RU2325051C1

RU2325051C1 - Laser centralizer for x-ray emitter

Info

Publication number: RU2325051C1
Application number: RU2006127811/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Кеткович (RU); Андрей Анатольевич Кеткович; Виктор Яковлевич Маклашевский (RU); Виктор Яковлевич Маклашевский
Original assignee: Войсковая часть 75360
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-05-20
Also published as: RU2006127811A

Abstract

FIELD: physics; X-ray inspection.

SUBSTANCE: centralizer is additionally equipped with a television system consisting of lens, CCD matrix, and monitor; laser with unidirectional radiation output is used, the axis of which is parallel to the longitudinal axis of the X-ray emitter; in front of the laser, at its optical axis, microlens is installed, focusing the laser radiation in the image plane of the television system lens, the axis of which coincides with the laser axis; between the microlens and the television system lens, on the optical axis of the laser, at 45° to it, the third semi-transparent reflector is installed; at the axis running through the intersection point of the laser axis and this reflector, normal to it, a CCD matrix is located; the distances from the intersection point of the semi-transparent third reflector and the laser axis to the CCD matrix and, correspondingly, to the microlens focus, are equal to each other; the television system lens is installed so that it can be moved along the laser axis for focusing; in front of the lens, a narrow-band light filter is installed, the bandpass maximum of the filter being equal to the laser wavelength.

EFFECT: increase in accuracy of object to X-ray emitter distance measurement.

1 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и изделий с использованием рентгеновского излучения и может быть применено для контроля объектов авиакосмической техники и других отраслей машиностроения и транспорта.The invention relates to non-destructive testing of materials and products using x-ray radiation and can be used to control objects of aerospace engineering and other industries of engineering and transport.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, который включает в себя лазер с двухсторонним выходом излучения, отражатель, установленный на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновского пучков, и средство измерения расстояния от рентгеновского излучателя до объекта, особенностью которого является наличие второго отражателя, связанного с указателем средства индикации и установленного на оси лазера перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучков с возможностью перемещения вдоль этой оси [1].Known laser centralizer for an x-ray emitter, which includes a laser with a two-sided output of radiation, a reflector mounted at the intersection of the optical axes of the laser and x-ray beams, and a means of measuring the distance from the x-ray emitter to the object, the feature of which is the presence of a second reflector associated with the pointer means indication and mounted on the laser axis perpendicular to the plane formed by the axes of the laser and x-ray beams with the possibility of movement along th axis [1].

Недостаток данного устройства - невысокая точность измерения расстояния от объекта до рентгеновского излучателя за счет отсутствия фокусировки лучей лазера на объект, а также сложность совмещения двух лазерных пятен при визуальном наблюдении объекта со значительных расстояний порядка 5 метров, характерных для проведения контроля крупногабаритных изделий авиакосмической техники.The disadvantage of this device is the low accuracy of measuring the distance from the object to the x-ray emitter due to the lack of focusing of the laser beams on the object, as well as the difficulty of combining two laser spots when visually observing the object from significant distances of the order of 5 meters, typical for monitoring large-sized aerospace engineering items.

Кроме того, визуальное наблюдение лазерных пятен на объекте в условиях солнечной засветки затруднено их малым контрастом по сравнению с яркой поверхностью объекта.In addition, the visual observation of laser spots on the object under conditions of solar illumination is complicated by their low contrast compared to the bright surface of the object.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.The purpose of the invention is the elimination of these disadvantages.

