СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2014 года по МПК G01B11/30 

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности объектов относится к области информационно-измерительной техники и может быть использован для дистанционного измерения высоты шероховатости металлических и диэлектрических материалов.

Известен способ определения качества поверхности [Способ определения качества поверхности. Патент 2217697, Россия, МКИ G01B 11/30.- заявл. 8.07.2002 г., опубл. 27.11.2003 г.], основанный на формировании монохроматического зондирующего светового пучка, подаче сформированного пучка на поверхность объекта для получения зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, преобразовании отраженных от поверхности объекта зеркальной и диффузной компонент светового излучения в фототоки путем их подачи для последующей обработки на устройство преобразования светового излучения в фототок. Перед подачей на поверхность объекта зондирующего светового пучка из последнего выделяют часть излучения для формирования опорного светового пучка, "вырезают" парные импульсы равной длительности из опорного пучка и отраженной от поверхности объекта диффузной составляющей и из опорного пучка и отраженной от поверхности объекта зеркальной составляющей, полученные импульсы попарно-поочередно-последовательно подают на устройство преобразования светового излучения в фототек, а качество поверхности объекта - параметр Rq - определяют по формуле.

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет измерять основной параметр шероховатости - то есть среднеарифметическое значение высот шероховатостей.

Также известен способ измерения шероховатости сверхгладких поверхностей [Hildebrand B.P., Gordon R.L., Alien E.V. Instrument for measuring the Roughness of supersmooth surfaces. - Applied Optic, 1974, v.13, 1, p.177-180], заключающийся в том, что освещают поверхность изделия под острым углом параллельным пучком монохроматического излучения, определяют интенсивность излучения, отраженного от поверхности в зеркальном направлении и в направлении, отличном от зеркального, и по отношению интенсивностей определяют среднеквадратическое отклонение высот неровностей - параметр Rq.

Недостатком этого способа является то, что в нем теряется информация о затенении элементов шероховатости поверхности, что приводит к росту погрешности измерений.

Наиболее близким, по сути к достигаемому результату, является выбранный в качестве прототипа способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности (патент РФ №2380655 кл. G01B 11/00), заключающийся в том, что задают максимальный размер L пятна на измеряемой поверхности, направляют на нее пучок зондирующего излучения, формируют пятно, измеряют характеристики отраженного излучения, по которому определяют среднеквадратическое значение высоты шероховатости Rq, отличающийся тем, что изменяют размер пятна х на измеряемой поверхности в диапазоне от 0 до L, определяют функцию зависимости Rq(x) и ее производную Rq'(x), а качество поверхности - параметр Ra определяет по формуле

.

Недостатком данного метода является отсутствие физического обоснования однозначной зависимости среднеквадратического значения высоты неровности поверхности объекта от характеристик отраженного излучения.

Задачей, на решение которой направлен заявленный способ, является разработка физически обоснованного способа измерения параметров шероховатости поверхности объектов на основе освещения поверхности двумя источниками подсветки при длине волн λ₁ и λ₂, регистрации изображений при этих подсветках и обработке зеркальных компонент отраженных видеосигналов изображений.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в создании физически обоснованного способа бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности на основе освещения ее излучением на двух длинах волн λ₁ и λ₂, приеме, регистрации и обработке двумерных картин поля зеркальных компонент отраженного излучения используемой поверхности.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности, заключающемся в том, что направляют на измеряемую поверхность пучок зондирующего излучения, формируют область освещенной излучением поверхности, измеряют характеристики отраженного излучения, изменяют размер освещающего пятна х на измеряемой поверхности в диапазоне от 0 до L, определяют функцию распределения среднеквадратического отклонения высоты шероховатости Rq(x) и ее производную Rq'(x), при этом среднеарифметическое значение высоты шероховатости определяется по формуле:

