ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ
LASER POSITIONER FOR X-RAY EMITTER

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и изделий с использованием рентгеновского излучения и может быть применено для контроля объектов авиакосмической техники и других отраслей машиностроения радиационным методом.
Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером с двухсторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей лазера и рентгеновского пучка лучей, средство индикации расстояния от объекта до рентгеновского излучателя в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, второй отражатель, установленный на оси лазера за его вторым излучающим торцом перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка под постоянным углом α=arctg(10) к оси лазера с возможностью поступательного перемещения вдоль этой оси [1].
Недостатки данного устройства - сильная зависимость видимости лазерного пятна на объекте от интенсивности солнечной засветки при визуальном наблюдении, отсутствие визуализации на объекте зоны, просвечиваемой рентгеновским излучением, субъективность процесса считывания отсчета по шкале дистанций.
Кроме того, размещение шкалы в корпусе в зоне комфортного наблюдения достаточно сложно, а раздельное наблюдение объекта и шкалы с постоянным переключением измерения ухудшает эргономические характеристики центратора.
Цель изобретения - устранение этих недостатков.
1
min
max
min
max
min
2
2
o
β
Для этого в лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером с двухсторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, первый отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей лазера и рентгеновского пучка лучей, средство индикации расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, второй отражатель, установленный на оси лазера за его вторым излучающим торцом перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка под постоянным углом α=arctg(10) к оси лазера с возможностью поступательного перемещения вдоль этой оси, при этом первый отражатель выполнен полупрозрачным, дополнительно введены третий отражатель из оргстекла, выполненный полупрозрачным и установленный на оси рентгеновского пучка между рентгеновским излучателем и первым отражателем перпендикулярно плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков, телевизионная система, состоящая из монитора и телекамеры, включающей объектив с фокусным расстоянием f' и ПЗС-матрицу размером Н×Н, телекамера, расположенная перед третьим отражателем, оптическая ось объектива телекамеры параллельна оси лазера, расположена в плоскости, определяемой осями лазерного и рентгеновского пучков, и проходит через точку пересечения третьего отражателя с осью рентгеновского пучка, четвертый отражатель, плоскость которого параллельна плоскости третьего отражателя, устанавливаемый на оси объектива телекамеры на расстоянии B=Q+R+S от точки пересечения третьего отражателя с осью рентгеновского пучка, где Q=0,1L, R=0,1ΔL, S - расстояние от центра второго отражателя до центра дисплея цифрового отсчетного устройства средства индикации расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, ΔL=L-L, L и L - соответственно максимальное и минимальное расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, коллиматорный объектив с фокусным расстоянием f', ось которого проходит через центр четвертого отражателя параллельно оси рентгеновского пучка и перпендикулярно плоскости дисплея цифрового отсчетного устройства средства индикации расстояний от объекта до рентгеновского излучателя, светодиоды для подсветки этого дисплея, располагаемого на периферической зоне поля зрения объектива телекамеры, фокусное расстояние коллиматорного объектива, определяемое из соотношения , где h - размер дисплея цифрового отсчетного устройства средства индикации расстояний от объекта до рентгеновского излучателя, кольцевая структура из М микролазеров, расположенная между первым отражателем и лазером симметрично относительно оси лазерного пучка, оси микролазеров наклонены под углом / к оси лазера, равного углу расхождения рентгеновского пучка, и пересекают ось лазера в точке, расположенной на расстоянии А от центра первого отражателя, равного расстоянию от этого центра до фокуса рентгеновской трубки рентгеновского излучателя, кольцевая структура микролазеров, формирующих на объекте систему расположенных по окружности лазерных пятен, расположение и диаметр которой определяет размер и положение на объекте зоны, просвечиваемой рентгеновским излучением, диаметр кольцевой структуры микролазеров определяется соотношением D≥2Md, где М - число микролазеров, d - их диаметр, а расстояние от нее до точки пересечения осей микролазеров с осью лазера с двойным выходом излучения определяется выражением  перед объективом телекамеры установлен селективный светофильтр 15, максимум спектрального пропускания которого совпадает с длиной излучения лазера с двойным выходом излучения и микролазеров, на экране монитора телевизионной шкалы одновременно формируются изображения объекта с системой лазерных пятен, необходимых для наведения центратора на нужную зону контроля и измерения расстояния до объекта, которое определяется по формуле ,
min
где L - минимальное для данного центратора измеряемое расстояние до объекта, N - целочисленное значение показаний цифрового дисплея средства индикации расстояний от объекта до рентгеновского излучателя.
Схема устройства приведена на фиг.1-3
0
Лазерный центратор содержит рентгеновский излучатель 1, к которому крепится корпус 2, в котором расположены первый полупрозрачный отражатель 3, лазер 4 с двухсторонним выходом излучения, второй отражатель 5, закрепленный на подвижном элементе 6 цифрового отсчетного устройства средства индикации расстояний от объекта до рентгеновского излучателя с дисплеем 7. Второй отражатель 5 может поступательно перемещаться вдоль оси лазера 4, перпендикулярно оси рентгеновского пучка, расположенной от продольной оси рентгеновского излучателя на расстоянии А, причем он наклонен к оси лазера под постоянным углом α=arctg(10), (т.е. α=84°20'). Между лазером 4 и первым отражателем 3 установлена на расстоянии D=A+t от центра первого отражателя симметрично относительно оси лазера 4 кольцевая структура микролазеров 13 диаметром D, в которой расположено М (М=8÷16) микролазеров диаметром d, угол наклона оси каждого из которых к оси лазера равен β, т.е. половине угла раскрытия конического пучка.
