бесконтактный способ определения расстояний до объекта и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Бесконтактный способ определения расстояний до объекта, при котором измеряемый объект облучают импульсами лазерного излучения и измеряют интервал времени между передним фронтом импульса лазерного излучения и моментом приема звуковой волны приемником акустических сигналов, которая возбуждается при взаимодействии лазерного импульса с измеряемой точкой объекта, отличающийся тем, что облучение объекта осуществляют моноимпульсами лазера с плотностью мощности более 10⁸ Вт/см², снабженного оптической фокусирующей системой, с использованием компаратора с мерной базой, импульсы излучения фокусируют в точке измерения на объекте и одновременно в двух точках мерной базы, причем эти точки, а также приемник с широкополосной высокочастотной антенной располагают на оптической оси фокусирующей системы, а отсчет времени приема звуковой волны производят в конце первого полупериода электрического сигнала приемника, индуцированного этой волной.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее последовательно соединенные моноимпульсный лазер, фотоприемник, усилитель светового сигнала и блок обработки светового сигнала, выход которого соединен с входом измерителя временных интервалов, а также приемник акустических сигналов, который последовательно соединен с широкополосным усилителем и блоком обработки звукового сигнала и подключен к другому входу измерителя временных сигналов, выход которого подключен к соответствующему входу контроллера и ЭВМ, отличающееся тем, что оно содержит оптическую фокусирующую систему лазерного излучателя и компаратор с мерной базой, которая расположена между приемником и измеряемым объектом, лазер используется с модулируемой добротностью и с плотностью мощности более 10⁸ Вт/см², приемник акустических сигналов содержит широкополосную высокочастотную антенну, при этом оси антенны, акустического приемника и мерной базы совмещены с оптической осью фокусирующей системы.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что компаратор содержит установленные вдоль оси мерной базы пластины, прозрачные в видимом диапазоне и отражающие сигналы в диапазоне длин волн лазерного излучения.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве мерной базы используются две пластины, соединенные между собой с помощью инварного или кварцевого эталона длины.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что линзы фокусирующей системы выполнены из оптического анизотропного материала, имеющего два фокусных расстояния.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что фокусирующаяся система содержит визирный микроскоп, ось которого параллельна или перпендикулярна ее оси.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве визирного микроскопа используется микротелескоп с лазерным целеуказателем, расположенным перед визирной сеткой микротелескопа.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что ось фокусирующей системы лазерного излучателя совмещена с осью лазерного целеуказателя и с измеряемой точкой объекта с помощью откидной зеркально-отражающей пластины или дихроичного зеркала, причем лазерный излучатель, лазерный целеуказатель и мерная база помещены в карданную систему их наклонов.

9. Устройство по п.2, отличающееся тем, что фокусирующая система лазера выполнена в виде зеркально-линзовой системы.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что зеркально-линзовая система, приемник акустических сигналов с антенной и мерная база помещены в карданную систему их наклонов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области метрологии, в частности к бесконтактным средствам измерения расстояний и формы объектов, и может применяться в различных отраслях промышленности, например в машиностроении, турбиностроении, судостроении и других.

Известны способы измерения расстояний до объекта с помощью различных оптических устройств, например визирных труб, дальномеров, координатометров и т.п., использующие, в основном, триангуляционный принцип измерения. Таким способом является, например, [1], который основывается на визировании точки поверхности с одной из двух позиций, расположенных на фиксированной базе с одной плоскостью визирования. При этом с первой позиции визируют изображение контрольной марки и измеряют величину фиксированной базы, со второй позиции проецируют изображение контрольной марки на точку поверхности, а координаты точки определяют в декартовой системе координат путем измерения двух углов отсчета в горизонтальной плоскости и одного угла отсчета в вертикальной плоскости.

Известен способ [2] измерения расстояний до объекта, при котором облучают поверхность объекта лазерным импульсом и измеряют время от момента излучения лазерного импульса до момента прихода лазерного излучения, отраженного от поверхности объекта, на фотоприемник. При этом расстояние до объекта определяется как половина произведения скорости света на измеренный промежуток времени. Однако при использовании этого способа измерять параметры времени достаточно сложно вследствие высокой скорости лазерного луча, а потому точность измерений этим способом не очень высока, особенно при измерениях на коротком расстоянии до объекта.

