автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптические методы и средства производственногоконтроля прозрачных трубок, капилляров и шестигранных световодов

Министерство образования Российской Федерации Московский государственный университет

Оптические методы и средства производственного контроля прозрачных трубок, капилляров и шестигранных световодов

Специальность 05.11.07- Оптические и оптико-электронные приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

геодезии и картогра<

—На -правах .рукописи " УЖ 681.786:

Фотиев Юрий Анатольевич

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре конструирования и технологии оптических приборов Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК).

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент А. А. АРЕФЬЕВ

- доктор технических наук, профессор А.М.ЖИЛКИН - кандидат технических наук, доцент А.Е. ЗДОБНИКОВ

Ведущая организация - НПО «Оптика», г. Москва

Защита состоится « 28 » декабря 2000 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета К.063.01.04. при Московском государственном университете геодезии и картографии по присуждению ученой степени кандидата технических наук по адресу: 103064, Москва, К-64, Гороховский пер., 4, ауд.321.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии.

Автореферат разослан « 21 » ноября 2000 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 103064, Москва, К-64, Гороховский пер., 4, Ученый совет МИИГАиК.

Ученый секретарь

диссертационного совета I V В.А. Соломатин

АЧ32« 2~ - 4С ЪЧу О

3 Ш', ЧЯ-ПЙО. л - <ул . 9// о

Общая характеристика работы

Актуальность. Автоматизация производственных процессов является одним из важнейших направлений развития современного производства, поэтому неуклонно возрастает значение разработок высокоэффективных методов и средств, предназначенных для автоматизированного высокоточного контроля параметров и характеристик выпускаемой продукции.

Одной из таких важнейших задач, стоящих при автоматизации производства прозрачных трубок, капилляров и шестигранных световодов, является задача их бесконтактного контроля как во время вытяжки, так и в лабораторных условиях.

Широкое применение прозрачных трубок, капилляров и жестких шестигранных многожильных световодов (МЖС) в медицине, биологии, генной инженерии (объемные дозаторы), в термометрии (жидкостные стеклянные термометры), в приборостроении, в оптической лазерной технике й волоконной оптике (полые световоды), в рентгеновской оптике (поликапиллярнные оптические системы для передачи и преобразования жестких излучений, в том числе у -излучения), в высокоскоростной фотографии и военной технике (приборы ночного видения) требует их изготовленйя со строго определенными высокоточными геометрическими параметрами. Стабильность этих параметров, поддерживаемая в результате контроля в процессе изготовления, лежит в основе создания высококачественных конкурентоспособных изделий.

Следует отметить, что используемые на предприятиях медицинской и оборонной промышленности средства контроля качества выпускаемой продукции, основаны на контактных методах и применяются к уже изготовленному изделию, что приводит к большому количеству брака. Эти средства контроля не удовлетворяют современным требованиям по быстродействию и точности, что ведет к практическому отсутствию возможности управления гибкими технологическими процессами.

В тоже время, практически отсутствуют оперативные неразрушающие средства контроля геометрических параметров прозрачных трубок, капилляров и шестигранных МЖС в процессе вытяжки.

В связи с этим, разработка методов и средств производственного контроля геометрических параметров прозрачных трубок, капилляров и

шестигранных световодов является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит обеспечить высокое качество выпускаемой продукции и создание автоматизированных устройств производства прозрачных трубок, капилляров и шестигранных световодов с системами обратной связи для автоматического управления процессами вытяжки.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование оптических методов и средств производственного контроля прозрачных трубок, капилляров, шестигранных световодов и оценки качества изображения, передаваемого волоконно-оптическими пластинами.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- составлен аналитический обзор существующих методов и средств производственного контроля прозрачных трубок, капилляров и шестигранных световодов (далее объектов. контроля), проведен их сравнительный анализ, систематизация и классификация;

- определены перспективные направления исследований по созданию средств контроля исследуемых объектов, отвечающих современным требованиям их массового производства;

- разработаны методы производственного контроля исследуемых объектов;

- созданы математические модели взаимодействия световых пучков с объектами контроля и их анализ;

- разработаны состав и структура средств контроля;

- разработаны методики экспериментальных исследований контро -лируемых объектов, содержащие оценку влияния конструктивных параметров разрабатываемых схем;

- созданы и исследованы лабораторные действующие макеты устройств массового контроля исследуемых объектов, реализующие разработанные методики экспериментальных исследований, проведена оценка их реальных технических характеристик;

- проведены эксперименты и анализ полученных данных.

