RU2325048C1

RU2325048C1 - Laser centralizer for x-ray emitter

Info

Publication number: RU2325048C1
Application number: RU2006130705/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Кеткович (RU); Андрей Анатольевич Кеткович; Виктор Яковлевич Маклашевский (RU); Виктор Яковлевич Маклашевский
Original assignee: Войсковая часть 75360
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-05-20

Abstract

FIELD: physics; X-ray inspection.

SUBSTANCE: additionally, the third semi-transparent mirror is introduced, located at the optical axis of the TV camera lens, between the lens and the first mirror; the second lens, the optical axis of which coincides with the axis running through the intersection point of the third mirror and the optical axis of the pancratic lens of the TV camera, normal to this axis; the second measuring scale for the measurement of the size of flaws in the object plane, located in the focal plane of the second lens so that the scale can be rotated relative to its optical axis; the second light source for the illumination of this scale.

EFFECT: measurement of size of flaws on object surface.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью рентгеновского излучения и может быть использовано для контроля материалов и изделий в машиностроении, авиакосмической и оборонной технике.The invention relates to non-destructive testing using x-ray radiation and can be used to control materials and products in mechanical engineering, aerospace and defense technology.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем телекамерой, оптическая ось которой параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, зеркало из оргстекла, направляющее на объект лазерные пучки, коллинеарные с рентгеновским пучком, и шкалу. Также содержит два микролазера, установленных симметрично и параллельно оптической оси телекамеры, которые с помощью первого зеркала формируют изображения лазерных пятен с постоянным расстоянием между ними, не зависящим от расстояния до объекта, объектив телекамеры выполнен панкратическим, формирует в плоскости ПЗС-матрицы телекамеры изображения лазерных пятен на объекте, наблюдаемые на экране видеомонитора одновременно с изображением реперных марок, формируемых на ПЗС-матрице телекамеры с помощью второго зеркала, выполненного полупрозрачным, микрообъектив и диафрагму с отверстиями, освещаемыми дополнительным источником света. Объектив телекамеры содержит механизм изменения фокусного расстояния, который имеет шкалу, отградуированную непосредственно в значениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом, и с помощью которого добиваются равенства расстояний между изображениями лазерных пятен и реперных меток, и в этот момент считывают со шкалы объектива текущее значение расстояния между рентгеновским излучателем и объективом.A known laser centralizer for an x-ray emitter, comprising a housing with a television camera located in it, whose optical axis is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, a plexiglass mirror directing laser beams collinear with the x-ray beam to the object, and a scale. It also contains two microlasers mounted symmetrically and parallel to the optical axis of the camera, which using the first mirror form images of laser spots with a constant distance between them, independent of the distance to the object, the camera lens is made pankratichesky, forms in the plane of the CCD matrix of the camera camera images of laser spots at the object, observed on the screen of the video monitor simultaneously with the image of reference marks formed on the CCD matrix of the camera with the help of a second mirror made by transparent, microlens and orifice illuminates supplementary light source. The camera lens contains a mechanism for changing the focal length, which has a scale calibrated directly in the distance between the x-ray emitter and the object, and with which they achieve the equality of the distances between the images of laser spots and reference marks, and at this moment the current value of the distance between X-ray emitter and lens.

Недостаток изобретения - невозможность измерения величины дефектов на поверхности объекта из-за отсутствия соответствующих измерительных шкал.The disadvantage of the invention is the inability to measure the magnitude of defects on the surface of the object due to the lack of appropriate measuring scales.

Цель изобретения - устранение этого недостатка.The purpose of the invention is the elimination of this disadvantage.

Для этого в лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус, в котором расположены телекамера, состоящая из панкратического объектива, ПЗС-матрицы и видеомонитора, оптическая ось которой параллельна оптической оси рентгеновсково излучателя, первое зеркало из оргстекла, установленное на пересечении осей рентгеновского пучка и объектива телекамеры перпендикулярно образованной ими плоскости, два микролазера, установленные симметрично и параллельно оптической оси объектива телекамеры на фиксированном расстоянии друг от друга, формирующие с помощью первого зеркала на объекте изображения лазерных пятен с постоянным расстоянием между ними, не зависящим от расстояния до объекта от рентгеновского излучателя, второе зеркало, выполненное полупрозрачным и установленное на оси объектива телекамеры, между ним и ПЗС-матрицей, диафрагма с отверстиями, первый источник света для ее подсветки, микрообъектив для проектирования отверстий диафрагмы, играющих роль реперных меток, на ПЗС-матрицу, механизм изменения фокусного расстояния панкратического объектива телекамеры с измерительной шкалой, отградуированной непосредственно в значениях расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, с которой считывают значение этого расстояния в момент равенства расстояний между изображениями лазерных пятен и реперными метками, дополнительно введены третье зеркало, выполненное полупрозрачным и расположенное на оптической оси объектива телекамеры между ним и первым зеркалом, второй объектив, оптическая ось которого совпадает с осью, проведенной через точку пересечения третьего зеркала с оптической осью объектива телекамеры перпендикулярно к этой оси, вторая измерительная шкала для измерения размеров дефектов в плоскости объекта, расположенная в фокальной плоскости второго объектива с возможностью вращения относительно его оптической оси, второй источник света для подсветки этой шкалы, причем цена деления второй измерительной шкалы в плоскости объекта определяется выражением