Известен способ [3] измерения расстояний до объекта, принятый за прототип, при котором облучают поверхность объекта лазерным импульсом и измеряют время от момента излучения лазерного импульса до момента прихода на приемник акустического сигнала переднего фронта звуковой волны, возникающей вследствие термического расширения воздуха в месте падения лазерного луча на объект. Облучение объекта осуществляется импульсами длительностью 10^-5-10^-6 секунды при плотности излучения 10⁶-10⁸ Вт/см². Расстояние от объекта до микрофона определяется как произведение скорости звука в воздухе на измеренный промежуток времени.

Однако эффективность использования этого способа в условиях производственных помещений значительно снижается по следующим причинам:

- неизвестно точное текущее значение скорости звука в воздухе в момент посылки импульса, что снижает точность конечных измерений;

- лазерный луч и линия, соединяющая облучаемую точку поверхности и микрофон, непараллельны, что также снижает точность измерений и усложняет компоновку измерительных приборов при наведении на измеряемую точку объекта;

- в связи с тем, что источником звукового сигнала является область термического расширения воздуха в приповерхностном слое, в спектре принимаемого акустического сигнала преобладают относительно низкие частоты, близкие к диапазону основных производственных шумов (до 10 кГц), это резко ухудшает качество принятого акустического сигнала и делает невозможным использование высокочувствительных микрофонов, что, в целом, снижает точность и дальность измерений.

Известно устройство измерения расстояния до поверхности объекта [4], принятое за прототип, содержащее лазер, приемник акустического излучения, выполненный на 3-х микрофонах, закрепленных в вершинах треугольника, стороны которого образованы жесткими стержнями, последовательно соединенные приемник оптического излучения и формирователь переднего фронта импульса, а также трехканальный электронный блок, каждый канал которого включает последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор, счетчик измерителя временных интервалов и подключен к общим интерфейсу и ЭВМ.

Известно также аналогичное устройство для измерения расстояния до различных точек поверхности объекта [5], в котором вместо лазера в качестве возбудителя акустического излучения использован электроискровой щуп, а в электронный блок введена дополнительная линия регулируемой задержки переднего фронта импульса.

Однако можно отметить, что при использовании второго указанного устройства возникает сильная электромагнитная помеха низкой частоты, которую генерирует примененный в нем возбудитель акустического излучения - электроискровой щуп, что может при работе вызывать сбой работы счетчика временных интервалов. Кроме того, измерения с помощью этого устройства производятся контактным способом, что делает невозможным его использование при измерении как крупногабаритных объектов, так и объектов сложной формы.

Причины недостаточной эффективности использования прототипа устройства тождественны, в основном, перечисленным выше при описании прототипа способа. Хотя здесь можно отметить, что в схему прототипа устройства введены полосовые усилители, дающие возможность отфильтровывать влияние низкочастотных промышленных помех, однако на уровне электрического сигнала это недостаточно эффективно.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности, дальности и функциональности измерений, достигаемых за счет уменьшения погрешности измерений благодаря применению фокусирующей системы и компаратора с мерной базой, а также улучшением качества принимаемого акустического сигнала.

Указанные технические результаты достигаются, когда в способе измеряемый объект облучают через оптическую фокусирующую систему моноимпульсным лазерным излучателем с модулированной добротностью и плотностью мощности в точке фокусировки более 10⁸ Вт/см², для получения поправки на текущую скорость звука используют компаратор с мерной базой, а излучение фокусируют в точке измерения объекта и одновременно в двух точках мерной базы, звуковой сигнал принимают с помощью широкополосной акустической антенны, причем точки облучения, а также приемник и его антенну располагают на оптической оси фокусирующей системы, а отсчет времени приема звуковой волны производят в конце первого полупериода электрического сигнала приемника, индуцированного этой волной.

