УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ И ВОЛНИСТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ФИКСИРОВАННЫХ ЗНАЧЕНИЯХ БАЗОВОЙ ДЛИНЫ Российский патент 1998 года по МПК G01B11/00 G01B11/30 G01B21/00 G01B21/30 

Изобретение относится к технике измерения и может быть использовано для контроля выпуска продукции с регламентированными параметрами шероховатости и волнистости в металлургической, машиностроительной, электронной, оптической, полиграфической промышленности, в самолетостроении, в технологиях нанесения покрытий.

В основу изобретения положена задача разработки устройства для измерения шероховатости и волнистости поверхности при фиксированных значениях базовой длины, которое обеспечило бы выделение коротковолновой и длинноволновой составляющей профиля путем создания пространственных оптических фильтров со строго определенными границами пропускания, которые задаются значениями базовой длины L, что позволит повысить точность измерения и расширить функциональные возможности устройства.

Поставленная задача решается тем, что известное устройство для измерения шероховатости и волнистости поверхности при фиксированных значениях базовой длины, содержащее основание с отверстием, закрепленную на основании осветительную систему для формирования падающего излучения, блок пространственной фильтрации излучения осветительной системы, установленный соосно осветительной системе и выполненный в виде двух соосных линз, установленных друг от друга на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний, в точке совпадения фокусов которых размещен экран с выполненной в нем параллельно основанию щелью, ширину которой "а" выбирают из условия:
a = λ•F₁/L_m,
где
λ - длина волны падающего излучения осветительной системы;
F₁ - фокусное расстояние линз оптического блока пространственной фильтрации излучения осветительной системы;
L_m - максимальное значение базово длины;
оптическую приемную систему состоящую, из фотоприемника, модулятора, на цилиндрической поверхности которого выполнены отверстия и блока пространственной фильтрации излучения, отраженного от исследуемой поверхности, выполненного в виде коллимирующей линзы, установленной между основанием и модулятором так, что в точке фокуса коллимирующей линзы размещена поверхность модулятора, на торцевой поверхности которого закреплена пластина для перекрытия светового потока от дополнительного источника света к дополнительному фотоприемнику, блок обработки сигналов, состоящий из усилителя, соединенного с фотоприемником, ключевого блока, блока вычитания, блока разделения, блока усреднения, блока деления, блока хранения сигналов и показывающего устройства, причем усилитель, блок разделения, блок усреднения, блок вычитания, блок деления, блок хранения сигналов и показывающее устройство соединены последовательно, вход ключевого блока соединен с выходом дополнительного фотоприемника, а выходы ключевого блока соединены соответственно с блоком разделения, блоком вычитания, блоком деления и блоком хранения сигналов, отверстия в цилиндрической поверхности модулятора выполнены в виде щелей, ширину "b" одной из которых выбирают из условия:
b = λ•F₂/R_j,
где
F₂ - фокусное расстояние коллимирующей линзы;
R_j - радиус иглы профилографа, по которому аттестуется устройство, ширину "c₁" остальных щелей выбирают из условия:
c_i= λ•F₂/L_i,
где
L₁ - значение базовой длины;
i = 1, 2, ..., n;
n - число базовых длин;
а коллимирующая линза, проекция оси модулятора и фотоприемник оптической приемной системы установлены соосно в направлении зеркальной составляющей отраженного светового потока от исследуемой поверхности.

Отличительные признаки, характеризующие форму выполнения оптического блока пространственной фильтрации излучения осветительной системы и размещения его относительно осветительной системы, а также строго определенная ширина щели "a", размеры которой лимитируются максимальным значением базовой длины L_m измеряемого профиля поверхности в предложенном устройстве обеспечивают создание фронта волны падающего излучения с пространственным периодом, меньшим L_m.

Известно использование коллимирующей линзы и экрана с отверстием, как элемента блока пространственной фильтрации фронта волны исследуемого излучения (Справочник по лазерной технике. Киев, "Техника", 1978, 281 - 284).