Методы исследования. В диссертационной работе были использованы следующие научные методы исследования: математическое моделирование на ЭВМ, математический анализ, синтез технических устройств, математическая статистика, методы Фурье-оптики, методы

габаритного расчета оптических систем, физическое моделирование и реальный эксперимент в условиях заводской лаборатории.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен и реализован метод контроля геометрических и оптических параметров прозрачных трубок непосредственно во время вытяжки, отличающийся учетом флуктуации показателя преломления, а также вибраций и угловых наклонов трубки во время вытяжки;

- получены обобщенные функциональные зависимости для расчета внутреннего диаметра, толщины стенки и показателя преломления материала трубки при угловых наклонах трубки во время вытяжки;

- предложены и реализованы два метода контроля внутреннего диаметра капилляров в лабораторных условиях, отличающиеся оригинальными методиками измерения и расчета геометрических и оптических параметров объекта, учитывающими неоднородность показателя преломления и его изменения вдоль геометрической оси;

- получены обобщенные функциональные зависимости для расчета внутреннего диаметра и показателя преломления материала прозрачного капилляра;

- предложен и реализован метод контроля геометрических

параметров шестигранного МЖС с учетом его угла закручивания во время (

вытяжки;

- разработаны экспериментальное устройство и методика для оценки качества изображения, передаваемого волоконно - оптическими пластинами (ВОП).

Достоверность результатов работы подтверждается совпадением теоретических выводов и зависимостей с результатами экспериментальных исследований. Так погрешность определения внутреннего диаметра стеклянной трубки во время вытяжки составила не более 2%, а внутреннего диаметра капилляра в лабораторных условиях = 1,8% при неоднозначном показателе преломления капилляра изготовленного из химико -лабораторного или термометрического стекла. Контроль размера «под ключ» шестигранного МЖС во время вытяжки осуществлялся с погрешностью не хуже 2% с учетом угла закручивания объекта, а функции передачи модуляции (ФПМ) ВОП определялось с относительной погрешностью ~ 1,5%.

Практнчсская ценность. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили:

- разработать методы и средства измерения параметров прозрачных трубок, капилляров и шестигранных световодов в условиях их массового производства;

- создать и внедрить на производстве и в практику научно-исследовательских работ методики проведения экспериментальных исследований прозрачных трубок, капилляров шестигранных световодов в процессе их изготовления;

- выработать практические рекомендации по построению схемы и устройства для контроля функции передачи модуляции ВОП, удовлетворяющих современным требованиям оперативного неразрушающего контроля.

Реализация н внедрение. Научные результаты диссертационной работы были реализованы в действующих макетах приборов, созданных при непосредственном участии автора, внедрены и используются в СКТБ по проектированию приборов и аппаратов из стекла (СКТБ-СП, г. Клин) и ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла» (ОАО «ЛЗОС», г. Лыткарино).

Действующие макеты приборов «Устройство непрерывного контроля параметров прозрачных трубок в процессе вытяжки» и «Устройство контроля прозрачных капилляров» и разработанные автором методики использованы СКТБ СП в научно-исследовательских работах, связанных с производством прозрачных трубок и капилляров, контролем их геометрических параметров.

Действующие макеты приборов «Устройство контроля шестигранных МЖС в процессе вытяжки» и «Устройство для измерения ФПМ волоконно-оптических пластин», а также разработанные автором методики использованы ОАО «ЛЗОС» для контроля шестигранных МЖС в автоматизированных установках их вытяжки и в отделе технического контроля для проверки качества волоконно-оптических пластин, что подтверждено актами о внедрении.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на 3-й Всесоюзной конференции по изучению релятивистских частиц в кристаллах (Нальчик, 1988 г.);

-7- на 45, 46, и 47-ой научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Москва, 1990, 1991, 1992 г.г.);

- на 2-й Всесоюзной конференции «Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов» («ИКАПП-91») (Барнаул,

1991 г.);

- на Международной конференции по оптическому образованию «Education in Optics '91» (Ленинград, 1991 г.);

- на 4-й научной конференции «Использование волоконных световодов» (Бяловежа, Польша, 1992 г.);

- на 9-й научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (Москва, 1992 г.)

