Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

Фотоэлектрические датчики,

срабатывающие на обратное отражение.

Фотоэлектрические датчики срабатывающие на обратное отражение

содержат в одном корпусе схему излучателя и приемника. Световой луч

распространяется от излучателя, до обратного отражателя затем и попадает в

приемник. Так же как и в фотоэлектрических датчиках, работающих на

просвет, объект обнаруживается, когда он пересекает световой

луч.

Диапазоном расстояний у этого типа датчиков считается расстояние от

датчика до отражателя. Эффективным лучом в датчиках, срабатывающих на

обратное отражение, является конус формой совпадающей с фигурой,

соединяющей линзы датчика и отражатель. Отраженный луч обычно не

сфокусированный и поэтому датчики, срабатывающие на обратное

отражение, обычно применяют для обнаружения достаточно больших

объектов

. Вместе с тем, когда требуется малый эффективный размер луча, то

так же как и в датчиках, работающих на просвет, используются лазерные

диоды в качестве источников света.

Большинство обратных отражателей сделано из множества маленьких

призм, образованных углом куба и каждая из этих призм имеет три взаимно

перпендикулярных отражающих поверхности. Когда световой

луч падает на

призму, три отражающие поверхности отражают луч в обратном

направлении параллельно падающему лучу и отраженный луч поступает в

приемник. Иными словами, обратный отражатель отражает луч в том

направлении, откуда он пришел. В основном, обратные отражатели сделаны

из литого пластика и производятся различных размеров, форм и цветов.

Подобные отражатели

используются на дорогах и в качестве катафотов на

транспортных средствах. Такие катафоты ярко светятся для водителя, когда

свет передних фар машины попадает на них и отражается в обратном

направлении кубическими призмами. Предупредительные знаки на дорогах

так же часто покрывают обратно отражающей пленкой, которая содержит

литые микроскопические кубические призмы или стеклянные шарики

Прозрачная сфера из стекла так же отражает падающий на нее луч в

обратном направлении, но отражающее покрытие их шариков менее

эффективно, чем из кубических призм.

Зеркальные поверхности так же могут использоваться в качестве

отражателей для датчиков. Однако луч от зеркальной поверхности

отражается под тем же углом, что и падающий луч

, но в противоположном,

относительно нормали к поверхности зеркала, направлении. Для того, что бы

луч попал обратно на датчик, необходимо, что бы зеркало было расположено

строго перпендикулярно лучу. С другой стороны, обратный отражатель

посылает луч обратно в датчик, даже если расположен под углом примерно

20 градусов от перпендикуляра. Это свойство делает настройку

таких

отражателей быстрой и легкой.

Хороший отражатель возвращает в датчик примерно в 3000 раз больше

света, чем лист белой бумаги. Вот почему фотоэлектрические датчики этого

типа срабатывают только тогда, когда предмет перекрывает луч, отраженный

от отражателя. Однако, если объект имеет зеркальную либо блестящую

поверхность, то он может пройти через луч датчика и не быть

обнаруженным. Вы можете решить эту проблему относительно простыми

средствами. Если блестящий объект имеет плоские стороны и проходит через

луч фотоэлектрического датчика в

определенном положении, то может

произойти ситуация, когда блестящая поверхность объекта отразит

падающий луч обратно в приемник фотоэлектрического датчика.

Вероятность ложных срабатываний такого рода может быть существенной,

если поверхность блестящего объекта круглая или объект попадает в поле

луча в случайном положении.

Благодаря развитию светодиодной технологии увеличивается

использование в фотоэлектрических датчиках светодиодов

видимого

диапазона. Когда используется видимое излучение, фотоэлектрический

датчик виден как вспышка в отражателе. Когда от рефлектора идет

отраженный луч, это означает, что фотоэлектрический датчик настроен

правильно. Этот принцип так же работает, когда источник видимого света

используется в фотодатчиках, работающих на просвет. Обратный отражатель

ставится перед линзой приемника и излучатель поворачивается

таким

образом, что бы был виден луч в обратном отражателе. Затем отражатель

убирается и пара датчиков – приемник и излучатель остаются в положении

точной настройки.

Поляризационные фильтры так же часто применяются в тех случаях,

когда используется излучатель датчика видимого диапазона.