В устройстве коллимирующая линза и модулятор с отверстиями (транспарант) также предназначены для фильтрации отраженного излучения от исследуемой поверхности по пространственным частотам, но эта фильтрация осуществляется по тем же зависимостям, что и при измерении шероховатости и волнистости механическим способом, когда с помощью перемещения различных игл вдоль исследуемой поверхности, регистрируют сигнал о вертикальных перемещениях этих игл. Этот сигнал не полностью соответствует истинному профилю по следующим причинам. При измерении шероховатости и волнистости механическим способом в данных устройствах осуществляется фильтрация этого сигнала по базовой длине L₁, чтобы выделить составляющие этого сигнала, относящиеся либо к составляющей профиля, называемой шероховатостью, либо к составляющей профиля, называемой волнистостью. Например, при измерении шероховатости вся информация о длинноволновой части профиля, превышающей L₁, отбрасывается, а при измерении волнистости отбрасывается вся информация о коротковолновой части профиля, меньшей L₁. Правила этой фильтрации и значения базовой длины L₁ = 8; 2,5; 0,8; 0,25; 0,08 мм строго лимитируется (см. ГОСТ 25142-82 (СТСЭВ 1156-78) "Шероховатость поверхности, Термины и определения"). Эта фильтрация сигнала осуществляется электрическими фильтрами (RC-цепочками).

В изобретении, где информация о микротопографии поверхности содержится в рассеянном излучении, данная фильтрация информации об исследуемом профиле осуществляется с помощью пространственных оптических фильтров со строго определенными границами пропускания, которые задаются значениями базовой длины L₁. Эта цель достигается следующим образом. Фронт волны излучения, падающего на исследуемую поверхность не должен содержать искаженный меньших L_m, для чего излучение осветителя пропускается через пространственный оптический фильтр со строго определенной границей пропускания, которая задается максимальным значением базовой длины L_m. Тогда все искажения фронта волны при отражении от исследуемой поверхности с периодичностью фронта волны меньших L₁, будут обусловлены только отражением от коротковолновой составляющей профиля называемой шероховатостью с заданным значением базовой длины L₁. Регистрируя сигнал только с такими искажениями фронта волны, то есть пропуская отраженное излучение через пространственный оптический фильтр со строго определенной границей пропускания, которая задается значением базовой длины L_i, получаем информацию о шероховатости с заданным значением базовой длины L_i. Непрошедшее через этот фильтр излучение будет обусловлено отражением от длинноволновой составляющей профиля называемой волнистостью с заданным значением базовой длины L_i.

Но интенсивность отраженного излучения будет существенно зависеть не только от микротопографии поверхности, но и от природы отражающей поверхности (Френелевских коэффициентов отражения), от загрязнения поверхности. Чтобы исключить это влияние заявляемая конструкция устройства позволяет обеспечить деление сигнала, характеризующего шероховатость на сумму сигналов, характеризующих шероховатость и волнистость. Аналогично заявляемое устройство преобразует сигнал, характеризующий волнистость.

Таким образом, изобретение позволяет измерять сигналы пропорциональные как шероховатости, так и волнистости поверхности при фиксированных значениях базовой длины L_i.

На основании вышеизложенного анализа известных источников информации можно сделать вывод, что предложенное устройство для измерения шероховатости и волнистости поверхности при фиксированных значениях базовой длины не следует явным образом из известного уровня техники, и следовательно соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображено устройство для измерения шероховатости и волнистости при фиксированных значениях базовой длины в разрезе; на фиг. 2 - развертка боковой поверхности модулятора; на фиг. 3 - зависимость коэффициента пропускания блока пространственной фильтрации излучения осветителя и блока пространственной фильтрации излучения, отраженного от исследуемой поверхности как функции периодичности искажения фронта волны Δx.

