СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
CALIBRATION METHOD OF MEASUREMENT SYSTEM

Настоящее изобретение относится к способу калибровки измерительной системы.
Обычно для правильной работы датчиков их подвергают калибровке. Для калибровки датчиков используют калибровочные среды, которые обладают строго определенными, постоянными заданными свойствами. Наличие у калибровочных сред таких свойств позволяет калибровать датчики, поскольку известные свойства калибровочных сред должны приводить к формированию датчиками определенных ожидаемых измерительных сигналов. Благодаря этому можно выявлять и учитывать при измерениях погрешности измерений, обусловленные, например, особенностями процесса изготовления датчиков, их старением, загрязнением и иными причинами. Для этого в режиме калибровки определяют, имеет ли место расхождение между измерительными сигналами датчиков и измерительными сигналами, ожидаемыми исходя из свойств используемой калибровочной среды. Величиной выявленных расхождений определяются необходимые для их компенсации настройки датчика. С этой целью можно, например, определять поправочные коэффициенты, на которые для компенсации погрешностей при последующих измерениях в рабочем режиме корректируются измерительные сигналы датчиков. При корректировке можно также изменять интенсивность возбуждающего источника, например источника освещения, до тех пор, пока измерительные сигналы датчика не станут соответствовать ожидаемым значениям. Интенсивность возбуждающего источника сохраняют на измененном уровне и затем используют при измерениях датчиком, компенсируя таким путем выявленные погрешности измерений.
С особыми сложностями приходится сталкиваться при предъявлении высоких требований к калибровке тех датчиков, которые предназначены для выполнения особо чувствительных измерений, например для распознавания ценных документов, называемых ниже банкнотами, при проверке которых необходимо устанавливать их тип (валюта, номинал), проверять их подлинность, определять их состояние (степень загрязнения, повреждение) и иные параметры. В подобных случаях необходима высокоточная калибровка датчиков, поскольку должны полностью исключаться неверные результаты анализа банкнот вследствие искаженных измерительных сигналов датчиков. В этом отношении применение высококачественных калибровочных сред со стандартизованными эталонами, так называемыми образцовыми мерами, оказалось проблематичным по различным причинам.
Из WO 2006/025846 А1 известен самокалибрующийся оптический датчик с оптической системой, в котором используется интегрированная в его корпус высококачественная калибровочная среда со стандартизованным эталоном белого цвета. В режиме калибровки калибровочная среда со стандартизованным эталоном белого цвета поворачивается механическим устройством в корпусе датчика в положение, в котором она оказывается на траектории лучей в оптической системе. Благодаря определенным оптическим свойствам стандартизованного эталона белого цвета в любое время возможна самокалибровка оптического датчика. Для перехода в рабочий режим и проведения измерений по определению, например, свойств фармацевтических продуктов калибровочная среда поворачивается механическим устройством в положение, в котором она находится вне траектории лучей в оптической системе датчика.
Однако известный из WO 2006/025846 А1 самокалибрующийся оптический датчик обладает тем недостатком, что в нем для возможности его самокалибровки в любой требуемый момент необходимо использовать высококачественную калибровочную среду со стандартизованным эталоном белого цвета. Применение стандартизованного эталона белого цвета, во-первых, связано с тем недостатком, что подобный стандартизованный эталон белого цвета необходимо использовать в каждом калибруемом оптическом датчике, однако такие стандартизованные эталоны для калибровки имеют высокую стоимость. Обусловлено это необходимостью точного измерения свойств стандартизованных эталонов, поскольку обязательным условием для самокалибровки является как раз наличие у эталонов требуемых свойств. Во-вторых, несмотря на относительно защищенное размещение стандартизованного эталона не исключена возможность обусловленного, например, старением изменения его свойств. В этом случае надежная самокалибровка оптического датчика становится более невозможной.