Для этого в лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей лазера и рентгеновского излучателя, средство индикации расстояния от объекта до излучателя в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, второй отражатель, установленный на оси лазера перпендикулярно плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков с возможностью поступательного перемещения вдоль оси лазера под постоянным углом к оси лазера, при котором отраженный от него луч лазера направляется на объект под углом α к оси лазера, шкала выполнена линейной, равномерной и отвечающей уравнению L=x·tgα=N·t·tgα, где х=N·t - линейное перемещение второго отражателя, L - расстояние от объекта до рентгеновского излучателя, N - число делений шкалы, соответствующее положению указателя перемещений второго отражателя, t - цена деления шкалы, а начальный участок шкалы x_o≥H·tg(β/2), где Н - расстояние от фокуса рентгеновской трубки до центра первого отражателя, β - угол излучения рентгеновского пучка, при этом второй отражатель выполнен полупрозрачным, дополнительно введены телевизионная система, состоящая из объектива, ПЗС-матрицы и монитора, использован лазер с односторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, перед лазером на его оптической оси установлен микрообъектив, фокусирующий излучение лазера в плоскости изображения объектива телевизионной системы, ось которого совпадает с осью лазера, между микрообъективом и объективом телевизионной системы на оптической оси лазера под углом 45° к ней установлен третий полупрозрачный отражатель, на оси, проходящей через точку пересечения оси лазера с этим отражателем перпендикулярно к ней расположена ПЗС-матрица, причем расстояния от точки пересечения полупрозрачного третьего отражателя с осью лазера до ПЗС-матрицы и соответственно до фокуса микрообъектива равны друг другу, объектив телевизионной системы установлен с возможностью фокусировочных перемещений вдоль оси лазера, а перед ним установлен узкополосный светофильтр, максимум полосы пропускания которого совпадает с длиной волны лазера.To do this, into a laser centralizer for an x-ray emitter, comprising a housing with a laser located in it, the axis of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, a plexiglass reflector mounted at the intersection of the axes of the laser and the x-ray emitter, means for indicating the distance from the object to the emitter in the form of a pointer with a scale mounted on the centralizer body, a second reflector mounted on the laser axis perpendicular to the plane formed by the axes of the laser and x-ray beams with the possibility of stupid movement along the laser axis at a constant angle to the laser axis, at which the laser beam reflected from it is directed to the object at an angle α to the laser axis, the scale is linear, uniform and meets the equation L = x · tgα = N · t · tgα, where x = N · t is the linear movement of the second reflector, L is the distance from the object to the x-ray emitter, N is the number of scale divisions corresponding to the position of the index of movements of the second reflector, t is the scale division price, and the initial portion of the scale x _o ≥H · tg ( β / 2), where N is the distance from the focus of the x-ray bq to the center of the first reflector, β is the angle of the x-ray beam, the second reflector is translucent, an additional television system is introduced, consisting of a lens, a CCD matrix and a monitor, a laser with a single-sided radiation output, the axis of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, is used, in front of the laser, a micro lens is mounted on its optical axis, focusing the laser radiation in the image plane of the television system lens, the axis of which coincides with the laser axis, between the micro a third translucent reflector is mounted on the optical axis of the laser at a 45 ° angle to the lens of the television system and a CCD matrix is perpendicular to it on the axis passing through the laser axis with this reflector, and the distance from the intersection of the translucent third reflector with the axis laser to the CCD matrix and, accordingly, to the focus of the micro-lens are equal to each other, the lens of the television system is mounted with the possibility of focusing movements along the axis of the laser, and before it is installed A narrow-band filter has been detected, the maximum bandwidth of which coincides with the laser wavelength.

На чертеже представлена схема центратора.The drawing shows a diagram of a centralizer.

Центратор состоит из закрепленного на корпусе рентгеновского излучателя 1 корпуса 2, в котором расположены первый отражатель 3, второй отражатель 5, объектив 6, третий полупрозрачный отражатель 7, микрообъектив 8, лазер 9, ПЗС-матрица 12. Перед объективом 6 установлен узкополосный светофильтр 15, максимум полосы пропускания которого совпадает с длиной волны лазера. Для перекрытия излучения из второго торца лазера имеется заслонка (на схеме не показана в силу общеизвестности решения).The centralizer consists of a housing 2 fixed to the body of the x-ray emitter 1, in which the first reflector 3, the second reflector 5, the lens 6, the third translucent reflector 7, the micro-lens 8, the laser 9, the CCD matrix 12 are located. A narrow-band filter 15 is installed in front of the lens 6, the maximum bandwidth of which coincides with the laser wavelength. To block the radiation from the second end of the laser there is a damper (not shown in the diagram due to the well-known solutions).