- на Республиканской научно-технической конференции «Лазерная технология и ее применение в промышленности России» (Санкт-Петербург,

1992 г.);

- на 1-й Международной конференции «Датчики электрических и неэлектрических величин» («Датчик-93») (Барнаул, 1993 г.);

- на Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, 1993 г.);

- на 5-й научной конференции «Световоды и их применение» (Бяловежа, Польша, 1995 г.);

- на Научно-технической конференции, посвященной 165-летию МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, 1995 г.).

- на Научно-технической конференции «Технология производства и обработки оптического стекла» (Москва, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, получено одно авторское свидетельство на изобретение и один патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена "на 105 страницах машинописного текста, иллюстрирована 54 рисунками и 4 таблицами и состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 96 наименований и трех приложений на 4 страницах.

Основные положения, представляемые к защите.

1. Аналитические выражения, описывающие функциональные зависимости между геометрическими и оптическими параметрами

контролируемых прозрачных трубок и расстояниями между световыми пучками в плоскости анализа.

2. Метод контроля геометрических параметров, а также показателя преломления материала прозрачных трубок непосредственно во время вытяжки.

3. Аналитические выражения, описывающие функциональную зависимость геометрических параметров капилляров от измеренных фокусных расстояний и увеличения, создаваемого капилляром, как оптической системой.

4. Методы контроля геометрических параметров, а также показателя преломления материала прозрачных капилляров в статике.

5. Метод контроля геометрического параметра жесткого-шестигранного многожильного световода, учитывающий угол закручивания контролируемого стержня во время вытяжки.

6. Методики и результаты экспериментальных исследований геометрических параметров прозрачных; трубок, капилляров и шестигранных световодов.

7. Методики и результаты экспериментальных исследований функции передачи модуляции волоконно-оптических пластин.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы приведен аналитический обзор источников научно-технической информации по существующим методам и средствам производственного контроля прозрачных трубок, капилляров и шестигранных световодов.

Целью аналитического обзора являлось определение перспективных направлений исследований по созданию методов и средств контроля геометрических параметров исследуемых объектов, отвечающих современным требования их массового производства.

В настоящее время прозрачные трубки, капилляры и шестигранные МЖС получают методом перетяжки на вытяжных машинах. Основной материал для их изготовления химико - лабораторное, термометрическое и оптическое стекло.

Основными контролируемыми параметрами для прозрачных трубок и капилляров являются внешний и внутренний диаметры и толщина стенки, а для шестигранных МЖС - диаметр, вписанной в шестигранник окружности или размер «под ключ».

Существующие контактные методы и методы разрушающего . контроля, указанных объектов не могут быть использованы непосредственно в процессе вытяжки, поэтому в обзоре более подробно рассмотрены оптические бесконтактные методы и устройства на их основе как наиболее эффективные для решения поставленных задач.

В результате обзора обобщены, систематизированы и классифицированы существующие методы и средства контроля параметров объектов исследования.

Классификация известных методов включает в себя шесть основных видов: теневые, рефракционные, интерференционные, проекционные методы, а также метод рассеяния в переднюю сферу и метод фокусировки.

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования потенциальной возможности оптических схем измерителей геометрических параметров объектов контроля, отмечены их достоинства и недостатки, указаны оптимальные диаметры трубок, для измерения которых целесообразно использовать ту или иную схему. Приведен анализ основных погрешностей рассматриваемых методов.

Подтверждено, что при разработке измерителей геометрических параметров исследуемых объектов, работающих в реальных производственных условиях, необходимо учитывать смещения, наклоны и углы закручивания исследуемых протяженных объектов во время вытяжки, а также флуктуации показателя преломления материала трубок и капилляров по ее длине, особенно изготовленных из химико-лабораторного и термометрического стекла, не нормируемого по показателю преломления.

Проведенные исследования показали, что перспективными и работоспособными в реальных производственных условиях являются:

1) проекционный метод для контроля геометрических параметров прозрачных трубок во время вытяжки;

2) теневой метод для контроля геометрических параметров прозрачных капилляров в статическом положении;

3) теневой метод для контроля геометрических параметров шестигранных МЖС во время вытяжки.

К числу достоинств проекционного и теневого методов относятся простота практической реализации в автоматических системах,

возможность непрерывного и дистанционного контроля, отсутствие влияния дифракционных эффектов на анализируемую картину, а также возможность построения на их основе схем, исключающих влияние колебания и наклонов исследуемых объектов на погрешность измерения.