, где Со - цена деления второй измерительной шкалы, f'₂ - фокусное расстояние второго объектива, F - текущее значение расстояния от объекта до рентгеновского излучателя,

- константа, на шкале механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива телекамеры нанесены значения цены деления второй измерительной шкалы в плоскости объекта, соответствующие различным расстояниям F, а размер дефекта в плоскости объекта определяется выражением D=С_F·N, где N - число деления второй измерительной шкалы, приходящееся на изображение дефекта, С_F - цена деления этой шкалы.To do this, into a laser centralizer for an x-ray emitter, comprising a housing in which a television camera is located, consisting of a pancratic lens, a CCD matrix and a video monitor, the optical axis of which is parallel to the optical axis of the x-ray emitter, the first plexiglass mirror mounted at the intersection of the x-ray axis and the lens cameras perpendicular to the plane formed by them, two microlasers mounted symmetrically and parallel to the optical axis of the camera lens at a fixed distance d ug from each other, forming using the first mirror on the object images of laser spots with a constant distance between them, independent of the distance from the object from the x-ray emitter, the second mirror, made translucent and mounted on the axis of the camera lens, between it and the CCD matrix, the diaphragm with holes, the first light source for its illumination, a micro lens for designing aperture holes that play the role of reference marks, on a CCD matrix, a mechanism for changing the focal length of a pan-optical lens cameras with a measuring scale calibrated directly in the distance from the object to the x-ray emitter, from which the value of this distance is read at the moment of equal distances between the images of laser spots and reference marks, an additional third mirror is introduced, made translucent and located on the optical axis of the camera lens between it and the first mirror, the second lens, the optical axis of which coincides with the axis drawn through the point of intersection of the third mirror with the optical the second axis of the camera lens perpendicular to this axis, the second measuring scale for measuring the size of defects in the plane of the object, located in the focal plane of the second lens with the possibility of rotation relative to its optical axis, the second light source to illuminate this scale, and the division price of the second measuring scale in the plane object is determined by the expression

where Co is the division price of the second measuring scale, f ' ₂ is the focal length of the second lens, F is the current value of the distance from the object to the x-ray emitter,

is a constant, on the scale of the mechanism for changing the focal length of the camera’s pan-optical lens, the values of the division price of the second measuring scale in the object plane are plotted, corresponding to different distances F, and the defect size in the object plane is determined by the expression D = С _F · N, where N is the number of division of the second measurement the scale attributable to the image of the defect, C _F is the division price of this scale.

Изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором показана общая схема устройства (а), вид экрана видеомонитора (б) и расчетная схема выбора основных геометрических параметров (фиг.2).The invention is illustrated by the drawing (figure 1), which shows the General diagram of the device (a), the screen view of the video monitor (b) and the design scheme for the selection of basic geometric parameters (figure 2).