Предлагаемое устройство для измерения расстояний в отличие от прототипа дополнительно содержит оптическую фокусирующую систему лазерного излучателя и компаратор с мерной базой, которую размещают между приемником и измеряемым объектом, лазер используется с модулируемой добротностью и с плотностью мощности более 10 ⁸ Вт/см², а приемник акустических сигналов содержит широкополосную высокочастотную антенну, при этом оси антенны, акустического приемника и мерной базы совмещены с оптической осью фокусирующей системы.

Кроме того, в изобретении предлагается несколько частных решений, направленных на увеличение функциональности, точности и возможности измерений. Так, в одном случае предлагается в качестве мерной базы использовать две пластины, соединенные между собой с помощью инварного или кварцевого эталона длины.

В другом частном случае предлагается выполнять линзы фокусирующего устройства из оптического анизотропного материала, имеющего два фокусных расстояния, что дает возможность фокусировать лазерный луч одновременно на объект и на плоскости мерной базы.

В еще одном частном случае предлагается дополнить фокусирующую систему визирным микроскопом, ось которого будет расположена параллельно или перпендикулярно оси фокусирующей системы лазера. В то же время в качестве визирного микроскопа можно будет использовать микротелескоп с лазерным целеуказателем, расположенным перед визирной сеткой микротелескопа. Кроме того, в этом случае возможен вариант, при котором ось фокусирующей системы лазерного излучателя совмещена с осью лазерного целеуказателя и с измеряемой точкой объекта с помощью откидной зеркально-отражающей пластины или дихроичного зеркала, причем лазерный излучатель и лазерный целеуказатель помещаются в карданную систему их наклонов, что дает возможность очень точно совмещать направление их осей в любом положении по отношению к объекту измерения.

Кроме того, в другом частном случае предлагается фокусирующую систему выполнить в виде зеркально-линзовой системы. В то же время в этом случае возможен вариант, когда зеркально-линзовая система, приемник акустических сигналов с антенной и мерная база помещены в карданную систему их наклонов.

Для пояснения сущности изобретения прилагаются чертежи, где на фиг.1 изображена принципиальная схема устройства, на фиг.2 - один из вариантов предлагаемого устройства.

Реализация способа осуществляется следующим образом.

При фокусировании моноимпульсного лазерного излучения с плотностью мощности более 10⁸ Вт/см² на поверхности объекта измерения, а также на плоскостях мерной базы образуются плазменные точки с характерным диаметром точки 0,01 мм, индуцирующие высокочастотные акустические импульсные сигналы. Этот эффект связан с повышением температуры поверхности и последующим нагревом приповерхностного слоя газа за счет теплопроводности на их границе. Газ, нагреваясь, расширяется и создает звуковую волну. Регистрация времени распространения акустического сигнала на мерной базе позволяет определить текущую скорость звука в воздухе на трассе измерения. При этом текущая скорость звука определяется временем распространения акустического сигнала между плоскостями на мерной базе по формуле

v₁=s ₁/t₁,

где v₁ - текущая скорость звука в м/сек, s₁ - расстояние между плоскостями мерной базы, t₁ - интервал времени между сигналами от двух плоскостей мерной базы.

Время, прошедшее от момента импульса лазерного излучения до момента прихода на широкополосную высокочастотную антенну акустического приемника звукового сигнала, совместно с полученной текущей скоростью звука используется для расчета расстояний от объекта до базовой поверхности компаратора в ЭВМ. Широкополосная высокочастотная антенна позволяет отстроить получаемый сигнал от низкочастотных производственных шумов, что позволяет далее усиливать его, практически, без искажений. Точность измерения указанным способом расстояний до объекта с учетом погрешности измерения текущей скорости звука на мерной базе длиной 100±0,001 мм составляет ±(3+10D) мкм, где D - расстояние до объекта в метрах.

На принципиальной схеме устройства, реализующего заявляемое изобретение и представленного на фиг.1, изображено: объект измерения 1, мерная база 2 с базовыми плоскостями 3 и полупрозрачными пластинами 4, приемник акустических сигналов 5 с антенной 6, оптическая фокусирующая система 7, лазер 8, источник питания лазера 9, компьютер 10 с монитором 11, фотоприемник 12, усилитель светового сигнала 13, электронный блок 14 обработки светового сигнала, измеритель временных интервалов 15, контроллер 16, усилитель антенны 17, широкополосный усилитель 18 и блок 19 обработки звукового сигнала.

