Способ бесконтактного определения параметров шероховатости поверхности Советский патент 1990 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измеритель- ной технике в области геофизических исследований и может найти применение дпя Iешения задач профилометрии, т.е. там, где необходима информация о параметрах шероховатости поверхности, в частности в океанологии, в диагностике сельскохозяйственных ресурсов, в репении проблем загрязнения водной среды нв рругих областях, где возможно дистанционное зондирование поверх-/ HocTt Земли с помощью спутников, самолетов, вертолетов и других аэрокос- мических средств.

Цбль изобретения - повьш1ение произ-г водительности и информативности спосо

ба за счет расширения функциональных возможностей определения статистических свойств шероховатой поверхности и ускорения обработки большого объема информации для быстрого-получения значения среднеквадратичных величин высоты, угла наклона, а также о функциях распределения по углам наклона, высоте и периодичности шероховатости

На фиг. 1 представлена диаграмма пространственного распределения импульсного сигнала широко расходящегося лазерного пучка в фиксированный момент времени по отношению к облучаемой поверхности; на фиг. 2 - диаграм-- ма пространственного распределения

эо

4

э

35

сигнала широко расходящегося лазерного пучка в момент времени пересечения сферическим фронтом облучаемой по верхности; йа фиг. 3 - диаграмма ори- ентации широко расходящегося лазерного пучка по отношению к облучаемой поверхности при измерении среднеквадра- тичного угла наклона шероховатости; на фиг, 4 - диаграмма ориентации уэкого параллельного лазерного пучка по отношению к облучаемой поверхности при измерении среднеквадратичной высоты шероховатости; на фиг. 5 - диаграмма ориентации широкого направлен- ного импульсного лазерного пучка по отношению к периодичности шероховатой поверхности при измерении периода шероховатости; на фиг. 6 - структурная схема устройст ва, реализующего пред- лагаемый сп особ.

Устройство содержит лазер 1, преобразователь 2 ширины угловой расходимости пучка и регулятор угла наклона от пучка, которьш может быть выполнен в виде комбинации известных элементов оптики, таких, например, как выпуклые или вогнутые зеркальные линзы и плоские зеркала. Устройство включает также-полупрозрачное отклоняющее зеркало 3, устройство 4 регистрации, выполненное в виде электронно-оптического преобразователя, аттенюатор 5 и исследуемую поверхность 6.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Шероховатая поверхность с крупномасштабными неоднородностями освещается приподнятым лазерным пучком пико- секундной длительности (фиг. 1). Поня тие крупномасштабность подразумевает, что имеют место все необходимые условия для применения метода геометрической оптики, т.е. угол скольжения оптической волны 1 к поверхности и средний радиус кривизны должны удовлетворять условию

sin t|J

, k а 1 ,

k ,

т.е. кривизна поверхности в пределах первой зоны Френеля должна слабо искажать фазовый фронт отраженной волны. Обратнорассеянное оптическое излучение, отраженное от зеркальных точек в сторону приемного устройства.

совмещенного пространственно с источником излучения, формирует на входе приемника импульсный сигнал, временные характеристики которого (огибающая по времени, ее форма, длительность и т.д.) служат источциком информации о характере шероховатости поверхности. Пространственная полуширина пико- секундного импульса ( 10 с)

.1,5. 1,5 .

. |о 520

25 Q

- 35

50

Эта величина соответствует ширине импульса засветки при обратном рассеянии, который движется в сторону рассеивающей поверхности. Дня сферической волны слой засветки имеет сферическую форму с центром в точке координат источника. Внешние нормали в сторону двшкения (фиг. 1) слоя проти-. воположны нормали к поверхности в точках обратного (зеркального) отражения. Скорость слоя засветки равна V

Q

-, где С - скорость света. Включение обратнорассеянного излучения происходит в момент пересечения слоя засветки поверхности рассеяния, причем интенсивность обратного рассеяния в данном направлении пропорциональна числу зеркальных точек определения в области пересечения, имеющи. к. нормаль, направленную в точку приема, т.е. временная огибающая обратнорассеянного сигнала пропорциональна значению функции распределения углов наклона шероховатости (статистической функции распределения) при фиксированном.угле рассеяния в точку приема, причем эта огибающая тем точнее повторяет функцию распределения, чем тоньше слой засветки.

Дпя определения функции распределения по углам наклона шероховатости необходимо осветить шероховатую- поверхность широким лазерным пучком (фиг. 3). Временная огибающая интенсивности обратнорассеянного пикосе- кундного импульса будет описывать функцию распределения по углам наклона шероховатой поверхности (гистограм-. му). При этом функция распределения определяется по формуле tg б ч / 2Н

/ tgQ I /fM

i tafi™) ( с

bt (9))/1

2Н

с /

(2)

16084266

редатчика) относительно уровня поверхности.