Поляризационный фильтр, используемый с фотоэлектрическим датчиком,

срабатывающим на обратное отражение, может

значительно сократить число

ложных срабатываний. Прежде всего, расположите поляризационные

фильтры напротив излучателя и приемника, затем поверните фильтры таким

образом, что бы плоскости поляризации фильтров были расположены на 90

градусов относительно друг друга. Свет от излучателя, проходя через

поляризационный фильтр, обладают вертикальной поляризацией. Когда свет

отражается от обратного отражателя, его плоскость поляризации

поворачивается

на 90 градусов. И только такой поляризованный свет может

пройти через поляризационный фильтр, расположенный на приемнике. Когда

поляризованный свет отражается от блестящей поверхности, его плоскость

остается в том же положении, и он не может пройти через второй

поляризационный фильтр.

Эта схема эффективно снижает помехи, связанные с бликами, однако, так

же как

и светофильтр, снижает мощность излучения более чем на 50%. Это

становится существенным, когда вокруг датчика большая запыленность или

объект находится на большом расстоянии. Следует так же помнить, что

фотоэлектрические датчики с поляризационным фильтром работают только в

паре с обратным отражателем, отражающие плоскости которого образованы

гранями куба.

Фотоэлектрические датчики, срабатывающие на рассеянное отражение,

обнаруживают объект, расположенный перед датчиком по отраженному от

объекта излучению самого датчика. Свет от излучателя падает на

поверхность и отражается под самыми разными углами, так что некоторая

доля рассеянного от поверхности объекта излучения попадет в приемник

датчика. Схема работы с

рассеянным отражением не столь эффективна,

поскольку только малая часть света, от излучателя попадает в приемник. К

тому же подобные датчики подвержены ложным срабатываниям от

блестящих поверхностей. Так же диапазон срабатывания от яркого белого

объекта будет значительно больше, чем от черного.

Многие модели датчиков используют линзы, что бы сделать пучок света

от излучателя более узким и интенсивным и тем самым поднять долю света,

которая в результате приходит на приемник. Одновременно с тем, что

использование линз увеличивает рабочее расстояние датчика, одновременно

с этим уменьшается критический угол распространения бликов от блестящих

поверхностей. Это происходит по той причине, что отражения от блестящих

поверхностей более направленные

и напоминают отражения от зеркальных

поверхностей.

2.6 Ультразвуковые датчики расстояний

Для проведения измерения расстояния до объекта необходимо

использовать активный датчик, который бы мог одновременно передавать, и

принимать отраженный сигнал. Энергия излучения может быть не только

электромагнитной, но и акустической. Принцип передачи и приема

ультразвуковых волн лежит в основе широко распространенных

акустических датчиков для измерения расстояний и скорости движения

объектов. Отраженная

волна почти равномерно распределяется внутри

широкого пространственного угла, который может достигать 180°. При

перемещении объекта частота отраженных волн будет отличаться от

эталонной. При этом расстояние до объекта можно определить по формуле:

(2.6)

Если излучатель и приемник расположены недалеко друг от друга по

сравнению с объектом, то сosθ приблизительно равен единице.

Преимущество ультразвуковых датчиков по сравнению с

микроволновыми заключается в том, что они распространяются со

значительно меньшей скоростью. Поэтому интервалы времени значительно

больше, что упрощает их измерение.

Рис. 2.12 Ультразвуковые измерители расстояний:

А – принципиальная схема; Б – импедансная характеристика

преобразователя.

На рисунке представлена типовая конструкция ультразвукового

преобразователя перемещений, работающего в воздушной среде. На

практике важно знать вид диаграммы направленности датчика. Чем уже

диаграмма, тем выше будет чувствительность преобразователя.

Рис. 2.13 Конструкция пьезоэлектрического ультразвукового

преобразователя и диаграмма направленности излучения.

3. Измерение геометрических характеристик объектов

В настоящее время диапазон измеряемых размеров и расстояний

простирается от нанометров и практически до бесконечности с

относительной погрешностью до

−

%. При этом в качестве первичных

преобразователей применяют аналоговые устройства реостатного типа

(

−

%), емкостные (

−

%), индуктивные (

−

%), а также цифровые,

например, с использованием лазера (

−

%), радиодальномеры и т.п. При

цифровой обработке сигналов обеспечивается повышенная точность и

автоматизация измерений, возможность математической обработки

результатов, хранение информации.

В настоящее время для технических измерений применяют традиционный

измерительный инструмент (штангельциркули, микрометры, угломеры и т.п.)

