Результат интеллектуальной деятельности: Способ калибровки лазерного толщиномера

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для калибровки лазерного толщиномера, построенного по триангуляционным схемам и предназначенного для измерения толщины, в частности, холодного проката в металлургической промышленности.

Наиболее близкий способ калибровки раскрыт в описании патента РФ №2542633 «Лазерный толщиномер и способ его калибровки» МПК GO1B 11/02 опубликован 20.02.2015 БИ №5.

Толщина, в которой измеряется в соответствие с соотношением, t=R₀-(R_1i+R_2i) , где: R₀ - база толщиномера это расстояние между фотоэлектрическими модулями a, R_1i, R_2i - расстояния, измеренные верхним R_1i фотоэлектрическим модулем и R_2i нижним, соответственно, до верхней и нижней контролируемой поверхности. Для калибровки эталон толщины t_etj размещают в зоне измерения толщиномера. Эталон перемещают дискретно с шагом δ от нижней границы до верхней, фиксируя на каждом шаге расстояния от верхнего фотоэлектрического модуля до верхней поверхности эталона R_1i и от нижнего фотоэлектрического модуля до нижней поверхности R_2i эталона и, соответствующие этим расстояниям номера элементов n_1i и n_2i, зафиксированные многоэлементными линейными приемниками. Полученные градуировочные характеристики верхнего (Rn_1i, n_1i) и нижнего (R_n2i, n_2i) фотоэлектрических модулей запоминают и используют для расчетов угловых коэффициентов k₁, k₂ и смещений b₁, b₂, которые необходимы для вычисления текущих расстояний верхним R_1i=k_1in_1i+b₁, и нижним R_2i=k_2i n_2i+b₂ фотоэлектрическими модулями.

Недостаток данного способа калибровки состоит в конструктивных ограничениях измерения расстояний от фотоэлектрических модулей до верхней и нижней поверхности эталона в составе толщиномера. При

калибровке погрешности фиксации расстояний R_1i или R_2i должны быть меньше требуемой погрешности измерения толщины проката. Например, если требуемая погрешность измерения толщины проката 20 мкм, то обеспечение работы калибровочного устройства должно быть с погрешностью фиксации R_1i или R_2i в ~ (5-10) мкм. В составе толщиномера, при его эксплуатации, такие требования конструктивно ограниченны.

В связи с этим калибровку фотоэлектрических модулей проводят автономно. Для калибровки используют микрометрический подвижный механизм с эталонной поверхностью и отсчетной шкалой для измерений R_1i, или R_2i.

Кроме того, как показали измерения, погрешность измерения при таком способе калибровки зависит от установки фотоэлектрических модулей в толщиномер после их автономной калибровки.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерений и устранение перечисленных выше конструктивных ограничений калибровки без необходимости автономных измерений градуировочных характеристики для каждого фотоэлектрического модуля.

Поставленная цель достигается за счет того, что получают градуировочную характеристику (t_etj, n_1i, n_2i) всего толщиномера при перемещении эталона t_etj в зоне измерения от одной границы до другой с шагом 8 и фиксации на каждом шаге номеров элементов n_1i, n_2i, где 1<i<N, число шагов в зоне измерения, а 1<j<М, число эталонов. (В этом случае необходимость измерения расстояний R_1i, R_2i отсутствует, а для калибровки необходимы только эталоны толщина которых соответствует требуемому диапазону измерений. Отсутствует необходимость в автономной калибровке фотоэлектрических модулей с последующей установкой в толщиномер).

Толщину рассчитывают, как , а для определения коэффициентов: С, k₁, k₂,g₁,g₂ используют метод

наименьших квадратов при котором минимизируется ошибка измерения текущей толщины t_i относительно толщины эталона t_etj,

Для калибровки используют по меньшей мере два эталона толщины, принадлежащих требуемому динамическому диапазону измерений.

Калибровку производят в следующей последовательности. Эталон толщины t_etj размещают на одной из границ зоны измерения лазерного толщиномера. фиксируют соответствующие этому положению номера элементов на линейных многоэлементных приемниках, верхнем n₁₁ и нижнем n₂₁, (n₁₁, n₂₁, t_etj), Эталон толщины t_etj смещают по направлению к другой границе на величину δ и фиксируют соответствующие номера элементов (n₁₂, n₂₂, t_etj). На другой границе зоны измерения будет зафиксировано. (n_1N, n_2N, t_etj), где N - число измерений. Приведенная последовательность операций (n₁₁, n₂₁, t_etj), (n_12, n₂₂, t_etj), … (n_1N, n_2N, t_etj), повторяется для М-эталонов 1<j<М., принадлежащих к требуемому диапазону измерения толщины. Толщину рассчитывают в соответствии с соотношением t=R₀-(R_1i+R_2i), в котором расстояния R_1i, R_2i, аппроксимируют следующим образом:

, где: k₁ k₂, g₁,g₂, b₁, b₂ коэффициенты. Толщину можно рассчитать, как , где: C=R₀-b₁-b₂.