На фиг.2 изображен один из вариантов предлагаемого устройства, а именно трехкоординатное устройство для измерения деталей и узлов сложной формы.

Это устройство имеет основание 20, на котором закреплена подвижная по оси "X" каретка 21 с фотоэлектрическим отсчетным устройством 22 и центрами 23 для крепления деталей. Также на основании 20 закреплена подвижная по оси "Y" каретка 24 с фотоэлектрическим отсчетным устройством 25. На каретке 24 закреплен неподвижно в кронштейне визирный микроскоп 26. На визирном микроскопе 26 закреплены лазерный излучатель 8 с оптической фокусирующей системой 7, приемник акустических сигналов 5 с антенной 6 и мерная база 2 с полупрозрачными пластинами 4. Оптическая ось излучателя 8 совмещена с осью визирного микроскопа с помощью двух плоских зеркал 27, рассчитанных на длину волны лазерного излучения, и совпадает с линией измерения изделия (объекта) 1, установленного в центрах 23. Визирный микроскоп 26 может перемещаться кареткой 24 в направляющих 27 по оси "Y" и настраиваться вертикально по оси "Z" на линию измерения изделия (объекта) 1.

С помощью таких устройств можно измерять с точностью ±(3+10D) мкм не только любые параметры деталей сложной геометрической формы, таких как резьбовые калибры, турбинные лопатки и т.п., но и полный профиль измеряемого изделия, используя специальные компьютерные программы.

Реализация способа и функционирование устройства осуществляются следующим образом:

Размещают на одной оси с измеряемой точкой объекта 1 и лазером 8 оптическую фокусирующую систему 7, приемник акустических сигналов 5 с антенной 6 и мерную базу 2. Затем измеряемую точку поверхности объекта измерения 1 и одновременно базовые плоскости 3 мерной базы 2 облучают через оптическую фокусирующую систему 7 и полупрозрачные пластины 4, прозрачные в видимом диапазоне и отражающие акустические волны, а также длины волн лазерного излучения моноимпульсным излучением лазера 8 с модулируемой добротностью при плотности мощности излучения в точках фокусировки более 10⁸ Вт/см².

Передний фронт импульса лазерного луча фиксируется с помощью фотоприемника 12, который через усилитель светового сигнала 13 и электронный блок 14 обработки сигнала запускает измеритель временных интервалов 15.

В точках облучения возникают плазменные точки, а возникающие при этом звуковые волны принимаются антенной 6 приемника 5, где они преобразуются в электрический сигнал. Далее полученный сигнал обрабатывается усилителем антенны 17 и усилителем 18 и поступает на блок 19 обработки звукового сигнала. Обработанный сигнал поступает в измеритель временных сигналов 15, где измеряются три временных интервала между передним фронтом импульса лазерного излучения и временем окончания первого полупериода электрического сигнала, полученного в приемнике 5 от звуковых волн, пришедших от первой и второй базовой плоскости мерной базы и от облученной точки объекта измерения. Измеритель временных сигналов 15 через контроллер 16 передает измеренные интервалы распространения сигналов на компьютер 10. В компьютере по специальной программе с введением поправки на текущую скорость звука компаратором, использующим полученные данные временного интервала между сигналами, индуцированными от двух плоскостей мерной базы, вычисляется расстояние от базовой поверхности компаратора до измеряемой точки объекта по формуле

s=t·v,

где v - скорость звука в м/сек, t - интервал времени между передним фронтом импульса лазерного излучения и моментом приема отраженной звуковой волны акустическим приемником.

После этого полученные результаты измерения координат точек изделия или полного профиля изделия выводятся на экран ЭВМ или печатающее устройство.

Список использованной литературы:

1. Патент РФ №2102701.

2. А.А.Генике и др. Геодезические фазовые дальномеры. М., Недра, 1974.

3. Патент РФ №1835048.

4. Патент РФ №2139497.

5. Патент РФ №2225591.