дополнительно оборудованные преобразователями в электрический

выходной сигнал с дальнейшей обработкой и выдачей информации в

цифровом виде. Для этой цели все шире применяют оптические системы

снятия размеров.

Важным элементом измерительных устройств является устройство анализа

изображения. Для двухкоординатных ИП применяют телевизионные камеры

в сочетании с позиционируемым координатным столом и ЭВМ. Это

позволяет производить автоматизацию измерительного процесса. Обработку

результатов, вывод данных.

Достоинства таких систем:

• Бесконтактный метод измерения

• Высокое быстродействие

• Возможность измерения движущихся объектов

• Высокая разрешающая способность

В качестве оптоэлектронных преобразователей используют фотодиодные

матрицы, сканисторы, ПЗС-приборы и т.п. В

процессе измерения изделие

зондируется одним или несколькими источниками света. При этом

используют отраженный или проходящий свет, эффекты отражения,

дифракции, теневой метод. При теневом методе край изделия проецируется

на чувствительном элементе (ЧЭ). При смещении края тени формируется

сигнал рассогласования и обрабатывается (время измерения -

−

с.,

разрешающая способность -

−

м).

Для труднодоступных мест используют модули из волоконной оптики.

3.1 Оптическая система измерения геометрических размеров объектов

Рис. 3.1 Устройство для измерения линейных размеров проката: 1 – Окно, 2

– Объектив, 3 – Видеокамера, 4 – Корректор, 5 – Защитный кожух, 6 –

Подвеска видеокамеры 7 – Координатный стол, 8 – Блок видеоконтроллера и

схем согласования, 9 – Подвеска пирометра, 10 – Пирометр, 11 – Датчик

температуры, 12 – Кабель, 13 – Блок управления и индикации, 14 – Дисплей,

15 – Системный блок, 16 – Стабилизатор, 17 – Клавиатура, 18 – Цифровой

индикатор, 19 – Выносной блок индикации и управления, 20 – Охладитель и

кондиционер, 21 – Контроллер охладителя и кондиционера.

Достоинства:

• одновременная выдача результатов измерения ширины горячего

проката с пересчетом на

холодный прокат;

• автоматическая диагностика системы;

• автоматическая калибровка системы;

• измерения температуры проката;

• архивирование и вывод результатов измерения за смену, сутки, месяц и

т.д. на дисплей и печать.

При использовании метода триангуляции с помощью лазера и оптических

устройств получают световое пятно, которое отражается на датчике.

Изменение размеров изделия

приводит к смещению изображения светового

пятна на ЧЭ датчика. Диаметр светового пятна может составлять

−

м.

При использовании явления дифракции света (метод отбрасывания тени)

получают максимальное разрешение. При прохождении когерентного

монохроматического луча через щель за ней образуется пространственное

перераспределение интенсивности света. Расстояние между максимумами

является функцией ряда факторов, в том числе и ширины щели.

Дифракционная картина подается на оптико-электронный преобразователь

(ОЭП), сигналы которого анализируются

с помощью ЭВМ.

С помощью многокоординатных измерительных приборов можно

контролировать и геометрическую форму объекта (устанавливают

отклонения от заданной формы). Для этого устройство оснащается

дополнительными элементами захвата и подачи объекта, смены датчиков и

т.п.

Например, трехкоординатные измерительные приборы состоят из станины и

трех направляющих, по которым перемещаются зонды. Зонды могут быть

механическими, резистивными, используется лазер.

3.2 Приборы для измерения и контроля качества поверхности

Качество поверхности изделия является одной из важных характеристик и

осуществляется способами:

• визуально (вызывает быструю утомляемость оператора) ;

• с помощью профилометров (требуются большие затраты времени, нее

дает общей оценки качества поверхности);

• с помощью специальных оптических средств (повышается

быстродействие).

Исследуют и измеряют качество шероховатости поверхности, трещины,

сколы, раковины и т.п. По результатам измерений производят выбраковку

изделий с использованием программных средств распознавания образов

дефектов, информация одновременно выдается на монитор. Оператор может

сканировать поверхность, визуально наблюдать и оценивать размер дефекта,

производить измерения в режиме диалога, производить распечатку

результатов и т.п

. Применяют метод «светового сечения», с помощью пучка

световодов, применяют методы голографической интерферометрии.