Следует отметить, что для определения С не требуется измерять R₀, и рассчитывать b1, b2., так как коэффициент С определяется при решении задачи минимизации ошибки измерения.

Для определения коэффициентов: k₁, k₂,g₁, g₂, С используют метод наименьших квадратов (МНК), для минимизации ошибки измерения е текущей толщины t_i относительно толщины эталона t_etj,

В соответствие с методами решения МНК, чтобы найти минимум функции ε воспользуемся пакетами программ решения МНК: Mathcad, Maxima и другими, которые позволяют получить требуемые коэффициенты k₁, k₂, g₁, g₂, C.

Предлагаемый способ поясняется чертежами на которых изображены:

фиг. 1 Лазерный толщиномер с установленным калибровочным устройством,

фиг. 2 Алгоритм калибровки лазерного толщиномера.

Лазерный толщиномер (фиг. 1) содержит калибровочное устройство 1 жестко закрепленное на корпусе 2 толщиномера, включающее винты 3 и 4, штифты 5 и 6. Соединение калибровочного устройства 1 с корпусом толщиномера 2 и размещенными на нем фотоэлектрическими модулями 7, 8 обеспечивает однозначность установки калибровочного устройства при многократных повторениях операций калибровки с последующим переходом толщиномера в режим измерения.

Фотоэлектрические модули 7, 8 содержат лазерные излучатели 13, 14 с формирующей оптикой 15, 16 и приемный канал с многоэлементными приемниками 17, 18, усилителями видеосигнала 31, и микроконтроллерами 26, 27, приемными объективами 19, 20.

Калибровочное устройство 1 содержит электромеханический привод в качестве которого используется линейный шаговый двигатель -10 актуатор на валу которого 11 устанавливают сменный эталон толщины 12.

Кроме того в корпусе 2 толщиномера размещается вычислительное устройство 23.

Способ калибровки выполняют в соответствие с алгоритмом приведенным на фиг. 2 в следующей последовательности. На калибровочное устройство 1, зафиксированное на корпусе толщиномера 2 устанавливают эталон толщины 12 в требуемом динамическом диапазоне измерений. С помощью электромеханического привода 10 калибровочного устройства эталон размещают на одной из границ зоны измерения, например, 28 или 29, и фиксируют номера элементов n₁₁ и n₂₁, вычисленные расположенными в верхнем 7 и нижним 8 фотоэлектрическими модулями микроконтроллерами 26 и 27. Затем эталон смещают на величину (шаг) δ с последующей фиксацией номеров n₁₂, n₂₂. Вышеперечисленная последовательность операций повторяется до достижения другой границы зоны измерения с фиксацией номеров n_1N, n_2N для всех эталонов 1≤i≤М и всех 1≤j≤N измерений. Полученный массив данных (n_1i, n_2i, t_etj) для 1≤i≤М и 1≤j≤N является градуировочной характеристикой толщиномера и запоминается в вычислительном устройстве 23 в котором численно решается задача минимизации ошибки измерения текущей толщины t_i относительно толщины эталона t_etj.

Пример реализации способа калибровки лазерного толщиномера, предназначенного для измерения холодного проката толщиной от 2 мм до 8 мм: При калибровке были использованы эталоны толщиной: 2,33±0,001 мм.; 6,26±0.002 мм и 7,7±0,001 мм. Для получения градуировочной характеристики толщиномера (n_1i, n_2i, t_etj) эталоны смещались в зоне измерения с шагом δ=3 мм. Число измерений N для разных эталонов составляло от 4 до 12, число эталонов М=3.

Численное решение задачи минимизации ошибки измерения позволило рассчитать коэффициенты: C=26002,5, k₁=8.215, k₂=9.063, g₁=2.012×10^-4, g₂=2.997×10^-4. Ошибка измерения эталонов при их произвольном размещении в зоне измерения не превысила ε<20 мкм. При уменьшении числа эталонов до 2, погрешность измерения не изменилась.