Триангуляційний датчик переміщення, що використовує інфрачервоне лазерне випромінювання

Реферат: Триангуляційний датчик переміщення, що використовує інфрачервоне лазерне випромінювання містить джерело інфрачервоного лазерного випромінювання, приймальну оптичну систему, що містить лінзу та координатно-чутливий детектор, і процесор. До складу приймальної оптичної системи входить також перетворювач оптичного сигналу середньої або далекої інфрачервоної області спектра в оптичний сигнал видимої та ближньої інфрачервоної області спектра, який включає термохромний елемент, джерело випромінювання видимої та ближньої інфрачервоної області спектра для освітлення термохромного елемента з метою виявлення зони зміненого спектра поглинання на термохромному елементі та визначення її положення, а також засіб керування часом взаємодії інфрачервоного лазерного випромінювання з термохромним елементом. UA 99538 U (54) ТРИАНГУЛЯЦІЙНИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМІЩЕННЯ, ЩО ВИКОРИСТОВУЄ ІНФРАЧЕРВОНЕ ЛАЗЕРНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ UA 99538 U UA 99538 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до безконтактних датчиків переміщення твердих тіл. Може використовуватись в системах керування процесом обробки деталей з неплоскими поверхнями в лазерних технологічних установках (в тому числі з лазерами на діоксиді вуглецю) для визначення зміни відстані між лінзою, яка фокусує лазерне випромінювання на поверхню деталі і самою поверхнею. Аналогом і водночас прототипом корисної моделі може вважатися будь-який триангуляційний датчик переміщення [1,2], що використовує лазерне випромінювання видимої або ближньої інфрачервоної області спектра. Окрім джерела лазерного випромінювання вказаний датчик включає приймальну оптичну систему, що складається з позитивної лінзи (або об'єктива) та координатно-чутливого детектора, і процесор. Лінза призначена для утворення на чутливій поверхні координатно-чутливого детектора оптичного сигналу у вигляді плями лазерного випромінювання, що відбивається від поверхні тіла. Координатно-чутливий детектор призначений для перетворення оптичного сигналу в сигнал електричний, параметри якого дозволяють визначити положення плями на його чутливій поверхні. Процесор призначений для керування координатно-чутливим детектором, обробки електричного сигналу, визначення положення плями на чутливій поверхні і розрахунку переміщення тіла. На сьогоднішній день координатно-чутливі детектори для видимої та ближньої інфрачервоної області спектра за своїми характеристиками (чутливість, швидкодія, роздільна здатність, надійність, вартість та ін…) значно перевершують аналогічні пристрої для середньої та далекої інфрачервоної області спектра [2,3]. Тому при створенні триангуляціїних датчиків переміщень доцільно використовувати саме їх. В основу корисної моделі поставлена задача створення триангуляційного датчика переміщень, що використовує відбите від тіла інфрачервоне лазерне випромінювання, причому застосовує для цього координатно-чутливі детектори для видимої та ближньої інфрачервоної області спектра. Поставлена задача вирішується тим, що шляхом включення до складу приймальної оптичної системи перетворювача оптичного сигналу в середній та далекій інфрачервоній області спектра в оптичний сигнал у видимій або ближній інфрачервоній області спектра з аналогічними просторовими характеристиками. Перетворювач включає термохромний елемент плівкового типу, джерело випромінювання видимої та ближньої інфрачервоної області спектра та засіб керування часом експозиції термохромного елемента інфрачервоним лазерним випромінюванням, що відбивається від поверхні тіла. Термохромний елемент призначений для утворення на ділянці взаємодії інфрачервоного лазерного випромінюванням з термохромним матеріалом зони зміненого спектра