ЛАЗЕРНЫЙ ТОЛЩИНОМЕР И СПОСОБ ЕГО КАЛИБРОВКИ
LASER CALIPER AND METHOD OF ITS CALIBRATION

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, может быть использовано для калибровки лазерных толщиномеров, построенных по методу лазерной триангуляции, при котором пучки излучения направлены с двух сторон перпендикулярно к контролируемой поверхности, а принятый оптический сигнал фиксируется многоэлементным приемником.
Известно устройство для калибровки лазерных триангуляционных измерителей (Свидетельство на полезную модель RU №37550, МПК G01B 11/00, опубл. 27.04.2004), содержащее источник лазерного излучения, приемное устройство, сменный экран, снабженный средствами для перемещения в направлении лазерного луча.
Недостатком данного устройства для калибровки является отсутствие механизмов, деталей и узлов, которые обеспечивают многократную смену технологического экрана на объект контроля, при сохранении требуемой погрешности измерения. Контроль второй стороны объекта контроля не рассматривается.
Прототипом является устройство для измерения толщины - лазерный толщиномер (патент RU №2419068, МПК G01B 11/06, опубл. 20.01.2011), содержащее корпус, зону измерения, привод, обеспечивающий перемещение объекта контроля в зоне измерения, размещенные по разные стороны, оптически связанные с контролируемым объектом фотоэлектрические модули, жестко зафиксированные на общем основании и расположенные соосно и перпендикулярно плоскости перемещения контролируемого объекта, многоэлементные фотоприемники, входящие в состав фотоэлектрических модулей, оптически связанные с контролируемым объектом, блок обработки и управления, входы которого соединены со выходом фотоприемников, содержащий задатчик режимов работы, обеспечивающий выбор режима измерения толщины или режима калибровки толщиномера, вычислитель результатов измерений и цифровое табло.
et
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mover accent="true"><mo>∑</mo><mo>¯</mo></mover><mo>+</mo><mi>b</mi></mrow>
Для калибровки толщиномера его корпус сдвигают по направляющим в горизонтальном направлении из зоны измерения в зону калибровки. Технологическое приспособление для калибровки, имитирующее положение объекта контроля, винтами соединяют с корпусом толщиномера последовательно устанавливают эталоны толщины t и через задатчик вводят значения максимальной, а затем минимальной толщины эталонов в вычислитель, который рассчитывает угловой коэффициент - k и смещение - b калибровочной прямой
.
max
min
Недостатком прототипа является то, что технологическое приспособление позволяет производить калибровку, а в последующем измерение толщины эталонов t, t только для положения размещения эталонов, которое соответствует нижней границе зоны измерения, что приводит к увеличению погрешности измерения для случая произвольного положения в зоне измерения объекта контроля.
i
i
В настоящее время при калибровке лазерных триангуляционных устройств сопоставляются расстояния до контролируемого объекта - R и номер элемента - n на ПЗС - линейке, оптически связанной с объектом контроля (Anand Asundi «Unified calibration technigue and its applications in optical triangular profilometry» Applied Optics, 1999, №16, том 38, c.3556-3561).
i
i
i
i
Следует отметить, что полученные значения величин (R, n) не учитывают шероховатость контролируемого объекта, изменение размеров световой метки в зависимости от изменения расстояния - R до объекта контроля, что отражается на размерах и форме видеоимпульса, сформированного ПЗС-линейкой и, следовательно, номере измеренного элемента - n.
i
i
i
i
i
i+1
i-1
i+1
i-1
i
i
i
i
i
i
Для повышения точности измерений на калибровочном стенде (А.З. Венедиктов, О.В. Пальчик. «Проблема калибровки лазерных триангуляционных измерителей». Технология машиностроения. 2005 г., №8, с.57-59) задают расстояния R до эталона с типичным для измеряемых объектов коэффициентом отражения ρ и при каждом измерении расстояния R учитывают, кроме номера элемента - n, размер световой метки Δn, где Δn=n-n, а n, n соответственно, последний и первый засвеченные элементы в принятом оптическом сигнале. При построении зависимости между номером засвеченного элемента и расстоянием R до контролируемого объекта номер элемента уточняется в зависимости от ширины видеоимпульса Δn. В таблице градуировки R=f(n, Δn) промежуточные значения расстояний R интерполируются.
Следует отметить, что в предложенном способе калибровки оптический контроль второй стороны объекта контроля не рассматривается. Процесс калибровки носит двухпараметрический характер, что усложняет данный способ.