Расположенные на оси лазера 9 элементы оптической схемы центратора, отражатель 5, фильтр 15, объектив 6, полупрозрачный отражатель 7, микрообъектив 8 и сам лазер 9, а также ПЗС-матрица 12 расположены в конструктивном модуле 4, установленном с возможностью перемещения параллельно продольной оси рентгеновского излучателя вдоль оси лазера. Величина этого перемещения относительно корпуса 2 фиксируется с помощью индикатора 11, установленного на модуле 4 по шкале 10, закрепленной на корпусе 2. Отражатель 5 установлен на оси лазера 9 под углом, при котором отраженный от него луч лазера направляется на объект под углом α к оси лазера.The optical centralizer elements located on the axis of the laser 9, the reflector 5, the filter 15, the lens 6, the translucent reflector 7, the micro lens 8 and the laser 9 itself, as well as the CCD matrix 12 are located in the structural module 4, mounted with the possibility of moving parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter along the axis of the laser. The magnitude of this movement relative to the housing 2 is fixed using the indicator 11 mounted on the module 4 on a scale 10 mounted on the housing 2. The reflector 5 is mounted on the axis of the laser 9 at an angle at which the laser beam reflected from it is directed at the object at an angle α to the axis laser.

При перемещении модуля 4 отраженный от отражателя 5 луч перемещается параллельно самому себе. Объектив 6 имеет фокусировочные перемещения вдоль оси лазера. На мониторе 13 наблюдают изображение.When moving the module 4, the beam reflected from the reflector 5 moves parallel to itself. The lens 6 has focusing movements along the axis of the laser. On the monitor 13 observe the image.

Центратор работает следующим образом.The centralizer works as follows.

Оператор наводит на нужную зону объекта лазерный луч, отраженный от первого отражателя 3, направление которого совпадает с осью рентгеновского пучка. При этом излучение, отраженное от второго отражателя 5, перекрывается заслонкой. Затем заслонка убирается и оператор наблюдает на экране монитора 13 изображения двух лазерных пятен на объекте, добиваясь с помощью перемещения модуля 4 их совпадения. В момент совпадения изображений пятен снимается отсчет по шкале 10 с помощью указателя 11. Шкала 10 выполнена линейной и равномерной и отвечает уравнению L=X·tgα=N·t·tgα, где L - расстояние от объекта 14 до рентгеновского излучателя, Х - линейное перемещение модуля 4 с вторым отражателем, N - число делений шкалы, t - цена деления шкалы.The operator directs the laser beam reflected from the first reflector 3, the direction of which coincides with the axis of the x-ray beam, to the desired area of the object. In this case, the radiation reflected from the second reflector 5 is blocked by a shutter. Then the shutter is removed and the operator observes on the monitor screen 13 images of two laser spots on the object, achieving by moving the module 4 their coincidence. At the moment of coincidence of the spot images, a countdown is taken on a scale of 10 using pointer 11. Scale 10 is linear and uniform and corresponds to the equation L = X · tgα = N · t · tgα, where L is the distance from object 14 to the x-ray emitter, X is linear moving module 4 with a second reflector, N is the number of scale divisions, t is the scale division price.

Шкала градирована в диапазоне перемещений модуля 4 и соответственно второго отражателя, соответствующего рабочему диапазону расстояний от объекта до излучателя от L_min до L_max. При этом диапазон перемещений второго отражателя составляет

.The scale is graded in the range of movement of module 4 and, accordingly, of the second reflector, corresponding to the working range of distances from the object to the emitter from L _min to L _max . The range of motion of the second reflector is

.

Начальный участок шкалы Х_о≤Х_min для устранения эффекта экранирования пучка рентгеновского излучателя. Его величина, очевидно, равна Х_о≥Н·tg(β/2), где H - расстояние от фокуса рентгеновской трубки до первого отражателя, β - угол раскрытия рентгеновского пучка.The initial portion of the scale X _o ≤X _min to eliminate the effect of shielding the beam of the x-ray emitter. Its value is obviously equal to X _о ≥Н · tg (β / 2), where H is the distance from the focus of the x-ray tube to the first reflector, β is the opening angle of the x-ray beam.

Особенно удобно применение стандартных децимальных шкал с t=1,0 мм, например по ГОСТ 427-75 при tgα=10 (α=84° 20).It is especially convenient to use standard decimal scales with t = 1.0 mm, for example, according to GOST 427-75 with tgα = 10 (α = 84 ° 20).

