Устройство для измерения шероховатости поверхности Советский патент 1988 года по МПК G01B21/30 

Изобретение относится к измери тельной технике, а именно к оптическим измерителям шероховатости поверхности различных изделий и предназна- чено для использования в металлургической, машиностроительной и электронной промьшшенности, когда необходим экспрессный метод контроля шероховатости поверхности.

Цель изобретения - повьштение точности и стабильности измерений путем исключения погрешностей, обусловленных температурной нестабильностью элементов схемы.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжений, на выходах фотоприемника, ключевого блока и блока преобразования; на фиг. 3 - схема расположения осве- тительной и приемной систем относи- тельно основания.

Устройство содержит основание 1 с отверстием 2, через котор(ое освещается исследуемая поверхность. НА основании расположена освежительная система 3, состоящая из лампы А на- каливания и фокусирующей линзы 5, оптическая приемная система зеркальной составляющей светового потока, которая состоит из параболического зеркала 6, фокусирующего поток на фотодиод 7, и оптическая приемная . система диффузной составляющей светового потока - фотодиод 7, и оптичес- кая приемная система диффузной составляющей светового потока - фотодиод 7, плоскость которого образует уголр 45 с плоскостью основания и который расположен на оси цилиндрического моду- лятора 8, имеющего два диаметрально расположенных отверстия 9 и 10. Система измерения сигналов от диффуз- . ной и зеркальной составляющих светово го потока состоит из усилителя 11, логарифмического усилителя 12, ключевого блока I3 разделения сигналов диффузной и зеркальной составляющих светового потока, для синхронизации работы которого используют дополнительные источники 14 света - лампочку накаливания и дополнительный фотодиод 15, блок 16 преобразования иь пульсиых сиг налов в постоянные и вычитатель 17.

Применение параболического зеркала позволяет, во-первых, использо вать один фотоприемник для регистрации и зеркальной и диффузной составляющих отраженного светового потока что при

водит к повьш1ению точности н стабильности измерения; во-вторьпс, обеспечивать распространение отраженного от параболического зеркала зеркальной составляющей светового потока парал- лелльно плоскости, основания, для чего необходимо, чтобы вершина параболического зеркала находилась эквидистантно с осью цилиндрического модулятора от плоскости основания, а оптическая ось наклонена под углом а6/2 к плоскости основания; в-третьих, компенсировать доплонительное расхождение зеркальной составляющей отраженного светового потока, связанное с тем, что при измерении шероховатости поверхности изделия устройством, KOHTpojDo подвергается некоторый участок поверхности, имеющий определенную площадь (через отверстие в .основании) , которая приблизительно равна активной п лощади фо.тодиода, Так как па- рающий световой поток заключен в некотором телесном угле и является расходящимся, в особенности при измерении шероховатости поверхности изделий, имеющих цилиндрическую форму (например, прокатных валков), и так как. оптическая длина пути зеркальной составляющей отраженного светового потока больше, чем диффузной, то необходима его фокусировка, чтобы на фотоприемник сигналы зеркальной и f диффузной составляющей попадали с одного и того же контролируемого участка поверхности изделия, что приводит к повьш1ению точности измерения. Применение параболического зеркала позволяет также сделать сравнимыми интенсивности зеркальной и диффузной составляющих отраженного светового потока при измерении шероховатости поверхности изделия с параметрами шероховатости R, близким к длине волны регистрируемого излучения, что приводит к повышению точности системы измерения.

Для работы устройства необходимо, чтобы перекрытие светового потока дополнительного источника света на до-i полиительный фотодиод происходило, например, только в моменты попадания зеркальной составляющей отраженного светового потока на фотоприемник. Для этого необходимо, во-первых, чтобы ширина пластины 18, укрепленной на торце цилиндрического модулятора 8, была равна или несколько превьш1ала

31

размер отверстий модулятора 2; во- ; вторых, для синхронизации работы ключевого блока 13 разделения сигналов зеркальной и диффузной составляющей необходимо совместить отверстия 9 и 10 модулятора 8 с пластиной, а дополнительные источник света 14 и фотодиод 15 разместить эквидистантно оси модулятора 8 от основания 1.

Устройство работает следующим образом.

Лампа 4 накаливания создает пучок света, направленный под углом к поверхности основания 30 на контроли- руемую поверхность изделия через отверстие 2 в основании 1. Пучок света фокусируется линзой 5. При отражении от шероховатой поверхности регистрируются части зеркальной S(t) и диф- фузной D(t) соста,вляющих отраженного светового потока. Диффузная составляющая светового потока в моменты прохождения через отверстия 9 и 10 цилиндрического модулятора 8 попадает на фотодиод 7, а зеркальная составляющая светового потока, отражаясь от параболического зеркала 6 и проходя в соответствующие моменты времени через отверстия 9 и 10 цилиндрического модулятора 8, также попадает на фотодиод 7. Эпюры снимаемых напряжений приведены на фиг. 2а.