Результаты проведенных исследований послужили основой для постановки задач, решаемых в диссертационной работе.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям оптических методов контроля прозрачных трубок во время вытяжки и капилляров в статическом положении с целью получения обобщенных зависимостей для расчета их геометрических параметров с учетом изменения показателя преломления материала и угловых наклонов прозрачной трубки во время . вытяжки, а также оценки точности данных методов.

Необходимо отметить, что в большинстве случаев на практике показатель преломления химико-лабораторного и термометрического стекла, из которого изготавливают трубки и капилляры не нормирован и может изменяться в широких пределах (п=1,46 -5-1,56).

Предложенный метод контроля прозрачных трубок во время вытяжки базируется на проекционном способе, заключающемся в обработке картины распределения интенсивности отраженного и преломленного света в плоскости регистрации и определении параметров прозрачной трубки по расстояниям между световыми пучками.

В известных проекционных способах контроля отсутствует учет угловых наклонов прозрачной трубки во время вытяжки, а также возможных флуктуаций показателя преломления материала трубки, что приводит к снижению точности и достоверности измерений в реальных условиях производства.

Для устранения указанных недостатков два световых луча О и О' направляют в центр прозрачной трубки под различными фиксированными углами а и Р в направлениях навстречу друг другу таким образом, чтобы они пересекались с наружной поверхностью трубки в одной точке М (рис.1.). Вследствие того, что в процессе вытяжки трубка колеблется с углами А наклона относительно первоначальной геометрической оси, углы падения лучей О и О' соответственно равны - (а + Д) и (Р - Д). При этом в плоскости, определенной пространственным положением световых лучей О и О' и геометрической осью трубки стенки трубки работают как плоско -параллельные пластины.

Из анализа хода лучей на рис. 1 и исходя из условия, что внутренний диаметр и толщина стенки трубки могут изменяться только плавно, то в момент времени измерения можно считать d=const, ¿=const и определить угол А и показатель преломления п материала трубки в виде:

6, - sin р~ Ъ[ sin а Ь' ■ eos fi + b¡ cosa

" а'г sin2 2(а ± A)sin2 (fi ± А)- а\г sin2 l{p ± A)sin2 (а ± А)" я,'2 sin2 2(a ± Д)-a,2 sin2 2(/? ± А)

При условии Р=90°-а формулы (1) и (2) упрощаются:

~ Ь[ ■ tga

А = arctg

(1) (2)

А = arctg

Ь, ■íga + b; a¡2 ■ cos2(ar± Д)-a2 -sin2(a± Д)

(3)

(4)

Тогда толщину I стенки прозрачной трубки, внутренний диаметр с1 и внешний диаметр Б = (1 + 11 можно определить из соотношений:

( 5ш(а±Д)>|

й, • eos 2Д • я

1-

sin2(a± Д) Ь. • eos 2Д

(5)

(6)

исследования исключающего

показал влияние

" 28т(а + А)'

Анализ результатов теоретического возможность разработки схемы устройства, наклонов трубок во время вытяжки на погрешность измерений и учета флуктуаций показателя преломления стекла трубки.

Рассмотрены разработанные оптические методы неразрушающего контроля внутреннего диаметра капилляров в сечениях, перпендикулярных его геометрической оси.

Предложенные методы основаны на представлении прозрачного капилляра в виде цилиндрической оптической системы, состоящей из двух концентрических цилиндрических линз, определении ее основных кардинальных элементов и получении, функциональных зависимостей, связывающих внутренний диаметр капилляра с измеряемыми параметрами. Сущность этих методов ясна из представленных ниже схем.

Схема формирования увеличенного прямого мнимого изображения внутреннего канала капилляра в поперечном сечении представлена на рис.2.

Путем расчета хода лучей 1 и 2 определена функциональная зависимость между действительным диаметром с1 внутреннего канала капилляра, внешним диаметром Б , показателем преломления п материала капилляра и увеличенным изображением внутреннего диаметра сГ в виде:

(7)

Для получения рабочей формулы вычисления размера внутреннего диаметра капилляров принято ограничение, обусловленное реальным соотношением внутреннего и внешнего диаметра капилляров сЮ«1/10, тогда выражение (7) принимает вид:

(8)

п

Для измерения увеличенного, прямого и мнимого изображения внутреннего канала капилляра с!' необходимо использовать положительную проекционную систему с увеличением V, сфокусированную в плоскость симметрии капилляра, для формирования его действительного изображения в плоскости анализа. Тогда размер изображения внутреннего канала капилляра будет равен ё". В этом случае диаметр внутреннего канала капилляра рассчитывается по формуле:

(9)

п-У

При освещении толстостенного капилляра монохроматическим широким пучком, параллельным оптической оси, лучи фокусируются в двух задних фокальных плоскостях, где находятся действительный фокус -Рц и мнимый - Р'к (рис.3,а). Тогда оптическая система характеризуется двумя задними фокусными расстояниями: для действительных лучей, и не проходящих через внутренний канал капилляра (лучи 1 и 2) -положительным фокусным расстоянием Г 'ц и для параксиальных лучей -отрицательным фокусным расстоянием Г'к.

