ЛАЗЕРНЫЙ ПРОФИЛОМЕТР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ
LASER PROFILOMETER FOR DETERMINING GEOMETRIC PARAMETERS OF SURFACE PROFILE

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.