Помимо этого из-за размещения калибровочной среды со стандартизованным эталоном белого цвета в корпусе датчика и поворота калибровочной среды в его корпусе в положение, в котором она оказывается на траектории лучей в оптической системе калибруемого датчика, всегда имеет место несоответствие между положением калибровочной среды и положением собственно того места, в котором датчиком выполняются измерения и которое расположено вне его корпуса. Эта проблема дополнительно усугубляется в том случае, когда датчики, соответственно используемый в сочетании с ними источник освещения, должны, соответственно должен, охватывать сравнительно большие строчные или плоские участки, вследствие чего датчики выполняют в виде, например, строчной камеры. Подобные датчики имеют множество элементов, которые расположены в ряд с образованием, например, строчного датчика, соответственно его источника освещения требуемой длины. Обычно такие датчики, соответственно источники освещения, оснащены, кроме того, системами формирования оптического изображения. В подобных случаях, во-первых, целесообразно располагать возможностью калибровки всех образующих датчик элементов, а, во-вторых, при калибровке известным способом возникает нерезкость, поскольку калибровочная среда располагается вне фокальной зоны датчика, в которой в рабочем режиме выполняются измерения по определению свойств анализируемых объектов, например банкнот.
Исходя из рассмотренного выше уровня техники, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ калибровки измерительной системы, который при меньших затратах обеспечивал бы возможность точной и долговременно стабильной калибровки.
Указанная задача решается с помощью отличительных признаков, представленных в п.1 формулы изобретения. Различные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В изобретении предлагается способ калибровки измерительной системы, имеющей рабочий режим для проверки анализируемых объектов, прежде всего банкнот, и режим ее калибровки, заключающийся в том, что на первой стадии калибровки в фокальную зону (фокальную плоскость) измерительной системы помещают не зависящую от нее первую калибровочную среду со стандартизованным эталоном, перекрывающую всю зону действия измерительной системы, в этой зоне в рабочем режиме находится конкретно проверяемый анализируемый объект, при этом возбуждающий источник измерительной системы возбуждает первую калибровочную среду возбуждающим сигналом, сформированный в ответ на который стандартизованным эталоном первой калибровочной среды сигнал воспринимается по меньшей мере одним датчиком измерительной системы с формированием им измерительного сигнала, на основании которого выполняется регулировка или настройка измерительной системы, а на второй стадии калибровки, которую выполняют непосредственно после первой стадии калибровки, в то место на траектории лучей в измерительной системе, которое смещено на некоторое расстояние от фокальной зоны измерительной системы, помещают вторую калибровочную среду с нестандартизованным эталоном, которая является компонентом измерительной системы и которая перекрывает всю зону ее действия, при этом возбуждающий источник измерительной системы возбуждает вторую калибровочную среду возбуждающим сигналом, сформированный в ответ на который эталоном второй калибровочной среды сигнал воспринимается датчиком с формированием им измерительного сигнала, который сохраняют в памяти, а также в том, что в режиме калибровки в то место на траектории лучей в измерительной системе, которое смещено на указанное расстояние от фокальной зоны измерительной системы, вновь помещают вторую калибровочную среду, которая перекрывает всю зону действия измерительной системы, при этом возбуждающий источник измерительной системы возбуждает вторую калибровочную среду возбуждающим сигналом, сформированный в ответ на который эталоном второй калибровочной среды сигнал воспринимается датчиком с формированием им измерительного сигнала, который сравнивают с сохраненным в памяти измерительным сигналом, сформированным на второй стадии калибровки, и при наличии расхождения между измерительным сигналом, сформированным в режиме калибровки, и сохраненным в памяти измерительным сигналом, сформированным на второй стадии калибровки, выполняют регулировку измерительной системы.
Преимущество предлагаемого в изобретении способа состоит в том, что для возможности требуемой калибровки необходимо использовать только одну высококачественную калибровочную среду со стандартизованным эталоном. Такая высококачественная калибровочная среда должна использоваться лишь однократно, например, при изготовлении или ремонте калибруемой измерительной системы. Поскольку подобную высококачественную калибровочную среду можно использовать для всех измерительных систем, обеспечивается, кроме того, единообразная калибровка всех измерительных систем одного типа, которые тем самым выдают сравнимые измерительные сигналы для определенного анализируемого объекта.