При этом текущее расстояние от объекта до рентгеновского излучателя определяется простой формулой L=N·t 10 = 10 N (мм).In this case, the current distance from the object to the x-ray emitter is determined by the simple formula L = N · t 10 = 10 N (mm).

Оценим точностные характеристики предлагаемого устройства, главное влияние на которые оказывают размеры и контраст лазерных пятен на объекте, а также цена деления шкалы.Let us evaluate the accuracy characteristics of the proposed device, the main influence on which is the size and contrast of laser spots on the object, as well as the scale division price.

Контраст лазерных пятен при их наблюдении на экране монитора при наличии узкополосного фильтра 15 перед объективом 6, как показали испытания, практически не зависит от интенсивности солнечной засветки и равен K≥0,6÷0,7, что отвечает оптимальному его значению с позиций зрительной эргономики [2].The contrast of laser spots when they are observed on the monitor screen in the presence of a narrow-band filter 15 in front of the lens 6, as shown by tests, is practically independent of the intensity of sunlight and is K≥0.6 ÷ 0.7, which corresponds to its optimal value from the standpoint of visual ergonomics [2].

Размер лазерных пятен на объекте и, соответственно, их изображений на экране зависит от угла расходимости лазерного излучения и фокусных расстояний объектива 6 и микрообъектива 8.The size of the laser spots on the object and, accordingly, their images on the screen depends on the angle of divergence of the laser radiation and the focal lengths of the lens 6 and the micro lens 8.

Для типового значения γ=3^'=0,001 (радиан).For a typical value, γ = 3 ^' = 0.001 (radian).

Размер пятна на объекте составляет Z=L·γ и при L=5000 мм равен Z=5 мм.The spot size on the object is Z = L · γ and at L = 5000 mm it is equal to Z = 5 mm.

Совмещение пятен такого размера при их прямом визуальном наблюдении на указанном расстоянии не превышает ±2 мм, как показали наблюдения.The combination of spots of this size during their direct visual observation at a specified distance does not exceed ± 2 mm, as observations have shown.

В пересчете на погрешность измерения расстояния от объекта до рентгеновского излучателя это составляет ΔL≈±100 мм, т.е. ΔL/L≅=20% (при L=5000 мм = L_max).In terms of the error in measuring the distance from the object to the x-ray emitter, this is ΔL≈ ± 100 mm, i.e. ΔL / L≅ = 20% (at L = 5000 mm = L _max ).

В случае использования телевизионной системы с предлагаемой фокальной автоколлимационной оптической системой размеры пятен, например, можно оценить из следующих соображений.In the case of using a television system with the proposed focal auto-collimation optical system, spot sizes, for example, can be estimated from the following considerations.

При принятом фокусном расстоянии микрообъектива 7 f^'=10 мм лазерное пятно в его фокальной плоскости имеет размер Z_Мо=ΔD·γ, где D≈1,0 мм - диаметр лазерного луча, K≅3÷5 - аберрационный коэффициент. Реально Z_Mo≅0,01 мм для современных твердотельных микролазеров (типа "лазерной указки").With the adopted focal length of the micro-lens 7 f ^' = 10 mm, the laser spot in its focal plane has a size Z _Mo = ΔD · γ, where D≈1.0 mm is the diameter of the laser beam, K≅3 ÷ 5 is the aberration coefficient. Actually, Z _Mo ≅ 0.01 mm for modern solid-state microlasers (such as a "laser pointer").

Это лазерное пятно объектива 6 с фокусным расстоянием

мм (это значение принято в макете центратора) проектируется на объект с увеличением

. При этом размер пятна на объекте равен, очевидно,

мм, т.е. в 10 раз менее диаметра пятна в схеме оптической системы.This is a laser spot lens 6 focal length

mm (this value is accepted in the centralizer layout) is projected onto the object with an increase

. In this case, the spot size on the object is obviously

mm i.e. 10 times less than the spot diameter in the optical system layout.

Соответственно размер его изображения на экране монитора составит

, где K₁=Z - коэффициент, учитывающий размытые изображения объективов при обратном проецировании m_тв=A_э/А_ПЗС≅10^X - телевизионное увеличение, равное отношению диагонали экрана монитора (в макете принято А_э≈100 мм), к диагонали растра ПЗС-матрицы (A_ПЗС≈10 мм).Accordingly, the size of its image on the monitor screen will be

, where K ₁ = Z is a coefficient that takes into account blurry images of lenses during reverse projection m _tv = A _e / A _CCD ≅10 ^X is the television magnification equal to the ratio of the diagonal of the monitor screen (A _e ≈100 mm is taken in the layout) to the raster diagonal CCDs (A _CCD ≈10 mm).