В результате теоретических исследований получена рабочая формула для определения внутреннего диаметра капилляра по методу измерения фокусных расстояний, учитывающая флуктуации показателя преломления материала капилляра:

1___1_ У_

(10)

Рассмотрен также предложенный метод контроля внутреннего диаметра капилляров',* основанный на измерении изображения тест-

объекта, находящегося в непосредственном контакте с капилляром, с известной шириной 2у.

Схема контроля внутреннего диаметра капилляра методом увеличения представлен на рис.3,б.

Для образования в плоскости анализа действительного изображения от мнимого предмета 2у' необходимо использовать положительную проекционную систему с увеличением V.

В схеме использованы реальные тест-объекты, симметричные относительно оптической оси. При этом размер исследуемого изображения будет равен

Используя законы геометрической оптики и формулы (12) получено выражение для вычисления внутреннего диаметра капилляра по методу увеличения

Айализ результатов теоретических исследований показал

возможность создания устройств для контроля внутреннего диаметра

капилляра на основе метода измерения фокусных расстояний и метода увеличения с относительной погрешностью не хуже 1,8% .

с

В третьей главе рассмотрены разработанные функциональные схемы оптико-электронных устройств, реализующих предложенные методы контроля исследуемых объектов, приведены методики и результаты экспериментальных исследований разработанных методов с целью проверки теоретических положений, полученных в диссертации, установлены технические характеристики разработанных устройств и их точностные характеристики, выработаны практические рекомендации по проектированию приборов для контроля исследуемых объектов.

Упрощенная функциональная схема устройства контроля параметров прозрачньдх трубок во время вытяжки, реализующая предложенный метод двух пучков, представлена на рис.4.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 с помощью цилиндрической телескопической системы 2, формирующей лазерное излучение в виде вытянутого в сагиттальной плоскости параллельного светового пучка для обеспечения непрерывных измерений при смещениях контролируемой трубки во время вытяжки, направляется на светоделитель 3, где разделяется на два пучка.

= У-2у'.

(И)

(12)

Поворотные зеркала 4 направляют зондирующие пучки в центр контролируемой трубки 5, что обеспечивает одновременное облучение одного участка цилиндрической наружной поверхности трубки под двумя фиксированными углами аир, причем а^риа+р= 90°.

После последовательного преломления и отражения лазерных пучков на образующих поверхностях трубки формируются четыре световых пятна от каждого из двух зондирующих пучков, которые попадают на ПЗС -линейки 6, где определяются расстояния между энергетическими центрами четырех отраженных пучков и в цифровом виде направляются в вычислительный блок, в котором рассчитывается толщина стенки £, внутренний (1 и внешний Б диаметры трубки, показатель преломления п ее материала с учетом угловых наклонов Д трубки во время вытяжки.

Экспериментальные исследования разработанного устройства показали возможность определять контролируемые параметры с относительной погрешностью ~ 2% и вычислить абсолютное значение показателя преломления материала трубки с погрешностью оп= ± МО"3 при амплитуде колебаний трубки ± 2 мм, угловых наклонах до ± 3 °.

Функциональная схема устройства контроля параметров шестигранных МЖС в холодной зоне вытяжки представлена на рис.5.

Параллельный пучок лазера 1, сформированный коллиматором 2, попадает на светоделитель 3, который делит лазерный пучок на две части и формирует два параллельных измерительных канала.

Первый измерительный канал служит для анализа распределения освещенности в плоскости анализа ПА и вычисления размера теневой проекции от шестигранного МЖС 5. Для этого первый пучок проходит через матовую пластинку 7, которая нарушает когерентность лазерного пучка, и освещает контролируемы шестигранный МЖС 5.

Объектив 8 формирует с линейным увеличением V резкую теневую картинку в плоскости анализа ПА, оптически сопряженную с объектом контроля 5. В плоскости анализа ПА расположена ПЗС - линейка 6, вырабатывающая видеосигнал, несущий информацию о размере теневой картинки Б'.