Устройство содержит рентгеновский излучатель 1, на котором крепится корпус, в котором располагаются телекамера с панкратическим объективом 4, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два микролазера 3, 8, расположенных симметрично относительно оптической оси объектива на расстоянии В друг от друга и параллельно оси объектива, первое зеркало из оргстекла 2, установленное на пересечении осей симметрично рентгеновскому пучку и оптической оси панкратического объектива и направляющее на объект лучи микролазеров 3 и 8 для создания на нем дальномерной базы в виде двух светящихся точек, расстояние между которыми на объективе не меняется при изменениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом, второе зеркало 5, выполненное полупрозрачным и установленное на оптической оси панкратического объектива между ним и ПЗС-матрицей 6 телекамеры, с помощью которого в ее плоскостях строится с помощью оптической системы, состоящей из источника света, диафрагмы 10 с отверстиями и микрообъектива 9, изображения реперных меток, расположенных на расстоянии С друг от друга и наблюдаемых на экране видеомонитора 7 одновременно с изображениями светящихся лазерных точек на объекте, расстояние между которыми (В'), пропорциональное расстоянию между рентгеновским излучателем и объектом, поддерживается постоянным и равным расстоянию (С) между метками с помощью механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива, отсчет по шкале которого в момент равенства величины В'=С непосредственно определяет текущее значение расстояния между рентгеновским излучателем и объектом.The device comprises an x-ray emitter 1, on which a housing is mounted, in which a television camera with a pan-objective lens 4 is located, the optical axis of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, two microlasers 3, 8 located symmetrically relative to the optical axis of the lens at a distance B from each other and parallel to the axis the lens, the first Plexiglas mirror 2, mounted at the intersection of the axes symmetrically to the x-ray beam and the optical axis of the pancratic lens and directing microns to the object olazers 3 and 8 to create a range-measuring base on it in the form of two luminous points, the distance between which on the lens does not change with changes in the distance between the x-ray emitter and the object, the second mirror 5, made translucent and mounted on the optical axis of the pan-optical lens between it and the CCD matrix 6 of the camera, with the help of which it is built in its planes using an optical system consisting of a light source, aperture 10 with holes and a micro lens 9, images of reference marks located on p the distance C from each other and observed on the screen of the video monitor 7 simultaneously with images of luminous laser points on the object, the distance between which (B '), proportional to the distance between the x-ray emitter and the object, is maintained constant and equal to the distance (C) between the marks using the change mechanism the focal length of a pancratic lens, the reading on a scale of which at the moment of equal value of B '= C directly determines the current value of the distance between the x-ray emitter and the object.

На оптической оси объектива 4 между ним и первым зеркалом 2 под углом 45° к этой оси установлено третье зеркало 12, выполненное полупрозрачным. На оси, проходящей через точку пересечения оптической оси объектива 4 с третьим зеркалом 12 перпендикулярно к оси объектива 4 расположены последовательно третий объектив 13, вторая измерительная шкала 14 и второй источник света для ее подсветки. Второе измерительное направление шкалы 14 установлено с возможностью ее вращения относительно оптической оси объектива 13 для оценки размеров дефектов в различных направлениях.On the optical axis of the lens 4 between it and the first mirror 2 at an angle of 45 ° to this axis, a third mirror 12 is installed, made translucent. On the axis passing through the point of intersection of the optical axis of the lens 4 with the third mirror 12, a third lens 13, a second measuring scale 14 and a second light source for illuminating it are arranged in series with the third lens 13. The second measuring direction of the scale 14 is installed with the possibility of rotation relative to the optical axis of the lens 13 to assess the size of defects in various directions.

На шкале 17 механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива 4 нанесены значения цены деления второй измерительной шкалы 14 в плоскости объекта, соответствующие различным расстояниям F от объекта до рентгеновского излучателя (фиг.2).On the scale 17 of the mechanism for changing the focal length of the pancratic lens 4, the values of the division price of the second measuring scale 14 are plotted in the plane of the object, corresponding to different distances F from the object to the x-ray emitter (Fig. 2).

На фиг.1(б) представлен вид экрана при измерении расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, а на фиг.1(в) - вид экрана при измерении размера дефектов в плоскости объекта.Figure 1 (b) presents a view of the screen when measuring the distance from the object to the x-ray emitter, and figure 1 (c) is a view of the screen when measuring the size of defects in the plane of the object.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Оператор направляет на объект центратор и наблюдает на видеомониторе одновременно изображения светящихся лазерных точек на объекте и двух реперных меток. При несовпадении расстояний между метками и изображениями лазерных точек с помощью механизма изменения фокусного расстояния объектива добиваются их равенства и в момент С=B' отсчитывают соответствующее значение расстояния между излучателем и объектом по шкале, связанной с механизмом изменения фокусного расстояния панкратического объектива.The operator directs the centralizer to the object and observes simultaneously on the video monitor images of luminous laser points on the object and two reference marks. If the distances between the marks and images of the laser points do not match using the mechanism of changing the focal length of the lens, they are equal and at the moment C = B 'the corresponding value of the distance between the emitter and the object is counted on a scale associated with the mechanism of changing the focal length of the pan-optical lens.

При этом второй источник света 15 может быть выключен.In this case, the second light source 15 can be turned off.