согласно изобретению поверхность освещают поочередно на двух длинах волн λ₁ и λ₂, регистрируют в направлении зеркального отражения оптические изображения освещаемых областей поверхности объекта, а среднеквадратическое значение высоты неровностей Rq определяют по формуле:

$$Rq=\frac{{\lambda }_1{\lambda }_2}{\pi \cos \psi }\cdot \sqrt{\frac{-\ln k_{12}+\ln a}{{\lambda }_1^2-{\lambda }_2^2}}\text{, }\left(\text{2}\right)$$

где

$$k_{12}=\frac{{\displaystyle \sum }_{i=1}^N{\displaystyle \sum _{J=1}^K{u}_{ij}^{(1)}/NK}}{{\displaystyle \sum }_{i=1}^N{\displaystyle \sum }_{J=1}^K{u}_{ij}^{(2)}/NK}\left(\text{3}\right)$$

- отношение видеосигналов для всех элементов i и j изображений;

$$u_{ij}^{(1)}$$ , $$u_{ij}^{(2)}$$ - величины видеосигналов изображений, полученных на длинах волн λ₁ и λ₂; ψ - угол освещения пластины; N - число элементов в строке изображения поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта; K - число строк в изображении поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта.

Для представления сути изобретения рассмотрим физическое обоснование способа бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности объектов.

На основании работы (см. «Оптика шероховатой поверхности». А.С. Топорец. - Л.: Машиностроение. - 1988 г.) интенсивность зеркально отраженного излучения шероховатой поверхности формируется следующим

образом:

$$I_0\left(\lambda \right)=I_0\left(\lambda \right)\rho \left(\lambda \right)\exp -\frac{{\pi }^2{h}^2\cos {}^2\psi }{{\lambda }^2},\left(\text{4}\right)$$

где I₀ - интенсивность падающего пучка на длине волны λ; h - среднеквадратическая высота неровности; ψ - угол падения излучения на поверхность; ρ(λ) - коэффициент отражения поверхности на длине волны λ.

При освещении поверхности на двух длинах волн λ₁ и λ₂, приеме и регистрации интенсивности (изображения) зеркально отраженного излучения отношение величин видеосигналов u_ij(λ₁) и u_ij(λ₂) можно записать в виде:

$$k_{12}=\frac{I_0\left({\lambda }_1\right)}{I_0\left({\lambda }_2\right)}\left[\rho \left({\lambda }_1\right)/\rho \left({\lambda }_2\right)\right]\cdot \exp -\frac{{\pi }^2{h}^2\cos {}^2\psi }{{\lambda }_1^2{\lambda }_2^2}\left({\lambda }_1^2-{\lambda }_2^2\right)\text{. }\left(\text{5}\right)$$

Так как величины I₀(λ₁), I₀(λ₂), ρ(λ₁) и ρ(λ₂) априори известны, то (2) можно записать следующим образом:

где a - постоянная величина.

На основании (6) получаем:

В свою очередь, с использованием (7) среднеарифметическое значение высоты неровностей R_a находится по формуле:

$$Ra=\frac{1}{L}{\displaystyle \underset{0}{\overset{L}{\int }}\sqrt{R{q}^2(x)+2Rq(x)R{q}_x^{\text{'}}(x)xdx}},\left(\text{8}\right)$$

где Rq(x) и Rq'(x) - соответственно функция распределения среднеквадратического значения высоты неровности от размера освещающего пятна х и ее производная; L - диапазон изменения текущего размера х освещающего пучка. На Фиг.1 изображена схема работы способа. Схема включает исследуемый образец 1, источник излучения 2, спектральный фильтр 3, формирующую оптическую систему 4, цифровую видеокамеру 5.

Работа способа заключается в следующем: исследуемый образец 1 помещается на предметный стол микроскопа, затем устанавливается схема, состоящая из источника излучения 2, спектрального фильтра 3, формирующей оптической системы 4, через которую производится подсветка изучаемого объекта. В центр светового пятна направлен объектив цифровой видеокамеры 5, с помощью которой производится регистрация изображения на длине волны λ₁. Затем эксперимент повторяется, при этом отличием является замена спектрального фильтра 3 и получение изображения на длине волны λ₂. Полученные изображения на длинах волн λ₁ и λ₂ вводятся в ЭВМ, где производится обработка изображений по алгоритму согласно формулам (1)-(3). Далее, аналогичные измерения проводятся на других значениях параметра х до достижения x=L. Это выполняется с той целью, чтобы по формуле (8) с использованием значений Rq(x) и Rq'(x) определить среднеарифметическое значение шероховатости Ra.