Наиболее близкий к предлагаемому является способ калибровки раскрыт в описании патента РФ №2419068 «Способ измерения толщины и устройство для его осуществления», МПК G01B 11/06, опубл. 20.01.2011.
max
min
max
min
i+1
i-1
max
min
max
1
2
min
1
1
2
i-1
i+1
2
3
4
et
1
2
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mo>∑</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo><mo>−</mo><mo>∑</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>e</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mover accent="true"><mo>∑</mo><mo>¯</mo></mover><mo>+</mo><mi>b</mi></mrow>
<mrow><mi>b</mi><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>k</mi><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mstyle><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>k</mi><mo>∑</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow>
<mover accent="true"><mo>∑</mo><mo>¯</mo></mover>
Для реализации предложенного способа, предварительно, в режиме калибровки, измеряют координаты световых меток, соответствующие эталонам с максимальной толщиной - t и минимальной - t, и рассчитывают угловой коэффициент
, где Σ[t] и Σ[t] - суммы номеров элементов на ПЗС-линейке, соответствующих конечной n и начальной n границам видеоимпульсов с фотоприемников для эталонов толщин с t и t. а Σ[t]=Σ+Σ, (аналогично, Σ[t]) где Σ=N+N - сумма номеров элементов, которые соответствуют начальной n и конечной n границам видеоимпульса, полученного при считывании видеосигнала от верхней поверхности эталона, аналогично Σ=N+N - сумма номеров элементов, которые соответствуют начальной и конечной границам видеоимпульса, полученного при считывании видеосигнала от нижней поверхности эталона, а толщину установленного эталона t определяют как
, где
, это смещение калибровочной прямой, a
- статистическая по результатам серии замеров оценка суммы Σ=Σ+Σ. Статистическая оценка состоит, например, в отбрасывании некоторого количества максимальных и минимальных замеров и усреднении оставшихся.
max
min
Недостаток данного способа калибровки по эталонам, соответствующим максимальной и минимальной толщине t и t динамического диапазона измерений, состоит в последовательной установке эталонов на технологическое приспособление, опорная плоскость которого соответствует одной из границ зоны измерения, как правило, - это нижняя граница, и проведении вышеперечисленной последовательности операций только для этого случая. На практике измерения производятся при произвольном положении контролируемых объектов в зоне измерения и, следовательно, при произвольной ширине и положении видеоимпульсов, сформированных оптически связанными с контролируемой поверхностью ПЗС-линейками. Проведенные измерения показали увеличение погрешности измерений, если объект контроля находится в произвольном положении в зоне измерения, отличающейся от положения эталонов при калибровке.
Задачей изобретения является создание лазерного толщиномера и способа его калибровки, позволяющих повысить точность измерения при произвольном положении объекта контроля в зоне измерения и при воздействии таких дестабилизирующих факторов производственного процесса, как вибрация, изменение температуры окружающей среды, волнистость и изогнутость объектов контроля.
et
Поставленная задача достигается за счет того, что лазерный толщиномер, содержащий корпус, зону измерения, привод, обеспечивающий перемещение объекта контроля в зоне измерения, размещенные по разные стороны, оптически связанные с контролируемым объектом фотоэлектрические модули, жестко зафиксированные на общем основании и расположенные соосно и перпендикулярно плоскости перемещения контролируемого объекта, многоэлементные фотоприемники, входящие в состав фотоэлектрических модулей, оптически связанные с контролируемым объектом, блок обработки и управления, входы которого соединены с выходам фотоприемников, содержащий задатчик режимов работы, обеспечивающий выбор режима измерения толщины или режима калибровки толщиномера, вычислитель результатов измерений и цифровое табло, дополнительно снабжен калибровочным приспособлением жестко зафиксированным штифтованным винтовым соединением на корпусе толщиномера, обеспечивающим перпендикулярность пучков лазерного излучения к плоскости положения эталона, содержащим плату управления, линейный шаговый двигатель и электромеханический привод для перемещения эталона t, зафиксированный в зоне измерения на общем основании с фотоэлектрическими модулями, при этом электромеханический привод соединен с первым выходом вычислителя по интерфейсной линии связи через плату управления и линейный шаговый двигатель, а фотоприемники соединены по интерфейсным линиям связи от микроконтроллеров фотоэлектрических модулей через второй и третий выходы с одноименными входами вычислителя.
et
Отличительным признаком предлагаемого лазерного толщиномера является наличие электромеханического привода для перемещения эталона - t, жестко зафиксированного на общем основании с фотоэлектрическими модулями в зоне измерения толщиномера.
et
et
et
1i
2j
et
1i
2i
1
2
1
2
Поставленная задача достигается также за счет того, что в способе калибровки лазерного толщиномера, заключающемся в том, что предварительно в режиме калибровки толщиномера, включающего два фотоэлектрических модуля, формируют два узких пучка излучения, направленных соосно навстречу друг другу, которые создают на противоположных сторонах эталона - t световые метки, а на двух линейных оптически связанных с эталоном позиционно-чувствительных многоэлементных фотоприемниках, входящих в состав фотоэлектрических модулей изображения световых меток, фотоприемники одновременно сканируют и измеряют номера элементов, соответствующих максимальному и минимальному значению толщины эталонов, на границе зоны измерения размещают эталон толщины  - t, который дискретно перемещают к другой границе, и для каждого положения эталона t измеряют расстояния R, R от фотоэлектрических модулей до каждой стороны эталона t и соответствующие этим расстояниям номера элементов n, n, на многоэлементных фотоприемниках, а затем определяют угловые коэффициенты k, k и смещения b, b калибровочных прямых для каждого фотоэлектрического модуля.
