Устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей Советский патент 1983 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения сред ней квадратической шероховатостей зер кальных поверхностей. Известно устройство для измерения средней квадратической шероховатости зеркальных поверхностей фотометрическим способом, содержащее источник монохроматического излучения,фокусирующую оптическую систему,узел обеспечиван5щий сканирование пятна излучения,по измеряемой поверхности и два фотоприемника ij „ Недостатком устройства является низкая точность измерюний, обусловленная наличием двух фотоприемииков характеристики KOTOJJHX различным образом изменяются по времени. того, из-за малости телесных углов, в предалак которык распространяется отраженное излучение,, измеряемое фотоприемнике№Ш, информация о шероховатости контролируемой поверхнос и обычно искажена. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей, содержащее лазер, собиракнаее зеркало и два фотопрнемника З . Недостатками известного устройства являются недостаточная точность конт роля из-за наличия двух фотоприемников, рабочие характеристики которих различньвд образом изменяются по временИ(, и, кроме того, низкая производительность контроля из-за малой |пло1Я аяи одновременно контролируелюй поверхности, а также из-за отсутствия автоматизации устройства. Целью изобретения является повышение точности и производительности контроля, Поставленная цель достигается тем что устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей, содержащее лазер, собиракмее зеркало и фотоприемник, снабжено последовательно расположенными между лазеро и фотоприемником по ходу светового луча поляроидом, зеркалом, предназначенным для направления светового луча на контролируемую поверхность под углом, не равным нулю, эталонным плоским зеркёшом, устанавливаемым параллельно контролируелюй поверхнос ти, и плоским зеркалом, предназначенным ,для периодического нatIpaвлeния отражаемого от контролируемой по верхности )ветового луча на фотопри емник, узлом позиционирования, связывающим зеркало с фотоприемником. На фиг, 1 изображена принципиаль ная схема устройства на фиг. 2 зависимость светового потока т , направляемого во входное окно фотоприе мника от времени t. Устройство содержит лазер 1 и последовательно расположенные по ходу светового луча поляроид 2 для регулирования светового потока,- зеркало 3, предназначенное для направления светового луча, на контролируемую поверхность 4 под углом падения S О, эталонное плоское зеркало 5, образующее систему многократного отражения с контролируемой поверхностью 4, плоское зеркало 6, предназначенное для периодическрго направления зеркально отражаег«)го от контролируемой поверхности 4 светового луча, и фотоприемник 7, собирающее зеркало 8, отражающее Лиффузно рассеянный от контролируемой поверхности световой луч на входное окно фотоприа «1ика 7, reHe рируюедего сшгнал рассогласования, управляю1дай через узел 9 позиционирования положением зеркала З. Устройство работает следующим образом. Луч спета от лазера 1 щ оходит через поляроил 2, предназначенный для регулирования величины светового потока, к направляется зеркалом 3 на контролируемую поверхность 4 под угле паления 0 j 0. Отражаясь от поверхности 4, свет попадает на эталонное плоское зерксшо 5, расположенное параллельно контролируемой поверхности 4, вновь попадает на контролируемую поверхность 4 и т.д., испытывая кшогократное отражение от контролируемой поверхности 4, При этом диффузно рассеянная составляющая светового потока выводится на собирающее зеркало 8, а зеркальная составляющая - на плоское зеркало 6. Плоское зерКсШО б периодически направляет зеркально отраженный от контролируемой поверхности луч на фотоприемник 7. Диффузно рассеянная составляющая светового потока направляется собирающим зеркалом 8 на тот же фотоприемник 7. Соответственно фотоприемник 7 регистрирует постоянный по времени сигнал от диффузно . рассеянной составляющей светового потока и периодический сигнал от зеркальной составляющей. Минимальное значение регистрируемого сигнала Jmin обусловлено диффузной составляющей (фиг. 2) 3rtM«-ot,cpj/ (О где (Х - некоторый постоянный коэффициент преобразования фотоприемника на уровне Максимальное значение 3,, обусловлено суммой диффузной Фс) и зеркальной s составляющих излучения JniQv 2 (Pd 25 где oil - посгоч«ный коэффициент преобразования фотоприемника на уровне n mЕсли сигналы 3,„ и Jnjg име1§г близкие по величине значения и измеряются одним фотоприемником, то tijt nL и отношение сигналов

Jm.

:з)Зта

не зависит от временных и. иных характеристикфотоприемника, что обеспечивает более высокую стабильность работы устройства и, следовательно, более высокую точность измерения соотношения потоков излучения 9 и фиксированном расстоянии h между эталонным зеркалом 5 и контролируемой поверхностью 4 соотношение сигналов

jma. , ,, , т. . . К . const (U) Jtnin %

обеспечивается узлом позиционирования , на вход которого с фотоприемника подается сигнал рассогласования

К - J( в

(5)

где 3 { в ) - величина отношения д, зависящая от угла б падения луча света на контролируемую поверхность т.е. от угла наклона Q в зеркала 3. Узел 9 позиционирования наклоняет зеркало 3 в положение, при котором сигнал рассогласования Зр 0. Одновременно с измерением угла наклона б производится смещение зеркала 3 вдоль контролируемой поверхности 4 так, чтобы избежать деления зеркально отраженного луча света краем эталонного зеркала 5 (возможны варианты конструкции, в которых этот же результат достигается смещением эталонного зеркала 5

При заданных значениях К и h измеряется величина наклона в S которая используется для вычисления средней квадратической шероховатости ё контролируемой поверхности 4. Аналитическая связь между 8 и определяется следующим образом.