Затем оператор включает второй источник света 15 и отключает первый источник света 11, а также источники питания микролазеров 3 и 8, чтобы на экране не было изображений, затрудняющих выполнение операций по измерению размеров дефектов в плоскости объекта 16. Подсчитывая число делений N изображения шкалы 14 на экране видеомонитора и умножая его на цену деления этой шкалы для данного значения расстояния F от объекта до рентгеновского излучателя, зафиксированного на шкале механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива 4, оценивают размер дефекта по формуле L=C·N. В случае необходимости измерения проводят для различных направлений по изображению дефекта, вращая шкалу 14.Then the operator turns on the second light source 15 and turns off the first light source 11, as well as the power sources of the microlasers 3 and 8, so that there are no images on the screen that impede the measurement of defects in the plane of the object 16. Counting the number of divisions N of the image of the scale 14 by screen of the video monitor and multiplying it by the price of dividing this scale for a given value of the distance F from the object to the x-ray emitter, fixed on the scale of the mechanism for changing the focal length of the pan-optical lens 4, estimate vayut size of the defect by the formula L = C · N. If necessary, measurements are carried out for various directions in the image of the defect by rotating the scale 14.

Отметим, что измерения размеров дефектов на поверхности объекта могут быть выполнены при любом значении фокусного расстоянии панкратического объектива 4, однако при этом цена деления шкалы 14 в пространстве объектов С_F остается постоянной, соответствующей значению расстояния F от объекта до рентгеновского излучателя, определенного при выполнении процедуры измерения этого расстояния на первом этапе работы с центратором.Note that measuring the size of defects on the surface of an object can be performed at any value of the focal length of the pan-objective lens 4, however, the division price of the scale 14 in the space of objects C _F remains constant, corresponding to the value of the distance F from the object to the x-ray emitter determined during the procedure measuring this distance at the first stage of work with the centralizer.

Это помогает при оценке размеров дефектов, особенно сложной формы, когда анализ их изображений может потребовать значения фокусного расстояния панкратического объектива 4 и соответственно масштабах этих изображений, зафиксированного при измерении расстояния от объекта до рентгеновского излучателя.This helps in assessing the size of defects, especially of a complex shape, when analyzing their images may require the focal length of the pan-objective lens 4 and, accordingly, the scales of these images recorded when measuring the distance from the object to the x-ray emitter.

На фиг.2 приведена расчетная схема для оценки цены деления второй измерительной шкалы в плоскости объекта.Figure 2 shows the calculation scheme for estimating the division price of the second measuring scale in the plane of the object.

Поскольку расстояние от объекта до рентгеновского излучателя на практике существенно превышает даже минимальное значение фокусного расстояния f'₁, панкратического объектива 4, т.е. F>>f'₁, то объектив 4 работает в режиме фокусировки на бесконечно удаленный объект. Например, для характерных значений F_min≥3000 мм, f'_max≤100 мм, имеем F_min≥30 f'₁, что принято считать "началом бесконечности" [2].Since the distance from the object to the x-ray emitter in practice significantly exceeds even the minimum value of the focal length f ' ₁ , of the pan-objective lens 4, i.e. F >> f ' ₁ , then lens 4 operates in the focus mode on an infinitely distant object. For example, for the characteristic values of F _min ≥3000 mm, f ' _max ≤100 mm, we have F _min ≥30 f' ₁ , which is considered to be the "beginning of infinity" [2].

Вторая измерительная шкала с ценой деления Со размещена в фокальной плоскости объектива 13, поэтому на его выходе формируются параллельные пучки света и для объектива 4 они также представляют объект, удаленный в бесконечность.The second measuring scale with the division price Co is located in the focal plane of the lens 13, therefore parallel beams of light are formed at its output and for the lens 4 they also represent an object that is distant to infinity.

Величина изображения делений второй измерительной шкалы в фокальной плоскости объектива 4The magnitude of the image of the divisions of the second measuring scale in the focal plane of the lens 4

Величина же этих изображений в плоскости объекта в обратном ходе лучей для объектива 4 будет равна

, где F - расстояние от объекта до рентгеновского излучателя.The magnitude of these images in the plane of the object in the reverse rays for lens 4 will be equal to

where F is the distance from the object to the x-ray emitter.

Подставляя значение C'_о, получим окончательноSubstituting the value of C ' _about , we get finally

, где А - константа.

where A is a constant.

Единица измерения С_F зависит от выбора единиц измерения расстояния F и величины константы A. Если F измерена в метрах (м), то и C_F будет в метрах (м).The unit of measure C _F depends on the choice of units of measure for distance F and the value of the constant A. If F is measured in meters (m), then C _F will also be in meters (m).

В пилотном образце центратора было принято Со=0,1 мм, f₂=100 мм, А=0,001.In the pilot sample of the centralizer, Co = 0.1 mm, f ₂ = 100 mm, A = 0.001 was taken.

Тогда при F=F_max=5 м, C_F=0,005 м = 5 мм.Then, at F = F _max = 5 m, C _F = 0.005 m = 5 mm.