Для калибровки измерительной системы при ее нормальной работе можно использовать недорогую калибровочную среду с нестандартизованным эталоном. Связанное с этим существенное преимущество состоит в том, что высококачественная калибровочная среда со стандартизованным эталоном ни при каких условиях не подвергается влиянию вредных внешних факторов в процессе эксплуатации измерительной системы, а происходящие в процессе ее эксплуатации изменения свойств недорогой калибровочной среды с нестандартизованным эталоном учитываются при калибровке. Благодаря этому обеспечивается возможность долговременно стабильной калибровки измерительной системы. Помимо этого при осуществлении предлагаемого в изобретении способа учитывается расположение второй калибровочной среды в месте, отличном от собственно места, в котором измерительной системой выполняются измерения, благодаря чему удается существенно повысить точность калибровки измерительной системы с охватом, кроме того, всей зоны ее действия.
Другие варианты осуществления изобретения и его преимущества более подробно рассмотрены в последующем описании со ссылкой на прилагаемые к нему чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематичный вид измерительной системы, поясняющий ее принципиальное устройство, с калибровочными средами при выполнении первой стадии калибровки и
на фиг.2 - схематичный вид изображенной на фиг.1 измерительной системы при выполнении второй стадии калибровки, соответственно в режиме калибровки.
На фиг.1 приведен схематичный вид измерительной системы, поясняющий ее принципиальное устройство, с калибровочными средами при выполнении первой стадии калибровки. На фиг.1а измерительная система показана в разрезе перпендикулярной ее продольной оси плоскостью, а на фиг.1б - в разрезе параллельной ее продольной оси и обозначенной на фиг.1а плоскостью А-А.
Измерительная система имеет корпус 1, в котором расположены по меньшей мере один датчик 3 и по меньшей мере один возбуждающий источник 4. В рассматриваемом примере датчик 3 представляет собой строчную камеру, образуемую несколькими расположенными в ряд детекторами, например фотодиодами, или элементом на приборах с зарядовой связью (ПЗС-элементом). Равным образом можно также располагать параллельно друг другу две или более строчных камер. Возбуждающий источник 4 также представляет собой строчный источник освещения, который может быть образован, например, несколькими расположенными в ряд элементами, такими как светодиоды. Источник 4 освещения может излучать, например, белый свет, однако он может также испускать оптическое излучение в определенной спектральной области, например в инфракрасной, красной, зеленой, синей, ультрафиолетовой или иной спектральной области. В корпусе 1 предусмотрено окошко 2, прозрачное для света, излучаемого источником 4 освещения, и света, отраженного обратно в сторону датчика 3. Корпус 1 может быть выполнен пыленепроницаемым во избежание загрязнения датчика 3, соответственно источника 4 освещения. Датчик 3, а также источник 4 освещения соединены с управляющим устройством 8, которое управляет датчиком 3, а также источником 4 освещения и которое обрабатывает сигналы датчика 3. Управляющее устройство 8 может быть образовано, например, микропроцессором или цифровым процессором сигналов, который может иметь энергозависимую оперативную память, а также энергонезависимую память для хранения программного обеспечения и необходимых для работы параметров.

При выполнении проиллюстрированной на фиг.1а первой стадии калибровки в зону действия измерительной системы помещают первую калибровочную среду 10. Первая калибровочная среда 10 может помещаться в зону действия измерительной системы, например, оператором или же транспортировочной системой, которая, например, является компонентом машины для обработки банкнот, в которую встроена измерительная система и в которой она используется для проверки банкнот. Первую калибровочную среду 10 помещают при этом в положение, в котором она находится в фокальной зоне измерительной системы, т.е. в том месте, где в рабочем режиме находятся также анализируемые объекты, например банкноты в машине для их обработки. Первая калибровочная среда 10 имеет при этом такие размеры, что она перекрывает всю зону действия измерительной системы. Первая калибровочная среда, таким образом, прежде всего имеет такую длину, которая соответствует длине датчика 3, как это показано, например, на фиг.16, или длине его оптической зоны действия. Первую калибровочную среду 10 предпочтительно выполнять столь больших размеров, чтобы она перекрывала все окошко 2. Благодаря этому удается избежать отрицательного влияния внешних помех на калибровку, выполняемую с использованием первой калибровочной среды 10. Первая калибровочная среда 10 имеет высококачественный, стандартизованный эталон, прежде всего стандартизованный эталон белого цвета. В качестве стандартизованного эталона белого цвета можно использовать, например, материал Spectralon.