Второй измерительный канал устройства предназначен для определения угла а самопроизвольного закручивания шестигранного МЖС, присущего ему в процессе вытяжки, по числу пробежавших интерференционных полос, пропорциональных величине угла закручивания а. В ном расположен объектив 8, в задней фокальной

плоскости которого формируется дифракционно-интерференционная картина от взаимодействия с поверхностями шестигранных МЖС.

В этой же плоскости симметрично относительно оптической оси второго канала расположены два двухплощадочных фотоприемника 6' (на рис.5 показан один из них).

В результате пробега интерференционных полос с каждой светочувствительной площадки фотоприемников 6' поступает периодический сигнал и по количеству "пробежавших" полос получают информацию об угле закручивания а.

Он вводится в виде поправки при вычислении реального размера "под ключ" 8 контролируемого шестигранного МЖС по полученной формуле

Проведенные экспериментальные исследования разработанного устройства по контролю шестигранных МЖС по контролю "под ключ" от 450 до 750 мкм во время вытяжки показали, что средняя квадратическая погрешность измерений размера "под ключ" шестигранных МЖС составила ±2*5 мкм, а угла закручивания ± 0,1° в диапазоне 0° -н 360°.

Обобщенная функциональная схема устройства контроля параметров прозрачных капилляров в статическом положении, реализующая метод измерения фокусных расстояний и метод увеличения представлена на рис.б.

Прозрачный капилляр 5, установленный на подвижном столике 9, освещается параллельным пучком лучей, сформированным оптической системой, включающей в себя источник излучения 1 и коллимирующий объектив 2. Микрообъектив 8 формирует теневое изображение внутреннего канала капилляра в плоскости ПЗС - линейки 6, которая преобразует распределение освещенности в видеосигнал, несущий информацию о внутреннем диаметре капилляра.

Перемещениями предметного столика 9 вместе с капилляром 5 осуществляется последовательная продольная наводка на два резких изображения точечной диафрагмы, формируемых в двух задних фокальных плоскостях оптической системы "капилляр" и измерений соответствующих фокусных расстояний.

5 =

5"

(13)

Измерив величины двух фокусных расстояний и размер теневого изображения внутреннего канала капилляра, можно вычислить величину внутреннего диаметра капилляра в соответствии с выражением (10).

Проведенные экспериментальные исследования показали возможность контролировать внутренний диаметр капилляров в диапазоне от 40 мкм до 500 мкм при отношении внутреннего диаметра к внешнему не более 1 : 7 со средней квадратической погрешностью измерения соответственно 2 -г 5 мкм.

Упрощенная схема устройства контроля внутреннего диаметра капилляров, реализующая метод увеличения также представлена на рис.6.

Прозрачный капилляр 5 установлен на края ножей спектральной щели 10, являющейся тест-объектом, таким образом, чтобы геометрическая ось капилляра была параллельна ее ножам.

В качестве тест - объекта также может быть использован объект -микрометр, который находится в непосредственном контакте с капилляром.

Микрообъектив 8 формирует увеличенное резкое теневое изображение внутреннего канала капилляра в плоскости ПЗС - линейки 6.

С помощью перемещения столика 9 вдоль оптической оси осуществляется совпадение плоскости изображения тест - объекта с предметной плоскостью микрообъектива 8. Информация о размере изображения тест - объекта 10 после обработки поступает в вычислительное устройство.

Проведенные экспериментальные исследования показали возможность контролировать внутренний диаметр капилляров в диапазоне от 40 мкм до 500 мкм при отношении внутреннего диаметра к внешнему не более 1 : 5 со средней квадратической погрешностью измерения 3 -г 7 мкм.

Одним из основных критериев оценки качества изготовления волоконно-оптических пластин, получаемых методом термопрессования блока шестигранных МЖС, является контроль функции передачи модуляции.

На основе анализа известных методов контроля ФПМ и требований, предъявляемых к способам контроля ВОП, заключающихся в обеспечении более высокой точности измерений, в быстродействии, простоте, возможности автоматизации и использования в условиях заводской лаборатории, осуществлен выбор метода определения ФПМ по анализу

изображения щели с дискретно изменяющейся шириной (метод вариационной щели).