1
2
1
2
Кроме того, коэффициенты k, k, b, b можно определить, применяя метод наименьших квадратов:
1i
2i
где: N - число замеров при снятии градуировочных характеристик, n, n - номера элементов на многоэлементных приемников при замерах,
1i
2i
R, R - расстояния по градуировочным характеристикам при замерах,
0
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>L</mi><mi>M</mi></mrow></mfrac><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>L</mi></munderover><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
а калибровку базы толщиномера R выполнять в соответствии с соотношением
,
где L - число шагов при калибровке в зоне измерения,
i - текущий шаг,
M - число эталонов толщины t при калибровке,
m
m - текущий эталон t,
0
1l
2l
m
R(i, m)=R+R+t,
1i
1
1i
1
2j
2
2j
2
m
где: R=kn+b и R=kn+b - текущие расстояния от фотоэлектрических модулей до каждой стороны эталона с толщиной t, а также использовать эталон, состоящий из W секторов различной толщины.
Предлагаемые изобретения поясняются чертежами, на которых изображены:
фиг.1 - лазерный толщиномер для режима работы «Калибровка» с установленным калибровочным устройством,
фиг.2 - функциональная схема лазерного толщиномера для режима работы «Калибровка»,
фиг.3 - алгоритм калибровки лазерного толщиномера,
фиг.4 - алгоритм калибровки фотоэлектрического модуля,
фиг.5 - алгоритм калибровки базы толщиномера.
Для удобства изложения приводится пример выполнения устройства, а затем последовательность операций для предлагаемого способа калибровки.
Лазерный толщиномер (фиг.1) содержит калибровочное приспособление 1, жестко закрепленное на корпусе 2 толщиномера с помощью соединения, включающего винты 3, 4 и штифты 5, 6. Соединение калибровочного приспособления 1 с корпусом фотоэлектрических модулей 7, 8, жестко зафиксированных на корпусе 2 толщиномера, обеспечивает однозначность установки при многократных повторениях операций по калибровке с последующим переходом в режим измерения.
Калибровочное приспособление 1 содержит (фиг.2) плату управления 9, линейный шаговый двигатель (актуатор) 10, на валу 11 которого размещается эталон толщины 12. Плата управления 9 предназначена для формирования управляющих сигналов для актуатора 10.
Фотоэлектрические модули 7 и 8 содержат лазерные излучатели 13, 14 с формирующей оптикой 15, 16 и приемные каналы в составе: ПЗС-линейки, 17, 18, приемные объективы 19, 20 и поворотные зеркала 21, 22.
1
2
et
1
2
/
/
Полупроводниковые излучатели 13, 14 с формирующей оптикой 15, 16 формируют световые метки О и O, соответственно, на верхней и нижней сторонах эталона 12. Индикатрисы рассеяния в этих точках схематически показаны на фиг.2. Для тестовых оптических сигналов от эталона с толщиной - t приемными каналами в составе объективов 19, 20, поворотных зеркал 21 и 22 изображение световых меток строится на ПЗС-линейках 17 и 18 в точках O  и O .
Микроконтроллеры 26 и 27 предназначены для определения номера элемента, соответствующего максимуму видеосигнала при приеме световых меток и формировании управляющих сигналов для ПЗС-линеек.
Кроме того, в корпусе 2 толщиномера находятся: вычислитель 23, клавиатура 24, индикатор 25.
1
2
1,
2
1i
1
1i
1
2i
2
2i
2
Вычислитель 23 предназначен для расчета калибровочных коэффициентов k, k, смещений b b и расстояний от фотоэлектрических модулей до первой R=kn+b и второй R=k=n+b сторон объекта контроля.
Клавиатура 24 предназначена для задания режимов работы толщиномера: калибровка, измерение толщины. Индикатор 25 для отображения результатов вычислений, констант.
Первые входы-выходы платы управления 9 и вычислителя 23 соединены интерфейсной линией связи с протоколом обмена, например по RS-232, для передачи команд от вычислителя 23 через плату управления 9 на линейный шаговый двигатель 10 для установки эталона 12 в зоне измерения Δ в требуемое положение.
Для передачи номера элемента ПЗС-линейки, соответствующего максимуму видеосигнала, вторые и третьи входы-выходы вычислителя 23 соединены интерфейсными линиями связи с одноименными входами-выходами, соответственно, микроконтроллеров 26 и 27.
1
2
et
1i
2i
1
2
et
1
2
1
2
1i
1
1i
1
2
2
2i
2
0
0
1i
2i
m
1i
2i
m
0
Работа устройства для калибровки начинается по команде с клавиатуры 24. В соответствии с протоколом обмена от вычислителя 23 по линии связи на 1 вход платы управления 9 поступает команда на установку эталона 12 на границе зоны измерения, например нижней 28. Полупроводниковые излучатели 13, 14 с формирующей оптикой 15 и 16 формируют световые метки O и O соответственно, на верхней и нижней сторонах эталона 12 с толщиной - t. По управляющим сигналам с 4 выхода микроконтроллеров 26 и 27 на 5 входы ПЗС-линеек 17, 18 подаются сигналы управления и выполняется сканирование. Номера элементов n, n, в считанных видеосигналах и соответствующие максимумам видеосигналов, полученных при приеме от световых меток O и O на эталоне толщиной - t передаются через последовательно соединенные выходы ПЗС-линеек 17, 18 усилители 31 микроконтроллеры 26, 27 по интерфейсной линии связи через 2 и 3 входы-выходы в вычислитель 23, для расчета калибровочных коэффициентов k, k, смещений b, b, текущих расстояний от фотоэлектрических модулей до первой R=kn+b и второй R=kn+b стороны эталона толщины. Для определения базы толщиномера R в соответствии с соотношением R=R+R+t, где R, R, - расстояния от модулей до эталона, t - толщина эталона используется эталон с секторами, отличающихся по толщине, и который устанавливается для калибровки базы поворотами вокруг оси вала 11, механически связанного с двигателем 10 для измерения базы R в i-секторе.
Способ калибровки с помощью вышеописанного устройства выполняется в следующей последовательности: используя штифтованные резьбовые соединения 3, 4 (фиг.1), калибровочное устройство 1 соединяют с толщиномером.
1i
2i
1i
2i
1i
1i
2i
2s
1
1
2
2
1i
1
1i
1
2i
2i
2
На клавиатуре 24 инициализируется режим калибровки толщиномера (фиг.3). В соответствии с протоколом обмена, по интерфейсной линии связи (фиг.2) между первыми входами-выходами вычислителя 23 и платы управления 9 эталон 12 устанавливается в положение 28, на границе зоны измерения, и по командам вычислителя 23 эталон 12 смещается с шагом - δ к другой 29 границе зоны измерения. Каждый i шаг эталона соответствует предварительно аттестованному расстоянию от фотоэлектрического модуля 7 R до одной из сторон эталона и фотоэлектрического модуля 8 до второй стороны эталона R. Алгоритм калибровки фотоэлектрических модулей приведен на фиг.4. На каждом шаге расположенные в фотоэлектрических модулях 7 и 8 микроконтроллеры 26, 27 определяют номера элементов, соответствующие максимуму видеосигнала (n), (n). Для повышения достоверности результатов количество замеров при определении номеров элементов для каждого положения эталона в зоне измерения повторяется N раз. После окончания перемещения эталона до границы зоны измерения 29 градуировочные характеристики первого (R, n) фотоэлектрического модуля, а затем второго (R, n) запоминаются вычислительным устройством 23 и используются для расчетов коэффициентов k b, k, b, и текущих расстояний до первой R=kn+b и второй R=k+b стороны эталонов или контролируемых объектов. Алгоритмы калибровки фотоэлектрических модулей (фиг.3) выполняются перед калибровкой базы толщиномера.
0
0
1i
2i
Алгоритм калибровки базы толщиномера R - расстояние между фотоэлектрическими модулями, которое используется при вычислении толщины как t=R-R-R, приведен на фиг.5.
0
0
m
max
min
0
m+1
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>L</mi><mi>M</mi></mrow></mfrac><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>L</mi></munderover><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Для калибровки базы толщиномера R используется эталон, который состоит из m секторов различной толщины. Для измерения R устанавливается сектор эталона t с минимальной толщиной, который последовательно занимает L положений в зоне измерения Δ=R-R. Для дальнейшей калибровки R базы эталон разворачивается и устанавливается сектор с толщиной t. По окончании L-циклов измерений по смещению эталона в зоне измерения Δ и M циклов измерений по толщинам, имеющихся эталонов база толщиномера, рассчитывается как
.
1i
2i
0
Использование вышеизложенных изобретений позволит повысить точность измерений толщины в произвольной точке зоны измерения, так как измеряются текущие расстояния R и R до каждой стороны объекта контроля, кроме того, контролируется база толщиномера R, что позволяет компенсировать механические и температурные воздействия на толщиномер.