При реальном значении K₁≅2,0 размер изображений лазерных пятен на экране составит

мм.With a real value of K ₁ ≅ 2.0, the size of the images of laser spots on the screen will be

mm

Точность совмещения на экране пятен такого размера примерно равна их диаметрам, т.е. 0,2 мм, что примерно на порядок лучше, чем в схеме аналога.The accuracy of combining spots of this size on the screen is approximately equal to their diameters, i.e. 0.2 mm, which is about an order of magnitude better than in the analogue circuit.

Для реализации этого положительного эффекта целесообразно применение более точных шкал, например, использования стандартных цифровых штангенциркулей с ценой деления шкалы 0,01 мм и диапазоном перемещения 0-150 мм и более [3].To realize this positive effect, it is advisable to use more accurate scales, for example, the use of standard digital calipers with a scale division value of 0.01 mm and a range of movement of 0-150 mm and more [3].

Фокусировка лазерного излучения на объект производится оператором при различных расстояниях от объекта до рентгеновского излучателя стандартным методом по критерию наилучшей разности изображения лазерного пятна на экране.The laser radiation is focused on the object by the operator at various distances from the object to the x-ray emitter using the standard method according to the criterion of the best image difference of the laser spot on the screen.

Заметим, что возможность телевизионного наблюдения увеличенного изображения поверхности объекта и/или его регистрации стандартными цифровыми или аналоговыми методами дополнительно расширяет диагностические возможности устройства.Note that the possibility of television surveillance of an enlarged image of the surface of an object and / or its registration by standard digital or analog methods further extends the diagnostic capabilities of the device.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Патент РФ №2251229.1. RF patent №2251229.

2. Турыгин И.А., Прикладная оптика, М., Машиностроение, 1965, 355 с.2. Turygin I.A., Applied Optics, M., Mechanical Engineering, 1965, 355 pp.

3. Цифровые штангенциркули, проспекты фирм Leica и др.3. Digital calipers, brochures from Leica, etc.

Claims

A laser centralizer for an x-ray emitter, comprising a housing with a laser disposed therein, whose axis is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, a plexiglass reflector mounted at the intersection of the axes of the laser and the x-ray emitter, means for indicating the distance from the object to the emitter in the form of a pointer with a scale fixed to a centralizer housing, a second reflector mounted on the laser axis perpendicular to the plane formed by the axes of the laser and x-ray beams with the possibility of translational about moving along the laser axis at a constant angle to the laser axis, at which the laser beam reflected from it is directed at the object at an angle α to the laser axis, the scale is linear, uniform and corresponds to the equation L = x · tgα = N · t · tgα, where x = N · t is the linear movement of the second reflector, L is the distance from the object to the x-ray emitter, N is the number of scale divisions corresponding to the position of the index of movements of the second reflector, t is the scale division price, and the initial portion of the scale x _o ≥H · tg ( β / 2), where N is the distance from the focus of the x-ray tube to the cent ra of the first reflector, β is the radiation angle of the x-ray beam, characterized in that the second reflector is translucent, a television system consisting of a lens, a CCD matrix and a monitor is additionally introduced into the centralizer, a laser with a single-sided radiation output, the axis of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray, is used emitter, in front of the laser on its optical axis there is a micro lens focusing the laser radiation in the image plane of the lens of the television system, the axis of which coincides with the laser axis a, a third translucent reflector is installed between the micro-lens and the lens of the television system on the optical axis of the laser at an angle of 45 ° to it, on the axis passing through the point of intersection of the laser axis with this reflector there is a CCD matrix perpendicular to it, and the distance from the point of intersection of the translucent third the reflector with the laser axis to the CCD matrix and, accordingly, to the focus of the micro-lens are equal to each other, the television system lens is mounted with the possibility of focusing movements along the laser axis, and p Ed them installed narrowband filter whose maximum bandwidth coincides with the laser wavelength.