Такая точность измерения дефектов типа пробоин, вмятин, разрывов вполне достаточно для оценки степени поврежденности крупногабаритных объектов авиакосмической техники.Such accuracy of measuring defects such as holes, dents, gaps is quite enough to assess the degree of damage to large-sized objects of aerospace engineering.

F=F_min=2 м, C_F=0,002 м = 2 мм.F = F _min = 2 m, C _F = 0.002 m = 2 mm.

На шкале механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива 4, отградуированной непосредственно в значениях расстояний от объекта до рентгеновского излучателя F, в качестве единиц измерения приняты метры (м).On the scale of the mechanism for changing the focal length of a pancratic lens 4, calibrated directly in the distance values from the object to the X-ray emitter F, meters (m) are taken as the units of measurement.

Для удобства работы оператора значения цены деления C_F в плоскости объекта приведены в миллиметрах (мм), которые при

численно равны значениям F, приведенным в метрах.For the convenience of the operator, the values of the division price C _F in the plane of the object are given in millimeters (mm), which at

numerically equal to the values of F given in meters.

Таким образом, если по шкале расстояний механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива 4, отградуированной непосредственно в расстояниях F от объекта до рентгеновского излучателя, снят отсчет, например F=3,0 м, то значение C_F при этом составляет C_F=3,0 мм.Thus, if, on the distance scale of the mechanism for changing the focal length of the pan-optical lens 4, calibrated directly at distances F from the object to the X-ray emitter, a count is taken, for example, F = 3.0 m, then the value of C _F is C _F = 3.0 mm

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Патент на изобретение от 20.05.2005 г. Лазерный центратор для рентгеновского излучателя. Патентообладатель в/ч 75560. Авторы: Кеткович А.А., Маклашевский В.Я.1. Patent for invention dated 05/20/2005. Laser centralizer for X-ray emitter. Patent holder of military unit 75560. Authors: Ketkovich AA, Maklashevsky V.Ya.

2. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под ред. В.А.Панова, 5-е изд. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд. 1980, - 742 с.2. Reference designer of optical-mechanical devices. Ed. V.A. Panova, 5th ed. L .: Engineering, Leningrad. Dep. 1980, - 742 s.

Claims

1. A laser centralizer for an x-ray emitter, comprising a housing in which a television camera is located, consisting of a pancratic lens, a CCD matrix and a video monitor, the optical axis of which is parallel to the optical axis of the x-ray emitter, the first plexiglass mirror mounted at the intersection of the axes of the x-ray beam and the camera lens perpendicular to the plane formed by them, two microlasers mounted symmetrically and parallel to the optical axis of the pancratic camera lens at a fixed distance from each other, forming with the help of the first mirror on the object images of laser spots with a constant distance between them, independent of the distance to the object from the x-ray emitter, the second mirror, made translucent and mounted on the axis of the pan-objective lens of the camera between it and the CCD, using a second mirror and an optical system consisting of a diaphragm with holes, a first light source for its illumination, a micro lens for designing aperture holes, in the plane of the CCD matrix An image of reference marks, a mechanism for changing the focal length of a pan-camera lens of a television camera with a measuring scale calibrated directly in the distance from the object to the x-ray emitter is read, with which the value of this distance is read at the moment of equal distances between the images of laser spots and reference marks, characterized in that additionally introduced a third mirror, made translucent and located on the optical axis of the camera lens between it and the first mirror, A second lens, the optical axis of which coincides with the axis drawn through the point of intersection of the third mirror with the optical axis of the pan-camera lens perpendicular to this axis, the second measuring scale for measuring defects in the plane of the object, located in the focal plane of the second lens with the possibility of rotation relative to its optical axis, the second light source to highlight this scale, and the division price of the second measuring scale in the plane of the object is determined by the expression

where C ₀ is the division price of the second measuring scale, f ' ₂ is the focal length of the second lens, F is the current value of the distance from the object to the x-ray emitter,

is a constant, on the scale of the mechanism for changing the focal length of the camera’s pan-optical lens, the values of the division price of the second measuring scale in the object plane are plotted, corresponding to different distances F, and the defect size in the object plane is determined by the expression D = C _F · N, where N is the number of division of the second measurement the scale attributable to the image of the defect, C _F is the division price of this scale.

2. The laser centralizer according to claim 1, characterized in that the value of the constant A is taken equal to A = 1/1000, at which the division price of the second measuring scale in the plane of the object, expressed in millimeters, is numerically equal to the distance from the object to the x-ray emitter, expressed in meters.

3. The laser centralizer according to claim 1 or 2, characterized in that the second measuring scale is mounted in the focal plane of the second lens with the possibility of rotation relative to the optical axis of this lens.