Устройство для измерения шероховатости и волнистости при фиксированных значениях базовой длины содержит основание 1 с отверстием 2, закрепленную на основании осветительную систему 3 для формирования падающего излучения, блок пространственной фильтрации излучения осветительной системы, установленный соосно осветительной системе и выполненный в виде двух соосных линз 4 и 5, установленных друг от друга на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний, в точке совпадения фокусов которых размещен экран 6 с выполненной в нем параллельно основанию 1 щелью 7, ширину которой "a" выбирают из условия:
a = λ•F₁/L_m,
где
λ - длина волны падающего излучения осветительной системы;
F₁ - фокусное расстояние линз оптического блока пространственной фильтрации излучения осветительной системы;
L_m - максимальное значение базовой длины.

По направлению зеркального отражения излучения от поверхности исследуемого материала в устройстве размещена оптическая приемная система состоящая, из фотоприемника 8, модулятора 9, на цилиндрической поверхности которого выполнены отверстия 10, 11 и блока пространственной фильтрации излучения, отраженного от исследуемой поверхности, выполненного в виде коллимирующей линзы 12, установленной между основанием 1 и модулятором так, что в точке фокуса коллимирующей линзы 12 размещена поверхность модулятора, на торцевой поверхности которого закреплена пластина 13 для перекрытия светового потока от дополнительного источника света 14 к дополнительному фотоприемнику 15.

Блок обработки сигналов, состоит из усилителя 16, соединенного с фотоприемником 8, блока разделения 17, блока усреднения 18, блока вычитания 19, блока деления 20, блока хранения сигналов 21 и показывающего устройства 22, ключевого блока 23, причем усилитель 16, блок разделения 17, блок усреднения 18, блок вычитания 19, блок деления 20, блок хранения сигналов 21, показывающее устройство 22 соединены последовательно, вход ключевого блока 23 соединен с выходом дополнительного фотоприемника 12, а выходы ключевого блока 23 соединены соответственно с блоком разделения 17, блоком вычитания 19, блоком деления 20 и блоком хранения сигналов 21.

Отверстия в цилиндрической поверхности модулятора 9 выполнены в виде щелей, ширину "b" одной из которых 10 (фиг. 1, 2) выбирают из условия:
b = λ•F₂/R_j,
где
F₂ - фокусное расстояние коллимирующей линзы 12;
R_j - радиус иглы профилографа, по которому аттестуется устройство, ширину "c_i" остальных щелей 11 выбирают из условия;
c_i= λ•F₂/L_i,
где
L_i - значение базовой длины;
i = 1, 2, ..., n;
n - число базовых длин.

Коллимирующая линза 12, проекция оси модулятора 9 и фотоприемник оптической приемной системы 8 установлены соосно в направлении зеркальной составляющей отраженного светового потока от исследуемой поверхности.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от осветительной системы 3, проходя через соосно установленные линзы 4 и 5 оптического блока пространственной фильтрации излучения осветительной системы и отверстие 2 в основании 1, падает на исследуемую поверхность. Линзы 4 и 5 расположены друг от друга на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний, а в точке совпадения их фокусов помещен экран 6 с щелью 7, параллельной основанию 1. Ширина этой щели "a" определяется из условия:
a = λ•F₁/L_m,
где
λ - длина волны падающего излучения осветительной системы;
F₁ - фокусное расстояние линз оптического блока пространственной фильтрации излучения осветительной системы;
L_m - максимальное значение базовой длины.

За счет такого расположения линз 4, 5 и экрана 6 с щелью 7 шириной "a" создается фронт волны, в котором отсутствуют искажения с пространственной периодичностью ниже L_m. В прошедшем излучении через линзы 4, 5 и щель 7 в экране 6 все искажения фронта волны с периодичностью Δx меньшими L_m отсекаются. Зависимость коэффициента пропускания этого фильтра как функции периодичности искажения фронта волны Δx показана на фиг. 3а. Световой поток с таким фронтом волны используется для освещения исследуемой поверхности. Далее при отражении этого светового потока от исследуемой поверхности происходит искажение фронта волны. Отраженное излучение проходит через блок пространственной фильтрации отраженного излучения, состоящий из коллимирующей линзы 12 и модулятора 9, цилиндрическая поверхность которого расположена в фокусе линзы 12. Отверстия в цилиндрической поверхности модулятора выполнены в виде щелей, ширину "b" одной из которых 10 выбирают из условия:
b = λ•F₂/R_j,
где
F₂ - фокусное расстояние коллимирующей линзы 12;
R_j - радиус иглы профилографа, по которому аттестуется устройство, а ширину "c_i" остальных щелей 11 выбирают из условия:
c_i= λ•F₂/L_i,
где
L_i - значение базовой длины;
i = 1, 2, ..., n;
n - число базовых длин.