Освещение контролируемой поверхности осуществляется на некотором огг

раниченноМ участке (приблизительно равном активной площади фотоприемника), диффузная составляющая достигает поверхности фотоприемника лишь через отверстие в модуляторе, когда моду- лятор проходит нижнее положение при вращении. При зтом импульсы диффузной (и зеркальной) составляющих не имеют строго прямоугольную форму. Поэтому в качестве блока 16 преобразова- ния импульсных сигналов в постоянные применен пиковый детектор, постоянное напряжение на выходе которого равно максимальному значению входного сигнала, при этом фиксируется лишь максимальное значение интенсивностей. В связи с этим, отклонение формы импульсов зеркальной и диффузной составляющих от прямоугольной не влияет на результаты измерения.

Угол б наклона фотоприемника к плоскости основания выбран близким к 45 (40-50°), так как при этом , и напряжение- S(t) и D(t)

80

соизмеримы при значении параметра шероховатости Rj, близкого к длине волны регистрируемого излучения, что необходимо для повьш1ения точности обработки сигналов системой измерения.

Сигнал с фотодиода подвергается усилению в усилителе 1I, логарифмированию логарифмическим усилителем 12 и поступает на ключевой блок 13, который разделяет сигналы диффузной и зеркальной составляющих отраженного светового потока (фиг. 26,в). Для синхронизации работы ключевого устройства 13 используют дополнительные источники 14 света - лампочки накаливания и фотодиод 15. Поток света от источника 14 света перекрьшается пластиной 18, жестко связанной с цилиндрическим модулятором 8 в те моменты времени, когда на фотодиод 7 через отверстия 9 и 10 цилиндрического модулятора 8 проходит зеркальная составляющая отраженного светового потока и не попадает на дополнительный фотодиод 15. Импульсы дополнительного фотодиода 15 управляют ключевым блоком 13, с одного выхода которого снимают сигналы, пропорциональные логарифму зеркальной составляющей отраженного светового потока 1пЗ(1;), а с другого -. пропорциональные логарифму диффузной составляющей отраженного светового потока InD(t). Далее эти сигналы поступают на блок 16 преобразования импульсных сигналов в nor стоянные 16 (фиг. ) и подаются на два входа вычитателя 17, напряжения на выходе которого U(t)-lnD(t)- -lnS(t)lnD(t)/S(t), т.е. пропорционально параметру шероховатости R.

Формула изобретения

Устройство для измерения шероховатости поверхности, содержащее йс- нование с отверстием, укрепленную на основании осветительную систему, предназначенную для формирования светового потока под углом г. 20-30 к основанию, оптическую приемную систему с фотоприемником и блок обработки электрического сигнала, отличающееся тем, что, с повьшгения точности и стабильности измерения, оно снабжено оптически связаннь1ми дополнительными источником света и фотоприемником, установленным с возможностью вращения цилнндри ческим модулятором, на цилиндрической поверхности которого выполнено два диаметрально расположенных осевых отверстия, а на торцовой поверхности закреплена пластина, предназначенная :для перекрытия светового потока до- ;полнительного источника света в момент фиксирования зеркальной составляющей, установленным по ходу зеркальной составляющей отраженного светового потока параболическим зеркалом, оптическая ось которого образует с плоскостью основания угол , а

его вершина расположена эквидистантно оси цилиндрического модулятора от плоскости основания, фотоприемник оптической приемной системы расположен на оси вращения цилиндрического модулятора под углом р 40-50 к плоскости основания, блок обработки сигнала выполнен в виде последовательно соединенных усилителя, логарифмического усилителя, ключевого блока, блока . преобразова.ния и вычитателя, второй вход ключевого блока связан с выходом дополнительного фотоприемника.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повьшение точности и стабильности измерений путем исключения погрешностей, обусловленных температурной нестабильностью элементов схемы. Осветительная система направляет пучок света на контролируемую поверхность под углом tt 20-30° . При вращений модулятора 8 фотоприемник 7, располо-,; женньй на его оси под углом И я 40-50 к основанию, регистрирует попеременно диффузную и зеркальную составляющие отраженного светового потока. Электронная схема усиливает и логарифмирует выходные сигналы фотоприемника 7 усилителем 12, разделяет на сигналы диффузной и зеркальной составляющей ключевым блоком 13, преобразует их в постоянное напряжение блоком 16 преобразования. Напряжение на выходе вычитателя 17 пропорционально пара-; метру шероховатости. 3 ил. I сл Фиг.1

д)

tn S(t)

9)

Фиг.2

9)

Фи.З