Разработана принципиальная схема, создан действующий макет устройства, реализующий данный метод, разработаны методики экспериментальных исследований ФПМ ВОП и градуировки устройства, . приведены результаты лабораторных испытаний макета.

Проведенные исследования разработанного устройства показали, что ФПМ ВОП определяется с относительной погрешностью ~ 1,5 %.

Заключение

На основании проведенные теоретических и экспериментальных исследований в диссертации сформулированы основные результаты и выводы работы:

1. Анализ известных методов и устройств оптического контроля прозрачных трубок, капилляров и шестигранных МЖС показал, что наиболее перспективны:

- проекционный метод для контроля геометрических параметров прозрачных трубок во время вытяжки;

- теневой метод для контроля геометрических параметров прозрачных капилляров в статическом положении;

- теневой метод для контроля геометрических параметров шестигранных МЖС во время вытяжки.

2. Получены расчетные соотношения, описывающие функциональные зависимости между геометрическими и оптическими параметрами контролируемых прозрачных трубок и экспериментально полученными значениями расстояний между отраженными световыми пучками в плоскости анализа.

3. Предложен новый метод контроля геометрических параметров, а также показателя преломления материала прозрачных трубок непосредственно во время вытяжки, учитывающий технологические наклоны контролируемого объекта.

4. Получены аналитические выражения, описывающие функциональные зависимости геометрических и оптических параметров капилляров от измеренных фокусных расстояний и увеличения капилляра, рассматриваемого как оптическая система.

Рис.1. Схема контроля параметров прозрачных трубок во время вытяжки

I

Рис.3. Схема контроля внутреннего диаметра-капилляров: а - методом измерения фокусных расстояний; б - методом увеличения

1С.5. Схема устройства контроля параметров шестигранных МЖС в процессе вытяж

Зис.6. Обобщенная схема устройства контроля параметров прозрачных капилляров методом измерения фокусных расстояний и методом увеличения.

На рис.4, 5, 6 обозначены: 1 - источник излучения; 2 - формирующая оптическая ема; 3 - светоделитель; 4 - поворотные зеркала; 5 - исследуемый объект, 6 - фото-гмник; 7 - светорассеиватель; 8 - объектив; 9-предметный столик; 10-тест-объ-

-205. Предложены два метода контроля геометрических параметров прозрачных капилляров в статике с учетом изменений показателя преломления материала.

6. Предложен метод контроля геометрического параметра шестигранного МЖС, учитывающий угол закручивания контролируемого стержня во время вытяжки.

7. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований созданы действующие макеты оптико-электронных устройств, позволяющих контролировать геометрические и оптические параметры исследуемых объектов, а также оценивать качество изображения, передаваемого ВОП.

8. Экспериментальные исследования подтвердили правильность • основных теоретических положений работы, корректность разработанных методик и соответствие созданных устройств требованиям, предъявляемым к средствам контроля прозрачных трубок, капилляров и шестигранных МЖС в условиях их массового производства. •

9. Основные результаты диссертационной работы внедрены на производстве в СКТБ по проектированию приборов и аппаратов из стекла (СКТБ - СП, г. Клин) и ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла»(ОАО «ЛЗОС», г. Лыткарино).

Библиографический список публикаций по теме диссертационной работы

1. Арефьев А.А., Борзов А. Г., Фотиев Ю.А. Интерференционно-теневое устройство контроля параметров шестигранных многожильных световодов в процессе вытяжки // Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: 9-я научно-техническая конференция: Докл., 24 - 26 ноября 1992 г. - М.: ВНИИОФИ, 1992. - - С. 29.

2. Арефьев А.А., Фотиев Ю.А. Метод измерения параметров прозрачных трубок в процессе вытяжки // Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов ( «ИКАПП-91» ): 2-я Всесоюзн. конф.: Докл., 11-13 сентября 1991 г. - Барнаул: Алт ПИ, 1991,- -4.2.-С. 13-14.

3. Арефьев А.А., Фотиев Ю.А. Лазерный измеритель параметров прозрачных трубок // Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов ( «ИКАПП-91» ): 2-я Всесоюзн. конф.: Докл., 11 -13 сентября 1991-г, -Барнаул: Алт ПИ, 1991. - 4.1. - С. 50- -51.

4. Арефьев А.А., Фотисв Ю.А. Лазерный контроль в технологическом процессе изготовления многожильных световодов // Лазерная технология и ее применение в промышленности России: Республиканская научно-техническая конф.: Докл., 16-17 декабря 1992 г. - СПб: СПб ЛГУ, 1992. - С. 15 -16.

