CC BY
9Оптическая система датчика профиля поверхности
о ы
а
Черепанов Александр Николаевич,
к.ф.-м.н., доцент УрФУ, зам. директора Центра по работе с предприятиями Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, tchustu@mail.ru
Бочкарев Юрий Владимирович,
инженер, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, bocha@d-test.ru
Пестерев Сергей Николаевич,
директор ООО «Оптические pesterev@d-test.ru
измерительные системы»,
Попова Мария Александровна,
лаборант Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, mari.mashapopova@mail.ru
Тыщенко Игорь Сергеевич,
Университет Мельбурн, tis-public@yandex.ru
Контроль профилей различных поверхностей - это важная задача при производстве изделий металлургии и нефтегазовой промышленности. В данной статье приводится обзор разработки и создания оптоэлектронного сенсора для контроля профиля поверхности. С помощью данного устройства возможно проводить измерение: зазоров, диаметра, овальности, отклонения от круга, сварных швов, профиля поверхности, дефектов и геометрических размеров изделий. Также устройство может быть использовано для распознавания объектов. В статье предложен возможный способ создания датчика профиля поверхности. Более того, предложен способ построения оптической части триангуляционной системы, используемой в излучающей части таких датчиков, обсуждается сама оптическая система. Все моделирование выполнено с использованием программного пакета Zemax. На настоящий момент датчик находится в стадии пускона-ладки и финальных испытаний.
Ключевые слова: оптические системы, оптоэлектронный датчик, контроль поверхности, контроль профиля поверхности, zemax, лазерная триангуляция.
3
а б
Введение
В данной работе освещается разрабатывается оптоэлектронный датчик профиля поверхности. На сегодняшний день проведение измерений профиля поверхности является сложной и востребованной физической задачей. Такие измерения находят свое применение в следующих областях промышленности: (пищевая, фармацевтическая, химическая и т.д.), металлургия, нефтегазовая промышленность, приборостроение. С помощью данного устройства возможно проводить измерение: зазоров, диаметра, овальности, отклонения от круга, сварных швов, профиля поверхности, нарезов, дефектов, геометрических размеров различных изделий, а также проводить распознавание объектов.
Датчик профиля поверхности разрабатывается как первичный сенсор в различных приборах. Он сканирует исследуемую поверхность с высокой частотой и находит различные дефекты с требуемой точностью. Результатом такого сканирования служит облако точек исследуемой поверхности с требуемыми метрологическими характеристиками расположенных в системе координат датчика.
На данный момент в России не создается оптических средств измерений. Эта практика давно утеряна, в то время как зарубежные приборы отличаются своей высокой стоимостью или недостаточной точностью для выполнения необходимых задач. В 2017 году УрФУ и ООО «Оптические измерительные системы» начали выпускать датчики данного типа, чтобы решить данную проблему. В статье приводится описание технической реализации и конструктивного решения данного типа приборов.
Техническая реализация
Для решений задач промышленного размерного контроля широко применяется метод лазерной триангуляции [х]. Его принцип действия состоит в том, что на контролируемой поверхности формируется световое пятно, а затем изображение этого пятна строится на многоэлементном приемнике, после чего определяется положение изображения X и координата Z поверхности по известным зависимостям [х].
В данном проекте для контроля профиля поверхности был разработан двумерный триангуляционный датчик со встроенным высокоскоростным вычислителем. Он выдает массив координат объекта в абсолютных координатах. Дополнительный внешний вычислитель не требуется.
Схема лазерного триангуляционного датчика может быть поделена на три части (рисунок 1) [х]. Это излучающий канал, контролируемая поверхность и приемный канал.
Рис. 1
Излучающий канал, состоящий из источника излучения и объектива представляет собой первую часть схемы. Он формирует зондирующий пучок на исследуемой поверхности. Обычно в качестве источника излучения используется лазерный диод [х]. В данном проекте применяется это же решение.
Объектив, фокусирующий излучение с лазерного диода состоит из одной или нескольких оптических линз.
Контролируемая поверхность (2) - вторая необходимая часть схемы лазерного триангуляционного датчика. Она отражает или рассеивает падающее излучение. Основная форма поучения информации о расстоянии до поверхности в триангуляции - это рассеяние лазерного излучения поверхностью исследуемого объекта.
Приемный канал, состоящий из проецирующего объектива и фотоприемника - это третья важная часть схемы лазерного триангулятора. Зондирующее пятно формируется с помощью проецирующего объектива на плоскости фотоприемника. Чем больше диаметр D объектива, тем выше его светосила, тем интенсивнее и качественнее строится изображение пятна [х].
В разных реализациях лазерного триангулятора в качестве приемника, регистрирующего сформированное изображение, используют либо фотодиодную матрицу (ПЗС), либо позици-онно-чувствительный фотоприемник (PSD) [х]. По разрешающей способности PSD превосходит ПЗС в 10 раз. При использовании PSD также достигается большая частота измерений.
