устройство для измерения линейного смещения объекта

Формула изобретения

1. Устройство для измерения линейного смещения объекта, преимущественно в пределах большого диапазона рабочих дистанций, включающее контрольный элемент, предназначенный для размещения на объекте, приемную систему с размещенными по ходу луча объективом и светоделителем, блок обработки сигналов с выделением разностного и привод с регистратором, отличающееся тем, что в приемной системе за светоделителем по ходу лучей вблизи фокальной плоскости объектива размещены два разделительных элемента с взаимно перпендикулярными разделительными гранями и установленные попарно с каждым разделительным элементом четыре независимых приемника, выход которых соединены с блоком обработки сигналов, а контрольный элемент выполнен в виде установленного на оптической оси приемной системы с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной этой оси, осветителя, формирующего протяженный равномерный источник излучения, при этом привод с регистратором соединены с осветителем.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что осветитель выполнен в виде полой сферы с окном, имеющей внутреннее отражающее диффузное покрытие, и размещенный внутри сферы по крайней мере один источник излучения.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что разделительные элементы выполнены в виде склейки по гипотенузным граням двух прямоугольных призм, на половине гипотенузной грани одной из которых нанесено светоотражающее покрытие с границей, проходящей посередине, параллельно вершинным граням призмы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, более конкретно к устройствам контроля линейных смещений объектов оптико-электронными методами, и может быть использовано для широкого круга измерительных задач, таких как центровка деталей проточной части механизмов (турбогенераторов АЭС, направляющих крупногабаритных станков и т.п.), измерение непараллельности, неплоскостности, неперпендикулярности, величин прогибов в процессе производства и др.

Внедрение прецизионных методов оптической диагностики взаимного расположения и формы элементов и узлов современного оборудования в процессе их создания и эксплуатации обеспечивает повышение точности измерений и автоматизацию процесса контроля, увеличивает надежность в работе, безаварийность и время межремонтных периодов. Все это требует создания специальных средств контроля, имеющих высокую точность в большом диапазоне рабочих дистанций (например, линия вала современного турбогенератора АЭС - более 40 м).

Известны устройства контроля поперечных линейных смещений, основанные на использовании лазерного луча в качестве эталонной измерительной базы, относительно которой ведется измерение положения объекта. Например, устройство для контроля прямолинейности (Ефремов А.Н., Камальдинов А.К., Мармалаев А.И. , Сомородов В.Г. Лазерная техника в мелиоративном строительстве. - М.: Агропромиздат, 1989 - 223 с.), включающее лазерный источник, приемный блок и систему обработки сигналов. Устройства, основанные на таком методе контроля не позволяют сохранить высокую точность измерений при изменении дистанции. Это связано с тем, что для лазерного излучения характерны временные и пространственные пульсации энергетического центра, переменные по дистанции, уменьшить которые можно системой фокусировки, которая в свою очередь является источником дополнительных погрешностей.

В определенной степени свободны от этих недостатков приборы, формирующие в пространстве измерительную базу в виде оптической равносигнальной зоны. Например, выбранное нами в качестве прототипа "Устройство для измерения линейного смещения объекта" (А.с. СССР N 1312384, приор. 03.01.86, МПК G 01 B 21/00), включающее предназначенный для размещения на объекте, контрольный элемент в виде зеркально-линзового отражателя, приемную систему с размещенным по ходу луча объективом, светоделителем и фотоприемником, установленным в фокальной плоскости объектива, блок обработки сигналов с выделением разностного и привод с регистратором. Устройство формирует равносигнальную зону с помощью объектива, в фокальной плоскости которого за светоделителем расположено ребро прямоугольной призмы, грани которой попеременно облучаются излучателями, расположенными на одной оси симметрично относительно катетных граней прямоугольной призмы, и проектируются на фотоприемник, который вырабатывает сигнал, пропорциональный смещению линии раздела относительно центра приемника.

К существенным недостаткам этого устройства следует отнести низкую точность при работе в большом диапазоне рабочих дистанций, вызванную нестабильностью положения равносигнальной зоны и низкой чувствительностью на минимальной дистанции действия в пределах границы формирования равносигнальной зоны, определяемой источником излучения. По нашим оценкам такие системы имеют погрешность измерений (СКО) не менее 0,05 мм в диапазоне дистанций 4 ... 40 м.

Нами предложено устройство, в котором новая совокупность признаков позволяет получить качественно новый эффект - повысить точность измерений линейных смещений на рабочей дистанции от 1 до 40 м до погрешности (СКО) не более 0,01 мм.