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности может быть использован в оптических системах контроля и измерительной технике для измерения размеров неровностей деталей и изделий в оптическом приборостроении.

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности объектов относится к информационно-измерительной технике. При измерении шероховатости направляют на измеряемую поверхность пучок зондирующего излучения, формируют область освещенной излучением поверхности, измеряют характеристики отраженного излучения, изменяют размер освещающего пятна х на измеряемой поверхности в диапазоне от 0 до L, определяют функцию распределения среднеквадратического отклонения высоты шероховатости зависимости Rq(x) и ее производную Rq'x(x), при этом среднеарифметическое значение высоты шероховатости определяется по формуле: $$Ra=\frac{1}{L}{\displaystyle \underset{0}{\overset{L}{\int }}\sqrt{R{q}^2(x)+2Rq(x)R{q}_x^{\text{'}}(x)xdx}}\text{, }\left(\text{1}\right)$$

причем поверхность освещают поочередно на двух длинах волн, регистрируют в направлении зеркального отражения оптические изображения освещаемых областей поверхности объекта, а среднеквадратическое значение высоты неровностей Rq определяют по формуле:

$$Rq=\frac{{\lambda }_1{\lambda }_2}{\pi \cos \psi }\cdot \sqrt{\frac{-\ln k_{12}+\ln a}{{\lambda }_1^2-{\lambda }_2^2}}\text{, }\left(\text{2}\right)$$

k₁₂ - отношение видеосигналов для всех элементов; i и j изображений; u_ij - величины видеосигналов изображений, полученных на длинах волн λ₁ и λ₂; ψ - угол освещения пластины; N - число элементов в строке изображения поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта; K - число строк в изображении поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта. Технический результат - измерение шероховатости поверхности при освещении ее излучением на двух длинах волн. 1 ил.

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности, заключающийся в том, что направляют на измеряемую поверхность пучок зондирующего излучения, формируют область освещенной излучением поверхности, измеряют характеристики отраженного излучения, изменяют размер освещающего пятна х на измеряемой поверхности в диапазоне от 0 до L, определяют функцию распределения среднеквадратического значения высоты шероховатости зависимости Rq(x) и ее производную Rq'x(x), при этом среднеарифметическое значение высоты шероховатости определяется по формуле:
$$Ra=\frac{1}{L}{\displaystyle \underset{0}{\overset{L}{\int }}\sqrt{R{q}^2(x)+2Rq(x)R{q}_x^{\text{'}}(x)xdx}}\text{, }\left(\text{1}\right)$$
отличающийся тем, что поверхность освещают поочередно на двух длинах волн λ₁ и λ₂, регистрируют в направлении зеркального отражения оптические изображения освещаемых областей поверхности объекта, а среднеквадратическое значение высоты неровностей Rq определяют по формуле:
$$Rq=\frac{{\lambda }_1{\lambda }_2}{\pi \cos \psi }\cdot \sqrt{\frac{-\ln k_{12}+\ln a}{{\lambda }_1^2-{\lambda }_2^2}}\text{, }\left(\text{2}\right)$$
где
$$k_{12}=\frac{{\displaystyle \sum }_{i=1}^N{\displaystyle \sum }_{J=1}^N{u}_{ij}^{(1)}/NK}{{\displaystyle \sum }_{i=1}^N{\displaystyle \sum }_{J=1}^N{u}_{ij}^{(2)}/NK}\left(\text{3}\right)$$ - отношение видеосигналов для всех элементов i и j изображений;
u_ij - величины видеосигналов изображений, полученных на длинах волн λ₁ и λ₂; ψ - угол освещения пластины; N - число элементов в строке изображения поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта; К - число строк в изображении поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта.