Aktuální vydání

celé číslo

05

2020

snímače teploty

celé číslo

Bezkontaktní měření rozměrů – optické mikrometry

Ondřej Zelinka
 
Bezkontaktní měření rozměrů a pozic objektů je v současné době častým požadavkem v mnoha průmyslových odvětvích. K hojně používaným měřidlům v této oblasti patří optické mikrometry, které lze použít pro automatizované měření statických i pohybujících se objektů. Lze jimi měřit i materiály, jejichž charakter vylučuje použití klasických kontaktních metod. Oblast využití představují výrobní linky v rozmanitých odvětvích, od potravinářského průmyslu, přes strojírenství po např. výrobu cigaret. Bezkontaktní měření je využíváno při kontrole rozměrů vstupujících součástí, kontrole korektnosti pozic mezi jednotlivými technologickými úkony, kontrole správnosti provedených operací atd.
 
Contactless measurement of dimensions and positions of objects is very often requirement in many industrial branches today. Optical micrometers come under plentifully used measuring devices that can be used for automatic measurement of static as well as moving objects. It is possible to measure even materials their nature does not rule out common contact technologies. Field of use is manufacturing lines in various branches, from food industry to machinery, or for example manufacturing of cigarettes. Contactless measurement is used for checking of dimensions of semifinished products, checking of correct position between manufacturing operations, checking of accuracy of executed operations etc.
 

1. Princip funkce optických mikrometrů

Pojem „optický mikrometr“ je zaveden a běžně používán pro různá měřicí zařízení, která se svou konstrukcí a funkcí velmi liší. Autor tohoto příspěvku, souvisejícího s měřením rozměrů a pozic objektů, bude psát o tzv. thru-beam optických mikrometrech. Měřený objekt je osvětlen kolimovaným svazkem paprsků (obr. 1). Svazek paprsků zčásti zastíněný objektem dopadá na přijímač. Jsou používány dva způsoby vyhodnocení – dva druhy optických detektorů. Pro jednoduché, ale velmi rychlé měření bývá kolimovaný svazek paprsků soustředěn pomocí čočky na fotodiodu. Velikost objektu, popř. pozice hrany, je v tomto případě měřena za použití množství světla dopadajícího na fotodiodu. Druhým, přesnějším a výrazně univerzálnějším způsobem je použití řádkových snímačů CCD-CMOS. Řádkovými snímači lze z paprsků dopadajících na přijímač získat mnohem více informací o měřených objektech než s použitím fotodiody. Vyhodnocení těchto informací je však výrazně komplikovanější. Metodě s řádkovými snímači se tento článek bude věnovat blíže.
 
Pozice hrany objektu není na profilu jasů jednotlivých obrazových bodů (pixelů) snímače čitelná jednoznačně: hrana stínu objektu na snímači mění svůj jas plynule, především vlivem ohybu světla na hraně měřeného objektu (obr. 2, obr. 3). Strmost hrany závisí na vzdálenosti objektu od snímače. Z informace o pořadí jednotlivých pixelů a jejich jasů je možné určit pozice hran, popř. rozměry objektů před snímačem. Mezi metody hledání hran nejpoužívanější pro řádkový i plošný obraz patří:
  • komparační metody (intenzita jednotlivých bodů je porovnávána s nastavenou rozhodovací úrovní),
  • metody využívající vlastnosti první a druhé derivace funkce jasu v závislosti na poloze (první derivace nabývá v místě hrany extrému, druhá derivace prochází v bodě hrany nulou).
Při menších požadavcích na přesnost určení rozměru či pozice měřeného objektu se lze spokojit s rozlišením daným rozměrem jednotlivých pixelů snímače (běžně např. 14 μm). Potom stačí např. každou analogovou hodnotu odpovídající jasu jednotlivých pixelů porovnat pomocí komparátoru (realizovaného např. operačním zesilovačem) s nastavenou analogovou rozhodovací úrovní (např. napěťovým děličem). Výstup z komparátoru představuje pro každý pixel logickou informaci „objekt je“ – „objekt není“. Druhou možností je digitalizovat signál ze snímače prostřednictvím AD převodníku, a využít tak prostředky i propracovanou metodiku zpracování digitálního signálu, jež jsou v současné době k dispozici. Digitalizované hodnoty jasů jednotlivých pixelů je možné mnohem efektivněji použít k určení pozice hrany s rozlišením významně lepším, než je rozměr jednoho pixelu snímače – tzv. subpixelové rozlišení. Využitím informace z většího množství pixelů sousedících svým jasem s komparační hladinou lze získat i jisté zvýšení imunity naměřené hodnoty proti chybám způsobeným např. šumem v analogovém signálu snímače, nečistotami na optických plochách, šumem osvětlení atd. Se zvyšující se propracovaností použité metody zpracování informace z pixelů na hraně poroste i výpočetní náročnost algoritmu a velikost potřebného hardwaru.
 