Такой технический эффект достигнут нами, когда в устройстве для измерений линейных смещений, включающем контрольный элемент, предназначенный для размещения на объекте, приемную систему с размещенными по ходу луча объективом и светоделителем, блок обработки сигналов с выделением разностного и привод с регистратором, в приемной системе за светоделителем по ходу луча вблизи фокальной плоскости объектива размещены два разделительные элемента с взаимно перпендикулярными разделительными гранями и установленные попарно с каждым разделительным элементом четыре независимые приемника, выходы которых соединены с блоком обработки сигналов, контрольный элемент выполнен в виде установленного на оптической оси приемной системы с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной этой оси, осветителя, формирующего протяженный равномерный источник излучения, а привод и регистратор соединены с осветителем.

Такое схемное решение измерительного прибора позволило нам фактически оптически синтезировать позиционно-чувствительный фотоприемник, который в совокупности с протяженной равномерной световой маркой позволил осуществить иной чем равносигнальный принцип формирования эталонной измерительной базы, а именно принцип равночувствительной зоны. В технической литературе описаны подходы для реализации протяженных равномерных источников излучения и оптических разделительных элементов.

Если осветитель выполнен в виде полой сферы с окном и внутренним отражающим диффузно-рассеивающим покрытием и размещенным внутри сферы по крайней мере одним источником излучения (см. п. 2) - формируется обладающий высокой степенью равномерности, протяженный излучатель (световая марка), обеспечивающий дополнительное повышение точности измерений в пределах большого диапазона рабочих дистанций.

Выполнение в устройстве разделительного элемента в виде склейки по гипотенузным граням двух прямоугольных призм, на половине гипотенузной грани, одной из которых нанесено светоотражающее покрытие с границей, проходящей по середине, параллельно вершинным граням призм (см. п. 3), дополнительно повышает точность измерений.

На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения линейных смещений (пример конкретного исполнения по п. 1, 2, 3).

Контрольный элемент 1, включающий полую сферу 2 с выходным окном и источником 3 излучения, привод 4 с регистратором 5, скреплен с контролируемым объектом 6. Приемная система включает объектив 7, светоделитель 8 и расположенные за ним по ходу лучей вблизи фокальной плоскости два разделительные элемента 9, 10 с взаимно перпендикулярными разделительными гранями 11, 12 и установленные попарно с каждым разделительным элементом четыре независимые фотоприемника 13, 14, 15, 16, выходы которых соединены с блоком 17 обработки сигналов, включающим усилители 18, 19, 20, 21, сумматоры 22, 23 и индикаторы 24, 25; D - размер источника (окна).

На фиг. 2 представлен график зависимости изменения разностного сигнала U_c с пары приемников от величины смещения X контрольного элемента (в вертикальной плоскости) на максимальной дальности (40 м), где по оси абсцисс отложено значение смещений контрольного элемента в мкм, а по оси ординат величина изменения сигнала в мВ.

Устройство работает следующим образом. Контрольный элемент 1 в виде осветителя, скрепленный с контролируемым объектом 6, направляет пучок излучения в приемную систему, которая формирует измерительную базовую линию, проходящую через центр входного зрачка объектива 7 и точку пересечения разделительных граней 11, 12 в плоскости изображения. При наличии смещения осветителя (световой марки) относительно базовой линии возникает смещение изображения относительно разделительных граней 11 и 12, излучение от которых падает на приемники 13, 14 и 15, 16 соответственно, сигналы с которых после усилителей 18, 19 и 20, 21 поступают на суммирующие элементы 24, 25, вырабатывающие разностные сигналы, пропорциональные величинам смещения контролируемого объекта в вертикальном и горизонтальном направлениях. Новая схема приемной системы с разнесенными в пространстве разделительными гранями и четырьмя независимыми приемниками позволяет оптически синтезировать позиционно-чувствительный фотоприемник, обладающий высокой чувствительностью за счет минимизации размеров элементов разрешения (ширины разделительных граней), а также полностью исключить электрические связи между чувствительными элементами, которые характерны для традиционных позиционно-чувствительных фотоприемников, выполненных на единой подложке. При данном конструктивном решении приемной системы выполнение осветителя протяженным обеспечивает при измерении во всем диапазоне дистанций высокую добротность (в нашем случае добротность - это отношение площади чувствительного элемента к площади зазора в пределах анализируемого изображения световой марки), если для размера протяженного источника излучателя D выполняется найденное нами условие DF^I/L >> t, где F^I - фокусное расстояние объектива приемной системы; L - дистанция контроля (расстояние от контрольного элемента до объектива приемной системы), t - разрешение разделительного элемента (ширина разделительной грани разделительного элемента).

