ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ПЛОСКИХ ИЗДЕЛИЙ С НЕРАВНОМЕРНЫМ СЕЧЕНИЕМ

THE MEASURING INSTRUMENT OF THICKNESS OF FLAT PRODUCTS WITH UNEVEN SECTION

Shakhov Andrey Gennadievich

student of group 72 KE-m OSU named after I. S. Turgenev,

Russia, Orel

Аннотация. В данной статье рассматриваются ультразвуковой, оптический, лазерный методы измерения толщины плоских изделий. Описан принцип работы и устройство разработанного измерителя толщины плоских изделий с неравномерным сечением. Устройство может применяться в кожевенной промышленности для измерения толщины, площади и веса материала с необходимой точностью.

Abstract. In this article ultrasonic, optical, laser methods of measurement of thickness of flat articles are considered. The principle of work and the device of the developed measuring instrument of thickness of flat articles with uneven section is described. The device can be used in the tanning industry to measurement of thickness, the area and weight of material with a necessary accuracy.

Ключевые слова: методы измерения толщины, измеритель толщины, плоские изделия с неравномерным сечением, кожевенная промышленность.

Keywords: methods of measurement of thickness, thickness measuring instrument, flat articles with uneven section, the tanning industry.

В настоящее время для замеров толщины существует большое количество методов и средств, некоторые из них обеспечивают точность с погрешность в несколько микрон, некоторые же наоборот имеют грубую погрешность, но более низкую стоимость. Произведем анализ существующих методов измерения толщины и область их применения.

Ультразвуковой метод измерения толщины металлов был открыт еще в 19 веке, но для полного освоения была необходима электронная база, вследствие этого данный метод получил свое промышленное освоение только в начале 20 века. Первый патент на измерение в области ультразвукового измерения толщины поверхности датируется 1931 годом. Первый практический толщиномер, называемый рефлектоскопом, был запатентован профессором Флойдом Файрстоном из Мичиганского университета в 1940 году.

Ультразвуковой датчик (рис. 1) плотно прижимается к материалу, который необходимо измерить, в некоторых случая применяется даже специальный проводящий гель, после чего датчик посылает ультразвуковые волны, проходящие через материал и отражаемые от подложки материала, после чего датчик фиксирует время прохождения ультразвуковой волны внутри покрытия и обратно. На основании этого времени фиксируется толщина материала по формуле:

,                                                                  (1)

где h – это толщина,

t – время полного прохождения ультразвуковой волны,

 – скорость ультразвуковой волны.

Рисунок 1. Принцип работы ультразвукового датчика

Данный метод хорошо подходит для измерения толщины покрытия материалов, толщин металлов, для ручных замеров, материалов с ровной текстурой.

Оптический или лазерный метод измерения толщины. Триангуляционные лазерные 3D-сканеры (рис. 2) используют лазерный луч для того, чтобы прозондировать объект. Камера фиксирует расположение точки, куда попал лазер. Теодолит представляет собой телескоп, установленный на двух осях вращения. Угол на объект отслеживается точно. Измеряя угловые измерения из разных положений, может быть получено расстояние до объекта. Современные теодолиты управляются компьютером для автоматического отслеживания измеряемого объекта при его перемещении.[1] Триангуляционный метод контроля основан на расчете искомого расстояния через соотношения треугольника с использованием известных параметров системы (рис. 3).

Рисунок 2. Лазерный измеритель толщины

Рисунок 3. Принцип работы лазерного измерителя толщины

Технология называется триангуляцией потому, что камера, лазерный излучатель и сама лазерная точка на поверхности объекта образуют своеобразный треугольник. В этой системе известна длина одной из сторон треугольника – это расстояние между лазерным излучателем и камерой. Также известен угол лазерного излучателя, а угол камеры определяется по расположению лазерной точки в поле обзора камеры. Эти три характеристики полностью формируют размер треугольника и указывают на расположение угла лазерной точки. Лазерная триангуляции осуществляется путем проектирования лазерной линии или точки на объект, а затем регистрации ее отражения с помощью датчиков, расположенных на известном расстоянии от лазерного источника. В результате угол отражения может быть интерпретирован как информация о рельефе.

Бесконтактные лазерные триангуляционные методы измерения геометрических параметров поверхностей используется давно. Высокая точность и хорошие результаты достигнуты триангуляционными измерителями в основном для ровных гладких поверхностей. Измерение шероховатых поверхностей сложной формы, имеющих различный коэффициент отражения по поверхности, вызывает при использовании триангуляционного метода значительные ошибки. Это обусловлено деформацией индикатрисы рассеяния и влиянием «зеркальной» составляющей в отраженном сигнале. Отражение направленного лазерного пучка света от шероховатой поверхности не может описываться с позиций геометрической оптики как Френелевское отражение, так как всегда присутствует рассеянное излучение. [2]

Данный метод хорошо подходит для измерения листовых тел, с гладкой поверхностью, плюсом является возможность бесконтактного замера тела на расстоянии, а так же возможность высокоточных замеров. Из минусов же можно выделить высокую стоимость данного оборудования, а также не возможность замерять шероховатые материалы.

Метод определения толщины по средствам алгоритма применятся в кожевенной промышленности, и обеспечивает точное определение толщины кожи фактически без участия в этом процессе оператора. Разработанный измеритель толщины плоских изделий с неравномерным сечением (рис. 4) работает следующим образом: на струнный конвейер подаётся кусок материала, по мере прохождения материала датчиком фиксируется его положение и при прохождении данного материала над электронными весами происходит поднятие платформы весов за счет электромагнита, фиксируется вес, после чего весы опускаются, материал продолжает движение по струнному конвейеру к датчику замера площади, на датчике замера площади фиксируется площадь материала. Данные замеров поступают на устройство.

Рисунок 4. Измеритель толщины плоских изделий с неравномерным сечением

Толщина материала рассчитывается по формуле:

,                                                                    (2)

где h – это толщина,

P – масса изделия,

– плотность материала (зависит от типа кожи),

S – площадь материала.

Блок-схема алгоритма работы измерителя толщины плоских изделий с неравномерным сечением приведен на рисунке 5.

Данный метод применяется в кожевенной промышленности, обеспечивая необходимую точность, также данный метод помимо замера толщины, выдает такие параметры как площадь и вес материала, которые необходимы при производстве кожи. К плюсам можно отнести минимальное вмешательство оператора в работу устройства.

Рисунок 5. Алгоритм работы измерителя толщины плоских изделий с неравномерным сечением.

В статье рассмотрены разные методы измерений толщины, возможные варианты применения этих методов. Из всего вышерассмотренного можно сделать вывод, что универсального толщиномера не существует и под конкретные задачи необходим свой уникальный метод измерения.

Список литературы:

1. Демкин, В.Н. Лазерные методы и средства контроля геометрических размеров изделий [Текст]/ В.Н. Демкин, В.А. Степанов // Измерительная техника. – 2008. – № 2. – С. 32–35.
2. Демкин, В.Н. Возможности триангуляционного лазерного метода измерения поверхности сложного рельефа [Текст]/ В.Н. Демкин, В.А. Степанов // Метрология. – 2007. – № 8. – С. 32–35.