поглинання в видимій та ближній інфрачервоної області спектра. Джерело випромінювання видимої та ближньої інфрачервоної області спектра призначено для освітлення термохромного елемента з метою виявлення за допомогою координатно-чутливого детектора зони зміненого спектра поглинання та визначення її положення. Технічним результатом корисної моделі є лазерний триангуляційний датчик, який може використовувати лазерне випромінювання в середній та далекій інфрачервоній області спектра. Корисна модель дозволяє відстежувати та корегувати відстань між фокусуючою лінзою і поверхнею деталі, як обробляється потужним інфрачервоним випромінюванням (зокрема, випромінюванням лазера на діоксиді вуглецю), а також забезпечувати вимірювання в умовах надмірного вмісту в атмосфері частинок дисперсної фази. Суть корисної моделі пояснює креслення. На Фіг.1 - склад та розташування компонентів триангуляційного датчика; на Фіг.2а та Фіг.2б варіанти оптичної приймальної системи; на Фіг.3 - знімки світлової зони фотохромного елемента при відсутності (зверху) та наявності (в середині) експозиції, а також різницеве зображення (знизу); на Фіг.4 - нормовані розподіли інтенсивності червоного кольору на різницевому зображенні при різних положеннях контрольованого тіла; на Фіг.5 - калібрувальна залежність. Структурно триангуляційний датчик, що заявляється, не відрізняється від аналогів (див. Фіг.1). До його складу входить лазер 1, який випромінює пучок інфрачервоного випромінювання 2, позитивна лінза 3, яка фокусує пучок 2 на поверхні контрольованого тіла 4, оптична приймальна система 5, яка перетворює відбите випромінювання 6 у сигнал, що містить інформацію про положення тіла 4, і процесор 7, який дану інформацію вилучає. Належність лазера 1 і лінзи 3 до складу триангуляційного датчика є умовним. Зокрема, при застосуванні датчика в лазерних технологічних установках лазер і лінза, які входять до цих установок, використовуються також як складові датчика. 1 UA 99538 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Оптична приймальна система 5, варіант якої показано на Фіг. 2а, включає позитивну лінзу (об'єктив) 8, координатно-чутливий детектор 9 для видимої та ближньої інфрачервоної області спектра, а також перетворювач оптичного сигналу в середній та далекій інфрачервоній області спектра в оптичний сигнал у видимій та ближній інфрачервоній області спектра. До складу перетворювача входять термохромний елемент 10, джерело випромінювання видимої та ближньої інфрачервоної області спектра 11, спектральний фільтр 12 і обтюратор 13. Лінза 8 призначена для утворення в площині зображення поверхні тіла 4, де розташовано термохромний елементі 10, оптичного сигналу у вигляді плями лазерного випромінювання 6. Термохромний елемент 10 являє собою шар термохромного матеріалу, який вкрито з обох сторін шарами прозорого матеріалу. Приклади придатних для застосування термохромних матеріалів наведені в [3, 4]. При взаємодії інфрачервоного лазерного випромінювання 6 з термохромним матеріалом виникає зона 14, де поглинання в значній ділянці видимої та ближньої інфрачервоної області спектра є значно більшим, ніж за її межами. Джерело випромінювання видимої та ближньої інфрачервоної області спектра 11 призначено для рівномірного освітлення термохромного елемента 10 з метою визначення за допомогою координатно-чутливого детектора 9 положення зони зміненого спектра поглинання 14 на термохромному елементі 10. Джерело 11 може являти собою одну або кілька ламп розжарювання, світлодіоди або світлодіодні матриці. Спектральний фільтр 12 призначений для виділення діапазону, на який припадає максимальне збільшення поглинання в зоні 14, з метою підвищення чутливості та співвідношення сигнал/шум. Координатно-чутливий детектор 9 призначений для перетворення оптичного сигналу в сигнал електричний, що