Коэффициент отражения шероховатой поверхности R можно представить в виде произведения двух факторов

R г . е ,(б )

где г - коэффициент отражения

гладкой поверхности; е - фактор, приводящий к

уменьшению коэффициента

отражения

за счет шероховатости отражающей .поверхности и следующим образом связанный со средней квадратической шероховатост;ью б

, r.Ulte о 2 е ехр( созв. ) },

где Я - длина волны падающего излучения.

Если на контролируемую поверхность 4 падает поток излучения Ф. ,

то после однокраплэго отражения от контролируемой поверхности 4 зеркальная составляющая Pf В Фд , диффузная г(1-е)Ф(,, а оставшаяся часть Q потока поглощается мат.ериалом изделия с контролируемой поверхностью; Q (1-г)Фд. Предполагая, что эталонное плоское зеркало 5, образующее совместно с контролируемой поверхностью 4 систему много0кратного отражения, имеет коэффициент отражения, близкий к единице, и обладает пренебрежимо малой собственной шероховатостью по сравнению с шероховатостью контролируемой поверхности,

5 заключают, что после отражения от эталонного зеркала на контролируемую поверхность падает зеркальная составляющая Р светового потока, диффузная же составляющая выводится из системы многократного отргикення и попадает на собиракхаее зеркало 8, которое фокусирует ее на- фотоприемник 7. Повторяя этот процесс дальше, после п-кратного отражения луча от контролируемой поверхности 4 получают на вы5ходе -из системы многократного отражения зеркальную составляющую светового потока

Ф

-о, (8)

0

и суммарный поток диффузных составляющих

и 1

V rt)d r-R ()(p

Ф

:Z Ф,

(9)

п Vi 1-R :1 Подставляя (8) и (9)в (6), .нахо5дим окончательно

1 r-R

1-r

(10)

R 1-R 1-Н

(см.(4) и (5)).

Число отражений п определяется однозначно углом падения б и геаметрическими размерами снстеил многократного отражения

е

(11)

где е - длина эталонного плоского

зеркала. 5 в плоскости падения луча;п - округляется до меньшего целочисленного з«ачения. Выражений (7), (10) и (11) достаточно для нахождения средиеЛ Лвадратической шероховатости поверхности 4. В случае металлических поверхностей, когда (1-г) i. 1, «сражение (10 У упрощается

ехр(п( . cosS)) (12).

.п

К sf

В этом случае средняя квадратическая шероховатость находится явно

VI

ё

(13)

FnK,

h It созв где (9) дается формулой (11)

Отражение света от поверхности 4

происходит на плотади

S п -Д . sine , (lU)

где d - диаметр поперечного сечения 5

падаю1цего луча.

Следовательно, измеряемая величина 6 характеризует шероховатость на этой площади.

При точности измерений фотоприем- Ю ника 63 5% погрешность йк измерений соотношения сигналов

Jmin

в устройстве с наиболее близким техническим решением составляет 5

SK S ,4 10% (15) Согласно формуле (13) для К 2,5 такая погрешность измерений приводит при вычислении величины 6 к погрешности7056 { б ,+ S3 iJ/2PnK 5,5% (1бГ

Эта ошибка устраняется в устройстве в результате существенного уменьшения различия в интенсивности зеркальной и диффузной составляющих отраженного света и, как следствие, использования только одного фотоприемника для измерений соотношения световых потоков.

Изобретение позволяет производить с высокой точностью измерения шероховатости зеркальных поверхнсэстей на площади в п раз большей, чём при однократном акте светорассеяния.Кроме того, оно позволяет автоматизировать измерения с применением обратной связи между фотоприемником и поворотным зеркалом, используя зависимость между интенсивностью диффузно рассеянного света и углом пащения светового луча на контролируемую поверхность.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ЗЕРКАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, содержащее лазер, собирающее зеркало и фотоприемник, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и. производительности контроля, оно снабжено последовательно расположенными между лазером и фотоприемником по ходу светового луча поляроидом, зеркалом, предназначенным для направления светового луча на контролируемую поверхность под углом, не равным нулю, эталонным плоским зеркалом, устанавливаемым параллельно контролируемой поверхности, и плоским зеркалом, предназначенным для периодического направления отражае;« го от контролируемой поверхности светового луча на фотоприемник, и узлом позиционирования, связывающим зеркало с фотопрнемником. (Л d 4;:

фиг. г