На первой стадии калибровки, выполняемой под управлением управляющего устройства 8, первая калибровочная среда 10 освещается источником 4 освещения, отраженный от которой свет воспринимается датчиком 3. Измерительные сигналы датчика 3, характеризующие, например, интенсивность отраженного от первой калибровочной среды 10 света, анализируются управляющим устройством 8. На основании результатов анализа первой калибровочной среды 10 со стандартизованным эталоном белого цвета и его точно определенных тем самым свойств можно выполнять регулировку измерительной системы, если измеренные датчиком 3 показатели интенсивности не соответствуют показателям интенсивности, ожидаемым исходя из известных свойств используемой первой калибровочной среды 10. Поскольку первая калибровочная среда 10 перекрывает весь датчик 3, для всех образующих его детекторов формируются измерительные сигналы, обеспечивающие возможность калибровки каждого из детекторов. Для регулировки измерительной системы можно, например, вычислять поправочные коэффициенты, которые компенсируют погрешности, выявленные при калибровке измерительной системы с использованием первой калибровочной среды 10. Такие поправочные коэффициенты сохраняются в энергонезависимой памяти управляющего устройства 8 и используются при последующих измерениях для формирования измерительных сигналов. Можно также предусмотреть изменение интенсивности источника 4 освещения соответственно составляющих его отдельных элементов управляющим устройством 8 до полной компенсации имеющихся при измерении погрешностей. При этом определенные параметры для источника 4 освещения также сохраняются в энергонезависимой памяти управляющего устройства 8 для использования при последующих измерениях. Равным образом можно одновременно определять поправочные коэффициенты для измерительных сигналов и измененные показатели интенсивности источника 4 освещения для возможности компенсации имеющихся погрешностей. В конце первой стадии калибровки можно, кроме того, сохранять в памяти измерительные сигналы датчика 3 соответственно отдельных детекторов для использования при последующих сравнениях.
В предпочтительном варианте предусмотрено лишь однократное выполнение первой стадии калибровки, например, при изготовлении измерительной системы или после ее ремонта, благодаря чему калибровочную среду со стандартизованным эталоном белого цвета требуется предусматривать только для первой стадии калибровки.
Непосредственно по завершении первой стадии калибровки выполняют вторую стадию калибровки измерительной системы, отрегулированной на первой стадии калибровки. Для этого в корпусе 1 имеется вторая калибровочная среда 6, которая имеет эталон с также определенными свойствами, например эталон белого цвета. Однако, о чем более подробно сказано ниже, можно отказаться от применения в измерительной системе стандартизованного и поэтому дорогостоящего эталона в качестве компонента второй калибровочной среды 6.
Для выполнения второй стадии калибровки вторую калибровочную среду 6 помещают, как это обозначено стрелкой на фиг.1а, в положение, в котором она оказывается на траектории лучей, отражаемых в сторону датчика 3. Для этого вторую калибровочную среду можно, как показано на чертеже, помещать в требуемое положение путем ее вращения или поворота. Однако вторую калибровочную среду 6 можно помещать в положение, в котором она находится на траектории лучей, отражаемых в сторону датчика 3, и иным путем, например путем шарнирного поворота, сдвигания и т.д.
Как показано на фиг.1б и 2б, вторая калибровочная среда 6 закреплена на оси 7, снабженной приводом 5, которым управляет управляющее устройство 8. Вторая калибровочная среда 6 под управлением управляющего устройства 8 помещается приводом 5 и осью 7 в положение, в котором эта вторая калибровочная среда находится на траектории лучей. Как показано на фиг.2а, вторая калибровочная среда 6 устанавливается в положение непосредственно перед окошком 2 в корпусе 1. Вторая калибровочная среда 6 также перекрывает всю зону действия датчика 3 (фиг.2б), благодаря чему обеспечивается возможность калибровки всех образующих его детекторов. Вторую калибровочную среду 6 предпочтительно выполнять таких размеров, чтобы она перекрывала все окошко 2. Благодаря этому удается избежать отрицательного влияния внешних помех на калибровку, выполняемую с использованием второй калибровочной среды 6.