Пример практической реализации устройства

(оптическая линейка ИС-36М), предназначенного для

измерения отклонений от прямолинейности

Назначение устройства

Оптическая линейка ИС-36М предназначается для измерения отклонений

от прямолинейности и плоскостности рабочих поверхностей поверочных

линеек длиной 500 мм и выше всех классов; плит всех классов точности и

типоразмеров; поверхностей направляющих станков, образующих валов

длиной свыше 1000 мм и т.п. Поверхности длиной свыше 1600 мм поверяют

шаговым методом. Прибор предназначен для работы

в лабораторных и

цеховых условиях при температуре 20±5°C и при относительной влажности

воздуха не ниже 80%.

Технические характеристики устройства

1. Пределы измеряемых отклонений поверхности от прямолинейности и

плоскостности, мм:

а) по отсчетному устройству ±0,4

б) графическим устройством ±0,1

2. Пределы длин измеряемых поверхностей, мм 200-1600

3. Цена деления шкалы отсчетного устройства, мм 0,001

4. Общее увеличение прибора, крат. 30

5. Пределы допускаемой погрешности прибора, мм ±(0,001+0,01h)

где h - измеряемое отклонение в мм

6. Масштабы регистрации:

вертикальный 500

горизонтальный 1

7. Измерительное усилие

наконечника каретки не более, Н 7 (700гс)

8. Габаритные размеры прибора, не более длина, мм 2220

Принцип действия и схема прибора

В основу прибора положен принцип, позволяющий измерить откло-

нение от прямолинейности поверяемой поверхности относительно

нематермальной прямой - оптической оси прибора.

Пучок лучей от лампочки 1, пройдя через призму 2, линзу 3, призму 4 и

левую половину кубика 10, освещает визирный штрих С. Свет проходит, как

указано стрелками, через зеркально-линзовые

объективы 5 и создает

изображение визирного штриха С на полевой диафрагме 11. Микрообъектив

12 переносит увеличенное изображение визирного штриха С в плоскость

сетки биссектора 13. Проекционный окуляр 15 проектирует биссектор и

визирный штрих С в плоскость экрана, совмещенную с коллективом 16.

Зеркально-линзовые объективы образуют автоколлимацинную

афокальную систему. Указанная система обладает тем свойством, что

расстояние вдоль

оси системы между предметом С и его изображением С1

постоянно и не зависит от положения предмета вдоль оси. При смещении

предмета поперек оси вверх его изображение смещается на ту же величину

вниз. Благодаря этим свойствам системы изображение С1 визирного штриха

С при движении измерительной каретки вдоль оси всегда остается резким на

экране проекционного окуляра, а смещение наконечника измерительной

каретки, возникающее из-за неровностей поверхности, вызывает смещение

изображения визирного штриха относительно изображения биссектора. Это

смещение измеряют винтовым микрометром 14.

Описание конструкции

Основным узлом прибора (рис. 2) является линейка, состоящая из

корпуса 18, соединяющего

зеркально-линзовые объективы. Линейка служит

только носителем оптической прямой сравнения. Положение оптической

прямой сравнения определяется только положением центров объективов.

Рис. 2. Общий вид прибора: 17 - колпаки; 18 - корпус прибора; 19 - линейная

шкала прибора; 20 - доска для записи; 21 - винт, крепящий регистрирующее

устройство; 22 - проекционный окуляр; 23 - экранирующая бленда; 24 -

экран; 25 - корпус регистрирующего устройства; 2G - рейка; 27 - винты,

крепящие верхнюю часть каретки; 28 - верхние планки; 29 - винты, крепящие

колпаки; 30 - регулируемая опора; 33 - винт регулируемой опоры; 32 -

маркирующее острие; 33 - гибкая полоса; 34 - индекс каретки; 35 - не-

подвижная опора: 36 -

трансформатор.

Два одинаковых зеркально-линзовых объектива, установленные на

концах корпуса, состоят (рис. 3) из двухкомпонентной линзовой системы 1 и

90-градусной призмы 2. Ребро прямого угла призмы 2 лежит на оптической

оси линзового объектива нормально к плоскости чертежа. Объективы

установлены на концах корпуса таким образом, что ребра прямых углов

призм между собой параллельны и

лежат в плоскости, проходящей через

оптическую ось, соединяющую центры линзовых компонентов объективов.

Оптические элементы корпуса защищены от повреждения колпаками 17

(рис.2).