5. Арефьев А.А., Фотиев Ю.А. Производственный контроль волоконно-оптических пластин // Фотометрия и се метрологическое обеспечение: 9-я научно-техническая конференция: Докл., 24 - 26 ноября 1992 г. - М.: ВНИИОФИ, 1992. - С. 101.

6. Арефьев А.А., Фотиев Ю.А. Контроль капилляров методами измерения фокусных расстояний и увеличения // Световоды и их применение: 5-я научная конф.: Докл., 19 - 21 января 1995 г. - Бяловежа, Польша, 1995. - -С. 6-12.

7. Баранов В.К., Фотиев Ю.А., Арефьев А.А. Контроль штабиков граданов во время вытяжки // Электрография 91: Докл., 22 - 25 октября 1991 г.-М., 1991,-4.1.-С. 35-37.

8. Измерение геометрических размеров прозрачных труб / А.А. Арефьев, А.Ц. Вартаньянц, Ю.А. Фотиев, Ю.П. Чертов, М.Ю. Шатин // 3-я Всесоюзн. конф. По изучению релятивистских частиц в кристаллах: Докл., 25 - 30 мая 1988 г. - Нальчик: Кабардино-Балкарский гос. уни-т, 1988. - С. 220-222. ,

9. Илюхин В.А., Фотиев Ю.А. Контроль стеклянных трубок во время вытяжки // Использование волоконных световодов: 4-я научная конф.: Докл., 16 - 18 января 1992 г. - Бяловежа, Польша, 1992. - С. 53 - -55.

10. Илюхин В.А., Фотиев Ю.А. Датчики для контроля капилляров: аппаратура и эксперимент // Световоды и их применение: 5-я научная конф.: Докл., 19 - 21 января 1995 г. - Бяловежа, Польша, 1995. - С. 13 -19.

11. Фотиев Ю.А. Сравнительный анализ методов и средств измерения геометрических параметров прозрачных трубок // Измерения и контроль ири автоматизации производственных процессов ( «ИКАПП-91» ): 2-я Всесоюзн. конф.: Докл., 11-13 сентября 1991 г. - Барнаул: Алт ПИ, 1991. -4.2.-С. 11 -12.

12. Фотиев Ю.А. Устройство контроля контроля внутреннего диаметра капилляров // Датчики электрических и неэлектрических величин ( «Датчик-93» ): 1-я Международная конф.: Докл., 23 - 25 июня 1993 г. -Барнаул: Алт ГТУ, 1993. - 4.2. - С. 111 -112.

13. Фотисв Ю.А. Теневой измеритель внутреннего диаметра капилляров // Датчики электрических и неэлсктрических величин ( «Датчик - 93» ): 1-я Международная конф.: Докл., 23 - 25 июня 1993 г. -- Барнаул: Алт ГТУ, 1993. - 4.1. - С. 65 - 66.

14. Фотиев Ю.А. Оптико-электронный микроскоп для измерения параметров капилляров // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации: Международная конф.: Докл., 5-8 октября 1993 г. - Курск: КПИ, 1993. - С. 66 - 67.

15. Фотиев Ю.А. Оптико-электронная система контроля капилляров // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации: Международная конф.: Докл., 5-8 октября 1993 г. - Курск: КПИ, 1993. -С. 145 - 146.

16. Фотиев Ю.А., Рябинин А.Л., Арефьев А.А. Контроль качества изготовления волоконно - оптических элементов // Технология производства и обработки оптического стекла и материалов: Научно -техническая конф.: Докл., 15-16 ноября 2000 г. - М., 2000 - С. 57

17. А. с. 1775598 СССР, МКИ 4 в 01 В 11 / 08. Способ измерения параметров прозрачных труб и устройство для его осуществления / А.А. Арефьев, А.Ц. Вартаньянц, Ю.А. Фотиев, М.Ю. Шатин. № 4897658 / 28; Заявл. 02.01.91; Опубл. 15.11.92. Бюл. №42. - '-9 е.: ил.

18. Пат. 2020410 РФ, МКИ 4 в 01 В 21 / 02. Устройство непрерывного контроля параметров шестигранного волоконно-оптического стержня во время вытяжки / А.А. Арефьев, Ю.А. Фотиев, А.Г. Борзов. № 5033170 / 28; Заявл. 19.03.92; Опубл. 30.09.94. Бюл. № 18, 8 е.: ил.