2. Rozdělení optických mikrometrů

Prvním kritériem pro dělení optických mikrometrů tedy je druh použitého detektoru – fotodioda nebo řádkový snímač. Druhým nejvýznamnějším kritériem pro rozdělení optických mikrometrů je zdroj světla (konstrukce vysílače). Jsou používány laserové nebo běžné světelné diody (LED). „Thru-beam“ optické mikrometry budou tudíž rozděleny podle konstrukce vysílače a přijímače. U každé ze skupin bude uveden typický představitel popisovaného druhu optického mikrometru a několik základních parametrů (podle terminologie obecně používané výrobci). Uvést konkrétní údaje specifikující vlastnosti jednotlivých druhů optických mikrometrů způsobem vhodným pro vzájemné porovnání je obtížné. Na hodnoty udávané různými výrobci má významný vliv mnoho aspektů – velikost měřicího rozsahu, vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem, vzdálenost mezi měřeným objektem a přijímačem, charakter měřeného objektu, velikost průměrování výstupních hodnot atd. Každý výrobce si pro různé typy mikrometrů stanovuje vlastní podmínky, při jejichž dodržení jsou jím udané parametry platné. Proto mohou být uvedené parametry využity pouze k orientačnímu porovnání jednotlivých koncepcí hardwaru.
 
V optických mikrometrech, kde je jako přijímací prvek použita fotodioda, bývá vysílač v podobě laserové diody. V technické dokumentaci k tomuto druhu optických mikrometrů výrobci běžně neudávají přesnost měření. Ve většině případů bývá uvedena pouze linearita měření a rozlišovací schopnost (stejně jako u následujícího typu mikrometru), obě často vztažené k velikosti měřicího rozsahu. Jako příklad je možné zmínit typovou řadu OptoControl 1200 společnosti Micro-Epsilon s měřicími rozsahy 2 až 30 mm, pro které je specifikováno rozlišení 0,005 % FSO (Full Scale Output) a linearita ±2 % FSO. Pojmem měřicí rozsah mikrometru lze podle obr. 1 pro lepší představu chápat jako šířku kolimovaného svazku, resp. jeho části použité k vyhodnocení. Frekvence měření tohoto typu mikrometru je 100 kHz.
 
V mikrometrech s řádkovými snímači jsou používány oba druhy zmíněných světelných zdrojů a jsou podle konstrukce vysílače kolimovaného svazku paprsků dále děleny do tří skupin – laserové, skenovací a LED. Laserové diody jsou používány především pro svůj charakter bodového zdroje. Konstrukce vysílače kolimovaného svazku paprsků s laserovou diodou je podstatně jednodušší než při použití běžných LED. Nevýhodou použití mikrometru s laserovou diodou je nutnost brát ohled na bezpečnost, protože laserové světlo může poškodit zrak. Jako příklad optického mikrometru s řádkovým snímačem a laserovou diodou lze uvést mikrometr OptoControl 2500 (Micro-Epsilon) s měřicím rozsahem 34 mm, frekvencí měření 2,3 kHz, rozlišením 1 μm a linearitou měření ±10 μm.
 
Mikrometry s diodami LED jsou dražší a komplikovanější, ale dosahují větší přesnosti (především pro větší uniformitu světla). Obsahují v porovnání s laserovými mikrometry poměrně komplikovanou soustavu optických komponent ve vysílači i přijímači. Typickými představiteli této kategorie jsou např. mikrometry série LS-7000 od společnosti Keyence. Přesnost mikrometru této série s měřicím rozsahem 65 mm je ±3 μm. Frekvence měření je obdobně jako u laserových mikrometrů přibližně 2 kHz.
 