Изобретение относится к измерительной технике в области геофизических исследований и может найти применение для решения задач профилометрии, т.е.там, где необходима информация о параметрах шероховатости поверхности. Цель изобретения - повышение производительности и информативности способа за счет расширения функциональных возможностей определения статистических свойств шероховатой поверхности и ускорения обработки большого объема информации для быстрого получения значения среднеквадратичной величины высоты угла наклона, а также о функциях распределения по углам наклона, высоте и периодичности шероховатости. Способ заключается в измерении временной зависимости обратнорассеянного импульсного сигнала пикосекундной длительности от шероховатой поверхности и определении по форме принятого сигнала свойств характерных статистических параметров шероховатости исследуемой поверхности. 1 п.ф-лы, 6 ил.

гд ut (0) |u (

1

cos д (t)

- 1)J (3)

I Yn интенсивность рассеянного сигнала - функция от момента включения рассеянного , излучения ;

0(t) - угол прихода рассеянного сигнала в точку приема, которую можно рассматривать как обратную функцию время отсчета it. При этом имеет место так называемая ошибка дискретизации при измерение функции распределения по углам наклона поверхности, которая обусловлена тем, что область пересечения фронта сферической волны с полосой, равна ширине удвоенной средней квадра- ширины шероховатости (фиг. 2).

Интервал дискретизации, определяиз геометрических условий (фиг.2) , ||ен

емьй

рав

дц, ,ctg9. i ,(4)

где

среднеквадратичная ширина

шероховатости;

Н - высота приемника, передатчика. 1ри малых углах 0 , где Q-viqjj

ULf

,

Чтобы можно было пренебречь ошибкой дискретизации, должно выполняться условие

Atf 4i tg9 1

где

tge.., - среднеквадратичный тан- 50

гене угла наклона.

лах сея щес

сея1:ия

лови я

лежа

словие (6) означает, что в преде- интервала дискретизации угол расв точку приема меняется несу- венно и функция распределения пра1 тически постоянна. Выполнения ус (6) можно всегда добиться над- щим выбором высоты приемника (пеПри этом должно выполняться условие

1ц« ДЬт cos б.

(7)

т.е. если имеют место (6) и (7), ошиб-г кой дискретизации можно пренебречь.

В реальных ситуациях значение среднеквадратичного тангенса угла наклона tg0rnУмного меньше единицы, так что tg «-0 j , тогда нормированная огибающая, определяемая по фор- муле (3), может быть представлена в виде

Ч9т )

/tge ,

1-(

не

/In,(0). (8)

25

Определив эффективную временную mip.HHy функции f по уровню , находят связь между параметром и шириной длительности импульса огибающей по уровню

(/г

4

(9):

при строго нормальном распределении 35 шероховатости по углам наклона со

среднеквадратичной величиной тангенса угла наклона.

Измерение условий функции распределения по высоте шероховатости, ко- 40 торая характеризует плотность распределения вероятности значения высоты шероховатости в интервале высот ширины А h при условии, что угол наклона поверхности равен Q , осуществляется 45 с применением направленных узких пучков (фиг. 4), удовлетворяющих неравенству

а sin 9 i Ь

(10)

где а h

- радиус пучка; f - среднеквадратичная высота

шероховатости.

55 Измерения следует модифицировать следующим образом: осуществлять зондирование поверхности серией пикосе- кундных импульсов и перемещать зондирующий пучок от импульса к импульсу

параллельно самому себе вдоль поверхности с шагом

ч

их & 2 a/cos6,

(11)

а затем проводить усреднения значения огибающей по числу импульсов в соответствующие моменты (о/1ни и те .же) времени, отсчитываемых от максимума значения огибающей в каждом случае. Правомерно допустить, что огибающая будет симметрична относительно момента времени

Ч

2Н

С cos 6

(12)

Временная огибающая может описы- вать плотность вероятности распределения высот шероховатости в интервале при условии, что угол поверхности в точке падения тонкого пучка равен &h (фиг. 4). Усреднение огибающей п числу импульсов даёт требуемую плотность условной вероятности по высоте шероховатости при условии, что угол наклона поверхности равен Q независимо от -точки падения зондирующего пучка.

Таким образом, условная плотность вероятности распределения по h опредляется соотношением

(I)

/I (to + At) ( I (tc)

I (t)

ut

интенсивность обратно рассеянного импульса (черта - знак усреднения по импульсам),

&h С-cos б

где ДЬ - приращение высоты от значения Z 0.

Вводя условно полуширину длительности импульса по уровню е дпя (13), имеют связь

(bh)g-, С -cos 0 ()e- - (1) 55

Для строго нормального закона распределения для высоты среднеквадратичная высота шероховатости равна

h

(№)g.,

(15)

Определение периодичности шероховатости по временйой огибающей обрат- норассеянного пикдсекундного импульса можно осуществить с помощью направленного широкого лазерного пучка, наклоненного под углом к поверхности.