Равномерное распределение яркости световой марки позволяет приводу 4 реализовать нулевой метод, когда центр световой марки совмещается с измерительной осью. Регистратор 5 фиксирует величину этого смещения по двум координатам.

Если контрольный элемент выполнен в виде полой сферы 2 с выходным окном, имеющей внутреннее диффузно-рассеивающее покрытие и размещенные внутри сферы светодиоды 3, то формируется высокоравномерная световая марка, повышающая точность измерений. Использование в схеме предложенного нами устройства в качестве разделительного элемента склейки по гипотенузным граням из двух прямоугольных призм, на половине гипотенузной грани, одной из которых нанесено светоотражающее покрытие с границей, проходящей по середине параллельно вершинным граням призмы, приводит к дополнительному повышению точности измерений за счет увеличения разрешающей способности приемной системы, при одновременной защите разделительных граней от внешних воздействий. Величина разрешающего элемента такого разделительного элемента составляет 1...2 мкм по сравнению, например, с ~10 мкм, характерными для разрешения разделительного элемента в виде прямоугольной призмы.

Пример конкретного выполнения.

По заказу Ленинградской АЭС в НИИКИ ОЭП изготовлен макет предложенного устройства для измерений линейных смещений. Он включает контрольный элемент, выполненный в виде полой сферы 40 мм с выходным окном D = 20 мм >> tL/F = 0,5 мм, внутри которой размешены 6 светодиодов A1 119, питающихся от задающего генератора переменных напряжений, выполненного на базе однотактного таймера типа К1006В41. Диаметр выходного окна определяет размер протяженного источника. Внутренняя поверхность сферы имеет диффузно-рассеивающее покрытие (белое глубокоматовое, ОСТ 3-1898-73) с коэффициентом отражения 0,9. Приемная система включает объектив 40 мм, F" = 80 мм, за которым по ходу лучей расположен светоделительный кубик (размер грани 20 мм) с полупрозрачным покрытием, делящий падающий на него поток на два канала. В каждом канале по ходу луча вблизи фокальной плоскости (объектив фокусируется на максимальную рабочую дистанцию, в нашем случае это 40 м) установлены разделительные грани, формируемые разделительными элементами, выполненными в виде склейки по гипотенузным граням двух прямоугольных призм (оптическим клеем, прозрачным в области спектра излучения светодиодов - 0,95 мкм). Причем, предварительно на половине гипотенузной грани, одной из них нанесено высокоотражающее непрозрачное медное покрытие толщиной ~3 мкм с границей, проходящей по середине, параллельно вершинным граням призм, которая и служит границей раздела. Непосредственно за разделительными элементами установлены 4 кремниевых фотодиода ФД-7К с размером приемной площадки 10 мм, которые, в свою очередь, каждый соединены с блоком обработки сигналов, который обеспечивает, используя известные подходы, измерение разностных сигналов с пар приемников во всем диапазоне рабочих дистанций. Для этого каждый приемник соединен с расположенными в блоке обработки усилителями с переменным коэффициентом усиления, выполненными на базе операционных усилителей типа АД820, обеспечивающими постоянство сигнала при изменении дистанции контроля. Сигналы с пар усилителей в каждом измерительном канале (вертикальное и горизонтальное направление смещений) после детекторов АД736JN поступают на схемы сравнения типа АД820. Регистрация величины рассогласования производится аналого-цифровыми преобразователями типа KR572PW5 с выходом на цифровые индикаторные табло (IGZ-14-47), в виде значений, пропорциональных смещению объекта в вертикальном и горизонтальном направлениях. Привод, скрепленный с осветителем, реализован в виде двух ручных микрометрических подвижек, причем значение смещений в вертикальном и горизонтальном направлениях регистрируются микрометрами.

Испытания макета на чувствительность к линейным смещениям, как одного из основных показателей точности, проводились на дистанциях 1; 5; 25; 40 м и показали, что ее минимальная величина (дистанция 40 м) не превышает 1 мкм, что следует из графика (фиг. 2). Значения чувствительности определялись при отношении сигнал/шум, равном 2.

Таким образом, предложенное конструктивное решение устройства для измерения линейных смещений позволяет с высокой точностью решать важные задачи точного позиционирования, выверки и контроля деталей, узлов и систем промышленного оборудования, стоящие во многих областях техники, таких как энергетика, машино- и судостроение, железнодорожный транспорт и другие. Чрезвычайно актуальным является создание такого прибора для обеспечения операций установки и выверки деталей проточной части турбины АЭС, что обеспечивает высокую точность и надежность монтажа, безопасность работы.

В настоящее время закончена конструкторская проработка и идет изготовление двух образцов прибора.