Zvláštní kategorií jsou tzv. laserové skenovací mikrometry, které pro dosažení kvalitnějšího osvětlení používají laserový paprsek rozmítaný rotujícím polygonem se zrcátky. Jejich nevýhodou je nižší frekvence měření a komplikovaná konstrukce vysílače s mechanicky se pohybujícími součástmi. Samotná rychlost skenování sice může být řádově stejná jako u ostatních typů mikrometrů s řádkovými snímači, ale pro dosažení požadované přesnosti je využíváno průměrování velkého počtu výstupních hodnot. Výsledná frekvence měření potom bývá až několikanásobně menší než u laserových mikrometrů a mikrometrů LED s řádkovým snímačem. Laserové skenovací mikrometry je možné použít i tam, kde je měřicí rozsah běžně vyráběných typů nedostatečný. Výjimkou nejsou skenovací mikrometry s měřicím rozsahem větším než 150 mm a linearitou měření ±25 μm, viz např. série PrecisionScan společnosti BetaLaser Mike.
 
V konstrukci optických mikrometrů je obecným trendem použití samostatných měřicích hlav, které je třeba připojit k řídicí jednotce. Součástí měřicí hlavy je vysílač a přijímač. Vysílač obsahuje světelný zdroj a kolimační optiku. Součástí přijímače bývá řádkový snímač, obvody pro předzpracování signálu a případně další optické komponenty eliminující nedostatky kolimovaného svazku paprsků vysílače. Řídicí jednotka obsahuje hardware pro výpočet pozic hran, ovládací prvky a výstupní periferie (displej, RS-232, RS-485, Ethernet, reléové výstupy, analogové výstupy atd.). Řídicí jednotky často umožňují připojit větší počet měřicích hlav. Na trhu jsou ale dostupné i mikrometry určené přímo k začlenění do měřicích systémů bez rozměrných a komplikovaných řídicích jednotek. Tato koncepce je častěji použita pro mikrometry s fotodiodou. Jako novinka v oblasti optických mikrometrů se na trhu objevil kompaktní bateriově napájený mikrometr nazvaný Portable Micrometer společnosti Metralight (obr. 4) s řádkovým snímačem CCD. Lze ho používat obdobně jako klasické „pevně montované“ mikrometry, ale např. i jako náhradu posuvného měřítka při měření snadno deformovatelných materiálů.
 

3. Měřicí módy optických mikrometrů

Funkci optického mikrometru s řádkovým snímačem lze přizpůsobit konkrétním požadavkům pomocí tzv. měřicích módů. U optických mikrometrů s fotodiodou uživatel tuto možnost nemá. Volba měřicího módu znamená výběr hran objektů, jejichž poloha, popř. vzdálenost, uživatele zajímá. V závislosti na zvoleném módu detekuje mikrometr ty hrany v profilu jasu snímače, které vyhovují nastaveným kritériím, z pořadových čísel jednotlivých pixelů vyhodnotí jejich pozici, popř. použije algoritmy pro dosažení subpixelového rozlišení. Na vypočítané pozice hran vybraných konkrétním módem může výrobce využít určené kalibrační konstanty. Jestliže to zvolený mód vyžaduje, následuje výpočet vzdáleností mezi hranami. Mezi základní módy patří měření polohy konce objektu umístěného v aktivní oblasti mezi vysílačem a přijímačem (např. pozice tabule plechu), měření vzdálenosti mezi hranami souvislého objektu (např. průměr pryžové hadičky) a měření vzdálenosti mezi dvěma objekty (např. mezery mezi válci). Komplikovanější módy měření mohou být využity např. při kontrole vývodů integrovaných obvodů (obr. 5). Někteří výrobci jsou ochotni přizpůsobit funkci mikrometru dané úloze, pro kterou není vhodný žádný z běžně implementovaných módů měření. Relativně velká rychlost měření umožňuje použít některé druhy optických mikrometrů pro měření pohybujících se objektů – měření vibrací, měření ovality, měření průměru a průvěsu materiálů navíjených na cívky atd. K měření průměrů trubek, hadiček, kabelů atd. jsou často používány mikrometry měřící současně ve více osách (běžně dvě navzájem kolmé osy).
 