В данной конкретной реализации используются ПЗС матрицы, так как использование PSD возможно только при построении 1D триангуляционного датчика.
Реализация оптической системы
Для фокусировки и управления лазерным пучком в данном устройстве авторами была спроектирована следующая оптическая система с использованием пакета Zemax. К сожалению, конкретные расстояния и выбранные линзы не могут быть приведены в рамках данной работы, так как это представляет собой коммерческую тайну, но общая концепция построения будет приведена.
Оптическая система представлена на рисунке 2. Синим цветом смоделированы лазерные лучи.
Рисунок 2 - Оптическая система датчика профиля поверхности
Лазерный луч испускается лазерным диодом (не представлен на рисунке 2), выходное окно, которого задается апертурой 1. Далее лазерное
О R
I»
£
55 т П
излучение попадает на исследуемую поверхность (рассеивающая поверхность), где рассеивается.
Рассеянное излучение попадает на фокусирующий объектив, который состоит в данной реализации из двух одинаковых асферических линз, повернутых друг на друга. Первая линза коллимирует рассеянный пучок лазерного излучения, а вторая фокусирует сколимированный пучок на ПЗС-линейку.
Использование асферических линз обусловлено их способностью понижать уровень аберраций системы.
За счет перемещения рассеивающей поверхности моделируется поведения системы в рабочем диапазоне датчика. При ее движении сфокусированная точка перемещается по ПЗС-линейке.
Общее строение оптической системы, представленной выше может быть использовано для триангуляционных измерений в различных рабочих диапазонах, для чего необходимо изменять расстояния между компонентами системы в зависимости от конкретной задачи.
Заключение
В данной статье были рассмотрены проблемы, возникающие при построении оптоэлек-тронных датчиков профиля поверхности для контроля дефектов, овальности, сварных швов труб и других поверхностей, а также приведены решения некоторых из них. Представлены основные принципы построения таких датчиков.
Было разработано конструктивное решение для оптической системы датчика профиля поверхности в пакете Zemax. Данное решение может быть использовано при создании триангуляционных датчиков для разных рабочих диапазонов.
Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора от 01.12.2015г № 02.G25.31.0161.
Optical system of the surface profile sensor
Cherepanov A.N., Bochkarev Yu.V., Pesterev S.N., Popova M.A., Tyshchenko I.S.
Ural Federal University named after the first president of Russia Boris Yeltsin, "Optical measuring systems" Ltd., University of Melbourne
The monitoring of the profiles of various surfaces is an important task in the production of metallurgical products and the oil and gas industry. This article provides an overview of the development and creation of an optoelectronic sensor for surface profile monitoring. With the help of this device it is possible to measure: gaps, diameter, ovality, deviation from the circle, welds, surface profile, defects and geometric dimensions of products. Also, the device can be used to recognize objects. The article suggests a possible way of creating a surface profile sensor. Moreover, a method for constructing the optical part of the triangulation system used in the emitting part of such sensors is proposed, the optical system itself is discussed. All simulations are performed using the Zemax software package. At the moment, the sensor is in the process of commissioning and final testing.
Key words: optical systems, optoelectronic sensor, surface control, surface process control, zemax, laser triangulation.
References
1. Kreopalova G. V., Lazareva N.L., Puryaev D.T. Optical measurements. - M.: Mechanical engineering, 1987. - 264 pages.
2. Koronkevich V. P., A.G. Poleshchuk, Sedukhin A.G., Lenkova
G.A. Laser interferometric and diffraction systems//Computer optics. - 2010, volume 34, No. 1, page 4-23.
3. Zakaznov N.P., Kiryushin S.I., Kuzichev V.I. Theory of optical
systems. - M.: Fizmatlit, 1992. - 448 pages.
4. Klimkov Yu.M. Application-oriented laser optics. - M.: Mechanical engineering, 1985. - 66 pages.
5. Dr. Ralf Mayer Precision Injection Molding // Optic & Photonic.
- 2007, Vol. 2, Issue 4, p. 2-60.
Q U
a
s
«
a б
Литература
1. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. - М. Машиностроение, 1987. - 264 с.
2. Коронкевич В.П., А.Г. Полещук, Седухин А.Г., Ленкова Г.А. Лазерные интерферометриче-ские и дифракционные системы // Компьютерная оптика. - 2010, том 34, №1, с. 4-23.
3. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. - М. :Физматлит, 1992. - 448 с.
4. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. - М. Машиностроение, 1985. - 66 с.
5. Dr. Ralf Mayer Precision Injection Molding // Optic & Photonic. - 2007, Vol. 2, Issue 4, p. 2-60.