Измеряемой величиной является период следования импульсов огибающей рассеянного излучения Т. Как показано в частном случае периодически неровной поверхности, период шероховатости L,j связан с периодом излучения соотношением

т ТД с 2 sine

25

20

Рассмотрим случай синусоидальной поверхности (фиг. 5):

Z h cos (Q х) ,

(16)

Как видно из фиг. 5, при выбранных углах обратного рассеяния в каждом интервале значений

7

- -| + 2 k if X + 2 5 (k + + 1), k 0,1...

(17)

содержатся две зеркальные точки, расстояние между которыми вдоль лучевого распространения определяется по формуле

(- --l )iп0 ч+ (z -l - z(; )cos0/, (18)

где X , z - координаты зеркальных

точек,

а расстояние между соседними- зеркальными точками вдоль оси, соответствую- шлми одному и тому же индексу,, равно

LQ .

Таким оГфазом, «Оли ширина импульса засветки удовлетворяет неравенству

а ра;|иус что

Ч Ч I nSinQ, (19)

пучка достаточно широк так,

L

и

cos

9,

(20)

енных нием

ог|ибающая обратнорассеянного пучка представлять собой дуг в виде ю

последовательности сдво- импульсов с временным расстоято

будет

периоцической

2 1,

(21)

и периодом повторения

, Ыи|)ина цуга равна Т., Сц

Ъ

Если неравенство (18) не выполнено, что возможно при малых 4а tg б , то огибаищая сливается в непрерывный импульс, Общее число сдвоенных импульсов определяется формулой

1 + Int

(21

4а tg sin9 -tС

;)

целое.

35

где Irtt означает

В геальных ситуациях, когда на пе- риоди .ность накладывается статистическая шероховатость, эффект может наблюдаться в виде огибающей, состоящей в виде периодических повторяющихся дО импульсных полос, при этом необходимо, ч 11обы вьшолнялись условия

, IH«LJJ sinOj

(22) 45

где скобки означают усреднение вдоль всей поверхности. Если периодичность отсутствует, полосы сливаются 50

пула изобретения

Фор

Спо :об бесконтактного определения параметров шероховатости поверхности, S5 заключающийся в том,что облучают исследуемую поверхность импульсным лазерным пучком, принимают пучок, отраженный

5

от исследуемой поверхности в направлении облучающего пучка, регистрир тот интенсивность зтого пучка в зависимости от времени регистрации и по огибающей полученной зависимости определяют параметры шероховатости поверхности, отличающийся тем, что, с целью повьпаения производительности и информативности способа, облучение производят пучком пикосе- кундной длительности, ориентируют его так, что одна из границ пучка нормальна к исследуемой поверхности, определяют функцию f(t) распределения по углам, наклона шероховатости по формуле f(U.l(f .и(в))/1(|Н),

20

25

30

5

О

где I - интенсивность отраженного пучка в точке регистрации;

момент регистрации отраженного луча пучка, пришедшего в точку регистрации под углом 6(t); угол наклона отраженного луча пучка в текущий момент времени регистрации t;

расстояние от точки регистрации отраженных лучей пучка до исследуемой поверхности;

С - скорость света, определяют среднеквадратичное значе- (ние тангенса угла наклона по формуле

ut(9) 9(t) н

- (

N2

-( с

н

||г

где &tye - ширина длительности по

уровню е- функции f(0); е - экспонента,

затем производят облучение поверхности под углом N6 к нормали серией пучков параллельных лучей, пикосекундной длительности, диаметр которых меньше .размера шероховатой поверхности в пло скости падения, которые перемещают от импульса к импульсу на расстоянии и х вдоль исследуемой поверхности

Лх 2a/cost ij

где а - радиус пучка,

усредняют функцию f(t) по серии импульсов и получают функцию wf

TV --«гпщЯ

условной вероятности распределения по высоте шероховатости по формуле

I (to ± At) I (to)

1д 2Н/С COS об,

JHt) С -cosot

10

fit

ДЬ (t)

15

-время приходи отраженного луча пучка в момент регистрации;

-высота освещаемой части шероховатости над плоскостью поверхности в текущий момент вёрмени регистрации;

-среднеквадратичная высота шероховатости

учетом которой определяют среднеадратичную высоту шероховатости из 25 отношения

20

h,

v лУ W

h - C.cosQ (t), S

(t.) - полуширина .длительно 0( ,

сти по уровню е функ- ,,/u.h(t)

««VKruy)v

затем поверхность облучают пучком па-. раллельных лучей одинаковой пикосе- кундной длительности, диаметр которых больше или равен размеру шероховатой поверхности в плоскости падения, наклоненных под углом с к нормали, и определяют период шероховатости по формуле

L ((2 sinoi,),

где TO период последовательности

импульсов огибающей отраженного пучка в точке регистрации .

/

ЦЗиг.1

,1608426

Q

Л

Составитель Л. Лобзова Ши2,Ь Редактор А, Козориз Техред М.Дидык Корректор С.Шевкун

3