Вторая калибровочная среда 6 имеет эталон белого цвета со свойствами, которые в принципе соответствуют свойствам стандартизованного эталона белого цвета, который имеет первая калибровочная среда 10. Однако в отличие от эталона белого цвета, который имеет первая калибровочная среда 10, эталон белого цвета, который имеет вторая калибровочная среда 6, не стандартизован. Вторая калибровочная среда 6 равным образом может иметь эталон со свойствами, которые по меньшей мере аналогичны свойствам эталона первой калибровочной среды 10. При использовании эталона белого цвета в качестве эталона первой калибровочной среды 10 для второй калибровочной среды 6 можно, например, использовать эталон, который является белым или относительно светлым. В идеальном случае эталон второй калибровочной среды 6 должен обладать стойкими к старению свойствами. В качестве эталона для второй калибровочной среды 6 можно использовать, например, эмиссионную бумагу для печатания банкнот.
На второй стадии калибровки вторая калибровочная среда 6, соответственно ее эталон белого цвета освещается источником 4 освещения. В том случае, когда, как указано выше в описании первой стадии калибровки, интенсивность источника 4 освещения была изменена в целях регулировки, интенсивность источника освещения настраивают на такую измененную интенсивность. Отраженный от второй калибровочной среды 6 свет воспринимается датчиком 3, соответственно составляющими его отдельными детекторами, и преобразуется в соответствующие измерительные сигналы, характеризующие, например, интенсивность отраженного от второй калибровочной среды 6 света. В том случае, если на описанной выше первой стадии калибровки вычислялись и сохранялись в памяти поправочные коэффициенты, они используются управляющим устройством 8 при формировании измерительных сигналов. Измерительные сигналы, сформированные датчиком 3, соответственно составляющими его отдельными детекторами при восприятии им, соответственно ими отраженного от второй калибровочной среды 6 света, сохраняются управляющим устройством 8 в его энергонезависимой памяти в конце второй стадии калибровки.
Измерительные сигналы, сформированные на второй стадии калибровки, при любых условиях отличны от измерительных сигналов, сформированных на первой стадии калибровки, поскольку в них, с одной стороны, проявляется тот факт, что на второй стадии калибровки используется не первая калибровочная среда 10 со стандартизованным эталоном белого цвета. С другой стороны, явно обращает на себя внимание и тот факт, что при измерении вторая калибровочная среда 6 в отличие от обозначенной на фиг.2а штриховой линией первой калибровочной среды 10 находится не вне корпуса 1 в фокальной зоне датчика 3, а в корпусе 1 со смещением внутрь него на расстояние d и тем самым со смещением на это же расстояние d от фокальной зоны измерительной системы, соответственно датчика 3 и/или источника 4 освещения. Поскольку вторую стадию калибровки выполняют непосредственно после первой стадии калибровки, измерительные сигналы, сформированные на второй стадии калибровки, составляют основу для последующих калибровок и регулировок измерительной системы, соответственно датчика 3 и/или источника 4 освещения в процессе их нормальной работы. Тем самым оказывающие отрицательное влияние отклонения не стандартизованных свойств второй калибровочной среды 6 от стандартизованных свойств первой калибровочной среды, а также оказывающее отрицательное влияние смещение второй калибровочной среды 6 на расстояние d от фокальной зоны датчика 3, соответственно источника 4 освещения, автоматически учитываются на второй стадии калибровки и поэтому автоматически учитываются также при последующих калибровках, выполняемых с использованием второй калибровочной среды 6, соответственно ее эталона, и не могут отрицательно влиять на процесс калибровки. Кроме того, по этой же причине и обусловленные, например, старением изменения свойств второй калибровочной среды 6 не могут оказывать отрицательного влияния на последующие процессы калибровки, поскольку такие изменения всегда приводят к формированию измененных измерительных сигналов, компенсируемых при калибровке.