Коллимирующая линза 12, проекция оси модулятора 9 и фотоприемник 8 блока пространственной фильтрации отраженного излучения установлены соосно в направлении зеркальной составляющей отраженного светового потока от исследуемой поверхности.

При отражении от поверхности появляются искажения фронта волны, обусловленные коротковолновой и длинноволновой частью пространственного спектра профиля поверхности, причем при расположении в фокусе линзы 12 щели шириной "b" блок пространственной фильтрации отраженного излучения пропускает излучение, отраженная от поверхности с периодичностью Δx профиля от бесконечности до R_j, при щелях "c_i" - от поверхности с периодичностью профиля Δx от бесконечности до заданного значения L_i.

Зависимость коэффициента пропускания блока в пространственной фильтрации отраженного излучения как функции периодичности искажения фронта волны Δx , если в фокусе линзы 12 находится щель шириной "b", изображенная на фиг. 3b, а если в фокусе линзы 12 находятся щели, ширина каждой из которых "c_i - изображена на фиг. 3c.

По определению шероховатостью называют характеристику профиля с шагами, меньшими базовой длины L_i, а волнистостью - с шагами, большими базовой длины L_i. Значения базовой длины L_i = 8; 2,5; 0,8; 0,25; 0,08 мм строго регламентируются (см. ГОСТ 25142-82 (СТСЭВ 1156-78) "Шероховатость поверхности. Термины и определения").

Таким образом, сигнал регистрируемый фотоприемником 8 при положении в фокусе линзы 12 щели шириной "b", обозначаемый далее J_b , характеризует волнистость и шероховатость, а сигнал при щели шириной "c_i", обозначаемый J_вол(i), характеризует волнистость поверхности при фиксированных значениях базовой длины L_i.

При одном повороте модулятора с фотоприемника 8 подается n+1 сигнал на усилитель 16. Эти сигналы в блоке разделения сигналов 17 разделяются n+1 сигналов в строгой последовательности по сигналу с ключевого устройства 23. Сигналы с блока разделения сигналов 17 поступают в блок усреднения сигналов 18, где усредняются. В блоке вычитания сигналов 19 из сигнала J_b вычитаются сигналы J_вол(i) и получаемый сигнал J_шер(i) = J_b - I_вол(i) характеризует шероховатость поверхности при фиксированных значениях базовой длины L_i. Чтобы исключить зависимость показаний устройства от колебаний силы света осветительной системы 3 и от различия коэффициентов отражения Френеля исследуемой поверхности в блоке деления сигналов 20 определяются соотношения I_шер(i) = J_шер(i)/J_вол; I_вол(i) = J_вол(i)/J_b, где коротковолновую часть пространственного спектра профиля поверхности (шероховатость) с периодичностью профиля от R_j до L_i характеризует сигнал I_шер(i), а длинноволновая часть пространственного спектра профиля поверхности (волнистость) с периодичностью профиля от L_i до бесконечности характеризует сигнал I_вол(i).