містить інформацію про положення зони 14. Координатно-чутливими детекторами можуть бути позиційно-чутливі фотодіоди різних видів та матричні фотоприймачі типу ПЗЗ (прилади з зарядовим зв'язком). Обтюратор 13, який керується процесором 7, призначений для вмикання та вимикання експозиції термохромного елемента 10 відбитим від поверхні тіла 4 інфрачервоним лазерним випромінюванням 6. Замість обтюратора може бути застосований механічний оптичний затвор шторкового, діфрагмового або жалюзійного типу. Оптична приймальна система 5, схема якої показана на Фіг. 2б, відрізняється від показаної на Фіг. 2а тим, що координатно-чутливий детектор (типу ПЗЗ) застосовано у складі відеокамери 15, а спектральний фільтр 12 відсутній. Об'єктив відеокамери 15 настроєний на утворення на чутливій поверхні ПЗЗ зменшеного зображення термохромного елемента 10, що дозволяє збільшити динамічний діапазон тріангуляційного датчика. Вимірювальний цикл починається з вмикання обтюратором 13 експозиції термохромного елемента 10 відбитим від поверхні тіла 4 інфрачервоним лазерним випромінюванням 6. Експозиція призводить до появи в термохромному матеріалі зони зміненого спектра поглинання 14 в видимій та ближній інфрачервоної області спектра і, як наслідок, до зміни просторового розподілу інтенсивності певних спектральних складових випромінювання у видимій та ближній інфрачервоної області спектра з джерела 11. Координатно-чутливий детектор 9 утворює електричний сигнал, який євідгуком на зміну просторового розподілу інтенсивності. Характер сигналу визначається типом детектора. Процесор 7 обробляє електричний сигнал, визначає положення зони зміненого спектра поглинання 14 на термохромному елементі 10, розраховує, використовуючи калібрувальну залежність, переміщення тіла 4 і подає на обтюратор 13 сигнал вимкнення експозиції. При відсутності експозиції зона зміненого спектра пропускання (поглинання) 14 зникає, після чого вимірювальний цикл повторюється. Якщо координатно-чутливим детектором 9 в оптичній приймальній системі на Фіг.2а є позиційно-чутливий фотодіод, то електричний сигнал являє собою значення струму ІА та ІВ у його виводах. При такому сигналі процесор 7 розраховує положення x зони зміненого спектра поглинання 14 згідно виразу   x  ,     де μ - коефіцієнт пропорційності, що визначається експериментально. Якщо координатночутливим детектором 9 є однокоординатний ПЗЗ, то електричний сигнал являє собою розподіл заряду по комірках Qi=Q(хi), де Qі - величина заряду в і-й комірці ПЗЗ, a xі - її координата. Оскільки в зоні зміненого спектра поглинання 14 величина поглинання в спектральному інтервалі, що виділяється фільтром 12, зростає, вказана зона відображається в дискретній функції Q(xі) провалом. При такому відображенні положення зони 14 на термохромному елементі 10 може визначатись процесором 7 по координаті мінімуму функції Q(хі). Можна, також, розрахувати дискретну функцію R(хi) = Q°(xі)-Q(xs), 2 UA 99538 U 5 10 15 20 25 30 35 40 де Q°(xі) являє собою розподіл заряду в комірках ПЗЗ, коли зона зміненого спектра поглинання 14 відсутня. В функції R(xі) зона 14 відображається локальним підйомом, і її положення на термохромному елементі 10 може визначатись по координаті максимуму або центру тяжіння, як це має місце в аналогах. Приклад перетворення оптичного сигналу в середній або далекій інфрачервоній області спектра в оптичний сигнал у видимій або ближній інфрачервоній області спектра і використання цього сигналу для визначення переміщення тіла наведено на Фіг. 3, 4, 5. Дані отримані з оптичною приймальною системою згідно Фіг. 26 на технологічній установці, де джерелом інфрачервоного випромінювання є лазер на діоксині вуглецю (довжина хвилі 10.6 мкм, потужність 20 Вт), а тіло 4 являє собою виріб з кераміки. Відстань між поверхнею тіла та лінзою 8 (фокусна відстань 150 мм) змінюється в межах 370-400 мм, кут тріангуляції становить 27 кутових градуси. Термохромний елемент 10 являє собою плівку термохромного матеріалу товщиною 0.3 мм, вкриту з обох сторін плівками з поліпропілену товщиною 20 мкм. Термохромний матеріал являє собою гідрогель полівінілового спирту, що містить воду в -6 кількості 90 % маси, органічний барвник родамін 6Ж в кількості 210 моль/л, катіони -2 -2 двовалентного кобальту в кількості 410 моль/кг та аніони хлору в кількості 810 моль/кг [4]. 2 Розмір світлової зони термохромного елемента 10 становить 1.512 мм . Відстань між ним і лінзою 8 становить 240 мм. Світлова зона термохромного елемента 10 відображається на чутливій поверхні ПЗЗ відеокамери 15 з 2.5-кратним зменшенням. Джерело випромінювання видимої та ближньої інфрачервоної області спектра 11 являє собою лампу розжарювання з матовою колбою. Верхнє та середнє зображення на Фіг. 3 являють собою знімки світлової зони фотохромного елемента 10 при, відповідно, відсутності та наявності експозиції лазерним випромінюванням. Зона зміненого спектра поглинання 14 завдяки зростанню поглинання в червоній області спектра має вигляд синьої плями на блідо-рожевому фоні. Знизу показано різницеве зображення світлової зони, отримане шляхом віднімання середнього зображення від верхнього. На даному зображенні зона зміненого спектра 14 поглинання має вигляд червоної плями на темному фоні. Наведені на Фіг.4 нормовані залежності інтенсивності червоного кольору від просторової координати показують, як переміщується зона зміненого спектра 14 на фотохромному елементі 10 при переміщенні тіла 4. В процесі роботи датчика величина переміщення тіла 4 визначається по переміщенню зони 14 за допомогою калібрувальної залежності, що виглядає, як показано на Фіг. 5. Джерела інформації: 1. Т.A. Clarke; К.Т.V. Grattan, N.Ε. Lindsey. Laser-based triangulation techniques in optical inspection of industrial structures. Proceedings of SPIE vol. 1332, Optical Testing and Metrology III: Recent Advances in Industrial Optical Inspection (1990); p. 474-496. 2. R.R. Clark. Triangulation displacement sensor. Патент США №6624899. 6. H.J. Byker et al. Multi-layer ligand exchange thermochromic systems. Патент США №7525717. 4. Конопля Μ.Μ., Соколов В.О., Мисюра А.Г. Нелінійно-оптичний матеріал для обмеження потужності лазерного випромінювання. Патент України на корисну модель №93745. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 60 1. Триангуляційний датчик переміщення, що використовує інфрачервоне лазерне випромінювання, що містить джерело інфрачервоного лазерного випромінювання, приймальну оптичну систему, що містить лінзу та координатно-чутливий детектор, і процесор, який відрізняється тим, що до складу приймальної оптичної системи входить також перетворювач оптичного сигналу середньої або далекої інфрачервоної області спектра в оптичний сигнал видимої та ближньої інфрачервоної області спектра, який включає термохромний елемент, джерело випромінювання видимої та ближньої інфрачервоної області спектра для освітлення термохромного елемента з метою виявлення зони зміненого спектра поглинання на термохромному елементі та визначення її положення, а також засіб керування часом взаємодії інфрачервоного лазерного випромінювання з термохромним елементом. 2. Триангуляційний датчик переміщення, що використовує інфрачервоне лазерне випромінювання згідно з п. 1, який відрізняється тим, що термохромний елемент включає шар термохромного матеріалу, який являє собою гідрогель полівінілового спирту, що містить воду в -6 кількості 90-95 % маси, органічний барвник родамін 6Ж в кількості (2-4)10 моль/л, катіони -2 -2 двовалентного кобальту в кількості (3-4)10 моль/кг та аніони хлору в кількості (6-8)10 моль/кг. 3 UA 99538 U 4 UA 99538 U 5 UA 99538 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6