Для перехода на рабочий режим вторая калибровочная среда 6 под управлением управляющего устройства 8 удаляется приводом 5 в положение вне траектории лучей, отражаемых в сторону датчика 3, соответственно излучаемых источником 4 освещения. Затем в рабочем режиме на место показанной на фиг.1а первой калибровочной среды 10 помещаются анализируемые объекты, например банкноты. Для этого может использоваться, например, транспортировочная система машины для обработки банкнот, в которой для их проверки используется измерительная система. При обработке измерительных сигналов датчика 3 управляющим устройством 8 для проверки банкнот в рабочем режиме используются описанные выше поправочные коэффициенты и/или измененная интенсивность источника 4 освещения.
В одном из вариантов можно предусмотреть повторную калибровку и регулировку измерительной системы, соответственно датчика 3 и/или источника освещения в режиме калибровки, выполняемую по истечении заданных периодов времени использования измерительной системы или при включении измерительной системы, соответственно оснащенной ею машины для обработки банкнот. С этой целью так же, как и при выполнении описанной выше второй стадии калибровки, вторая калибровочная среда 6 помещается приводом 5 в положение, в котором она находится на траектории лучей, идущих в сторону датчика 3 и/или от источника 4 освещения. Сформированные при повторной калибровке измерительные сигналы датчика 3, соответственно составляющих его отдельных детекторов сравниваются с сохраненными в энергонезависимой памяти управляющего устройства 8 измерительными сигналами, сформированными на второй стадии калибровки. При выявлении расхождений между одними и другими измерительными сигналами измерительную систему, т.е. датчик 3 и/или источник 4 освещения, регулируют таким же образом, что и при выполнении описанной выше первой стадии калибровки. С этой целью вычисляют поправочные коэффициенты для устранения расхождений между измерительными сигналами и/или изменяют интенсивность источника 4 освещения, соответственно составляющих его отдельных элементов. Поправочные коэффициенты, соответственно измененное значение интенсивности источника 4 освещения, сохраняются в энергонезависимой памяти управляющего устройства 8 и в последующем используются в рабочем режиме, для перехода на который вторая калибровочная среда 6 вновь помещается приводом 5 под управлением управляющего устройства 8 в положение вне траектории лучей, идущих в сторону датчика 3.
Помимо этого выявленные при повторной калибровке расхождения между сформированными при ее выполнении измерительными сигналами и сохраненными в энергонезависимой памяти управляющего устройства 8 измерительными сигналами, сформированными на второй стадии калибровки, позволяют получить информацию об определенных дрейфовых явлениях в измерительной системе, т.е. об обусловленных старением, загрязнением и иными факторами изменениях характеристик датчика 3, источника 4 освещения, второй калибровочной среды 6 и иных элементов измерительной системы.
В описанном выше варианте рассмотрен измеряющий отражаемое излучение датчик 3 с относящимся к нему источником 4 освещения. Очевидно, однако, что калибровать можно также измеряющий проходящее излучение датчик с расположенным напротив него вне корпуса 1 источником освещения. Для калибровки такого датчика необходимо соответствующим образом выбирать калибровочные среды 6, 10, которые прежде всего должны быть прозрачными по меньшей мере для части света, излучаемого источником 4 освещения. Очевидно, что наряду с описанными выше оптическими датчиками предлагаемым в изобретении способом можно калибровать и другие датчики при условии выбора калибровочных сред 6, 10 с соответствующими, специфическими для калибруемого датчика свойствами.
В приведенном выше описании в качестве примера рассмотрена возможность регулировки или настройки измерительной системы на основании выявленных при калибровке расхождений с использованием поправочных коэффициентов и/или путем изменения интенсивности возбуждающего источника. Однако регулировку измерительной системы, т.е. устранение выявленных расхождений, можно выполнять и иными путями. Так, например, в этих целях можно изменять коэффициенты усиления, с которыми работают усилители, которыми для последующей обработки усиливаются измерительные сигналы от датчика, соответственно от составляющих его отдельных детекторов.