числа интерференционных полос из-за дифракции на сечении шестигранного стержня 5. Светочувствительные площадки фотоприемников 14 и 14" ограничены для воздействия светового излучения диафрагмами 13 и 13", установленными непосредственно перед ними и имеющими идентичную ширину b, равную расстоянию между двумя соседними минимумами дифракционной картины.

Для повышения контраста анализируемой дифракционной картины и устранения влияния спектров лазерного излучения перед объективом 12 установлен поляризационный светофильтр 11 с возможностью юстировки путем вращения вокруг оптической оси второго измерительного канала. В результате пробега интерференционных полос с каждой светочувствительной площадки фотоприемников 14 и 14" поступает периодический сигнал, близкий к синусоиде. Количество полос определяется счетчиком интерференционных полос 16 и несет информацию об угле закручивания . Сигнал в цифровом виде поступает со счетчика 16 в вычислительное устройство 17, куда заранее вводятся данные о длине волны излучения и номинальном размере S_ном контролируемого стержня 5, где определяется величина угла закручивания . Информация с вычислительного устройства 17 поступает на индикатор 18 (например, цифровое табло с таймером), фиксирующим величину угла закручивания за определенный промежуток времени. Это позволяет соизмерить угол со скоростью вытяжки шестигранного стержня 5 и регулировать длину стержня при его дальнейшей разрезке или устранить неполадки в технологической цепочке при недопустимо большом значении . В блоке 17 также вычисляется коэффициент К( ), который посылается в цифровом виде в вычислительное устройство 9 первого измерительного канала, где вводится в виде поправки при вычислении реального размера S контролируемого стержня 5 по формуле:

S = . Таким образом, осуществляется дополнительный контроль одного из важнейших параметров шестигранного волоконно-оптического стержня - угол закручивания, который по техническим условиям производства не должен превышать 3^о на длине стержня до 140 мм, и одновременно повышается быстродействие измерений размера шестигранного стержня за счет замены оптико-механического сканирования светового пучка на оптоэлектронное с учетом поправки за угол закручивания стержня.

Проведенные экспериментальные исследования по контролю шестигранных волоконно-оптических стержней размером от 350 до 750 мкм во время вытяжки при использовании в качестве координатно-чувствительного фотоприемника ПЗС-линейки типа 1200 ЦЛ2 и линейном увеличении V = =15^хпоказали, что среднеквадратическая погрешность измерений размера шестигранного стержня составила 2-5 мкм, а угла закручивания стержня 0,1^о в диапазоне 360^о.