4. Důležité vlastnosti a běžná omezení

Mezi nejvýznamnější vlastnosti podstatné pro výběr konkrétního optického mikrometru patří:
  • rozlišovací schopnost,
  • opakovatelnost,
  • linearita v pracovním rozsahu,
  • pracovní rozsah měření,
  • vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem,
  • druh světelného zdroje, popř. jeho výkon,
  • výstupní rozhraní.
Je nutné podotknout, že zmíněné vlastnosti týkající se přesnosti měření mohou být klasifikovány různými metodami, při dodržení různých omezení kladených na prováděná měření. Linearita měření v pracovním rozsahu může být běžně udávána ve zkalibrované oblasti – to je často střední vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem, popř. může být vyjádřena v konkrétní obdélníkové výseči. Opakovatelnost měření bývá spojena s nastavenou hodnotou počtu průměrování změřené hodnoty, daným rozměrem testovacího objektu atd.
 
Výhodou měření objektů kolimovaným svazkem paprsků je bezesporu absence fyzického kontaktu s měřeným objektem. Je třeba brát v úvahu i drobné nevýhody vyplývající z podstaty této metody. Výchozím bodem pro dosažení uspokojivých výsledků je kvalita světla dopadajícího na řádkový snímač. Ta může být ovlivněna několika nežádoucími faktory, v podstatě nesouvisejícími se samotným mikrometrem. Jedním z nich je nutnost udržet čistotu vnějších optických ploch vysílače a přijímače. Proti nechtěnému zanechání otisků prstů při neopatrné manipulaci mohou být krycí sklíčka chráněna např. mechanickým odsazením od vnějšího profilu krabičky, což naproti tomu komplikuje jejich čištění. Usazování prachových částic a jiných nečistot na vnějších optických plochách je možné omezit vhodným umístěním mikrometru uvnitř měřicího systému. Tam, kde nelze odstranit riziko znečištění jinak, je třeba před vnější optické plochy instalovat ofukovací systém. Na přesnosti měření se může také negativně projevit nevhodné umístění měřicí hlavy, např. proti oknu, do kterého svítí slunce. Měřicí hlava je opatřena optickými filtry, které propouštějí jen záření o vlnových délkách blízkých záření vysílače, avšak záleží na intenzitě a vlnovém spektru okolních zdrojů, jaký bude poměr užitečného a rušivého záření propuštěných do přijímače. Problém okolních zdrojů záření může být také vyřešen optickou soustavou uvnitř přijímače, která propustí pouze kolimované paprsky z vysílače. Ochrana celého systému proti těmto nežádoucím vlivům může být zvýšena také využitím náročných výpočetních algoritmů, ale za cenu zvýšení komplikovanosti a ceny celého zařízení.
 

5. Závěr

Tento článek předkládá vybrané informace o základních principech a parametrech „thru-beam“ optických mikrometrů. Pokouší se potenciálnímu uživateli pomoci při výběru vhodného druhu mikrometru, uvědomit si jeho přednosti i nedostatky. Je třeba mít na paměti, že stěžejní vliv na vlastnosti optických mikrometrů má typ použitého fotodetektoru, konstrukce kolimovaného svazku paprsků a použitý zdroj světla. Ve většině případů je třeba v konkrétní úloze volit kompromis především mezi dosažitelnou přesností, rychlostí měření a cenou.
 
Ing. Ondřej Zelinka, Fakulta mechatroniky,
informatiky a mezioborových studií,
Technická univerzita v Liberci
Lektorovali: Ing. František Vdoleček, CSc., FSI VUT v Brně,
Ing. Milan Bartoš, CSc., Opten, s. r. o.
 
Obr. 1. Znázornění funkce optického mikrometru
Obr. 2. Příklad profilu jasu řádkového snímače
Obr. 3. Detail hrany v profilu jasu
Obr. 4. Přenosný optický mikrometr napájený z baterií
Obr. 5. Příklady měřicích módů: a) pozice hrany, b) průměr, c) mezera, d) kontrola vývodů integrovaného obvodu