Количество пар сигналов I_шер(i) и I_вол(i) соответствует заданному количеству базовых длин L_i, где i = 1, 2, ..., n; n - число базовых длин. Блок хранения 21 запоминает эти сигналы для каждого строго определенного L_i и I_шер(i), I_вол(i) визуально представляются на показывающем устройстве 22. Ключевой блок 23 (фиг. 1) связан с выходом дополнительного фотоприемника 15 и с входами блоков разделения 17, вычитания 19, деления 20, хранения 21 сигналов. Вход ключевого блока 23 связан с выходом дополнительного фотоприемника 15. В зазоре между дополнительным фотоприемником 15 и дополнительным источником света 14 движется пластинка 13, закрепленная на торце модулятора 9. Положение пластинки 13 относительно щелей b и c_i задает строгую последовательность считывания сигналов, что необходимо для работы ключевого блока 23, который в свою очередь задает строгую последовательность операций с сигналами в блоках разделения 17, вычитания 19, деления 20, хранения 21 сигналов.

Данное устройство позволяет производить измерения параметров шероховатости и волнистости при фиксированных значениях базовой длины, что значительно расширяет его функциональные возможности, повышает точность измерения и делает результаты измерений тождественными результатам измерений на профилометрах.

Устройство относится к технике измерения. Устройство содержит основание с отверстием, закрепленную на основании осветительную систему для формирования падающего излучения, оптическую приемную систему, состоящую из фотоприемника, вращающегося модулятора, на цилиндрической поверхности которого выполнены отверстия, и блок обработки сигналов, состоящий из усилителя ключевого блока соединенного с выходом дополнительно фотоприемника, блока вычитания, блока разделения, усреднения, деления, хранения сигналов и показывающего устройства, оптический блок пространственной фильтрации излучения осветительной системы, выполненный в виде двух соосных линз, установленных друг от друга на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний, в точке совпадения фокусов которых размещен экран с выполненным в нем параллельно основанию щелью, блок пространственной фильтрации излучения. Устройство повышает точность измерения и делает результаты измерений тождественными результатам измерений на профилометрах. 3 иле

Устройство для измерения шероховатости и волнистости при фиксированных значениях базовой длины, содержащее основание с отверстием, закрепленную на основании осветительную систему для формирования падающего излучения, блок пространственной фильтрации излучения осветительной системы, установленный соосно с осветительной системой и выполненный в виде двух соосных линз, установленных одна от другой на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний, в точке совпадения фокусов которых размещен экран с выполненной в нем параллельно основанию щелью, ширину а которой выбирают из условия
a = λ·F₁/L_m,
где λ - длина волны падающего излучения осветительной системы;
F₁ - фокусное расстояние линз оптического блока пространственной фильтрации излучения осветительной системы;
L_m - максимальное значение базовой длины,
оптическую приемную систему, состоящую из фотоприемника, модулятора, на цилиндрической поверхности которого выполнены отверстия, и блока пространственной фильтрации излучения, отраженного от исследуемой поверхности, выполненного в виде коллимирующей линзы, установленной между основанием и модулятором так, что в точке фокуса коллимирующей линзы размещена поверхность модулятора, на торцевой поверхности которого закреплена пластина для перекрытия светового потока от дополнительного источника света к дополнительному фотоприемнику, блок обработки сигналов, состояний из усилителя, соединенного с фотоприемником, блока разделения, блока усреднения, блока вычитания, блока деления, блока хранения сигналов, показывающего устройства и ключевого блока, причем усилитель, блок разделения, блок усреднения, блок вычитания, блок деления, блок хранения сигналов и показывающее устройство соединены последовательно, вход ключевого блока соединен с выходом дополнительного фотоприемника, а выходы ключевого блока соединены соответственно с блоком разделения, блоком вычитания, блоком деления и блоком хранения сигналов, отверстия в цилиндрической поверхности модулятора выполнены в виде щелей, ширину b одной из которых выбирают из условия
b = λ·F₂/R_j,
где F₂ - фокусное расстояние коллимирующей линзы:
R_j - радиус иглы профилографа, по которому аттестуется устройство,
ширину C₁ остальных щелей выбирают из условия
C₁= λ·F₂/L_i,
где L_i - значение базовой длины;
i = 1, 2, ..., n;
n - число базовых длин;
а коллимирующая линза, проекция оси модулятора и фотоприемник оптической приемной системы установлены соосно в направлении зеркальной составляющей отраженного светового потока от исследуемой поверхности.