На оси рентгеновского пучка установлен третий полупрозрачный отражатель 8 из оргстекла между рентгеновским излучателем и первым отражателем 3. Он установлен под углом 45° к этой оси в плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной осями рентгеновского пучка и лазера 4.
1
Телекамера, включающая объектив 9 с фокусным расстоянием f' и ПЗС-матрицу 10 размером Н×Н, установленную так, что ось ее объектива 9 параллельна оси лазера 4 и проходит через центр третьего отражателя (т.е. точку его пересечения с осью рентгеновского пучка) в плоскости расположения осей лазера и рентгеновского пучка.
Телевизионный монитор 14 предназначен для наблюдения изображений объекта 17, формируемых телекамерой.
На оси объектива 9 телекамеры на расстоянии В от центра третьего отражателя установлен под углом 45° к этой оси четвертый отражатель 11, плоскость которого параллельна плоскости третьего отражателя.
2
max
min
min
min
max
min
max
min
На оси, проходящей через центр четвертого отражателя, перпендикулярно к ней в плоскости, образованной осями лазера пучка и рентгеновского излучения, установлен коллиматорный объектив 12 с фокусным расстоянием f', в фокальной плоскости которого расположен на краю его поля зрения дисплей 7 отсчетного устройства средства индикации размером h×h. Перед объективом 9 установлен селективный фильтр 15 для контрастирования изображений лазерных пятен. Дисплей отсчетного устройства неподвижно закреплен на корпусе 2 центратора. Подвижный элемент этого устройства 6 с установленным на нем вторым отражателем 5 перемещается с помощью ручного и/или иного привода поступательно (привод не показан). Расстояние между крайними положениями отражателя 5 равно R, а расстояние от начального положения отражателя 5 до оси объектива коллиматора 8 равно S и определяется конструктивными параметрами конкретного отсчетного устройства, например цифрового штангенциркуля. Величина R перемещения второго отражателя 5 определяется диапазоном измеряемых расстояний от объекта до рентгеновского излучателя L и L. Расстояние Q от центра первого отражателя до крайнего положения второго отражателя 5 также зависит от этих величин и принятого значения угла α наклона второго отражателя оси лазера. Для α=arctg(10), Q=L/tgα=0,1·L, R=L/10-L/10=0,1(L-L)=0,1ΔL.
min
max
Например, для распространенного диапазона измерений L=3 м и L=5 м имеем Q=0,3 м и R=0,2 м величина С=50 мм использовалась в пилотном образце.
Лазерный центратор работает следующим образом. На экране телевизионного монитора оператор наблюдает картину, показанную на фиг.3. На экране видна кольцевая структура лазерных пятен, равная диметру зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением, неподвижное лазерное пятно в центре этой зоны и второе пятно, положение которого на экране зависит от положения второго отражателя, т.е. расстояния до объекта. На экран монитора выводится также изображение дисплея отсчетного устройства 7, подсвеченного светодиодами 16.
Оператор перемещает второй отражатель до слияния изображения центрального и подвижного (измерительного) пятен и снимает отсчет с цифрового дисплея.
Расстояние L от объекта до рентгеновского излучения определяется из соотношения , где N - целочисленное значение показаний дисплея цифрового отсчетного устройства.
min
Например, на фиг.3 на дисплее имеется отсчет 135,0. Значение L=3 м и определяется из паспорта конкретного центратора. Окончательно имеем L=3+1,35=4,35. Т.е. точность отсчета по сравнению с аналогом (патент РФ 1229), в котором применена стандартная линейная шкала с ценой деления 1,0 мм, повышена в 10 раз (!), а также исключена субъективность.
2
1
Коллиматорный объектив 12 необходим для обеспечения масштаба изображения дисплея цифрового отсчетного устройства, при котором обеспечивается надежное считывание результата. Экспериментально установлено [2], что для этого отношение размеров изображения дисплея и ПЗС-матрицы должно быть не менее H/h≥10, т.к. масштаб изображения для телецентрической системы (с параллельным ходом лучей между объективами телекамеры и коллиматором) равен m=f'/f', имеем окончательно , где h - размер дисплея, Н - размер ПЗС-матрицы.
1
2
Например, для характерных значений Н=10 мм, f'=10 мм, h=10 мм, имеем f'≥100 мм. При этом, очевидно, размер изображения цифр на ПЗС-матрице равен 1,0 мм, т.е 0,1Н, что и необходимо для реальной конструкции.
Для подстветки дисплея цифрового отсчетного устройства применимы светодиоды 16.
Применение телецентрической оптической системы позволяет также обеспечить резкое изображение дисплея и объекта, находящихся на разных расстояниях от телекамеры, т.е. ее объектов всегда работает в режиме фокусировки «на бесконечность», т.е. на удаленный объект.
Литература
1. Патент РФ 2251229.
2. Справочник конструктора оптико-механических приборов. М.: Машиностроение, 1986, 680 с.