Устройство для контроля шероховатости поверхности Советский патент 1992 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля шероховатости поверхности.

Известно устройство для контроля шероховатости поверхности, содержащее источник излучения, плоское зеркало, фотоприемник, оптически связанный с зеркалом, второй фотоприемник, устанавливаемый по ходу излучения, диффузно рассеиваемого поверхностью, третий фото- приемник, установленный симметрично второму относительно оси пучка, зеркально отраженного поверхностью.

Недостатками устройства является невысокая точность контроля шероховатости из-за невозможности измерения распределения освещенности излучения, диффузно рассеиваемого поверхностью с высоким координатным разрешением, а также вследствие влияния разброса чувствительности фотоприемни ков.

Известно также устройство для бесконтактного определения высоты шероховатости поверхности, содержащее источник излучения, блок перемещения образца, фотоприемный блок, связанный своим выходом с соединенными последовательно за

поминающим блоком, блоком усреднения и вычисления параметров шероховатости и индикатором.

Недостатком устройства является невысокая точность вследствие влияния разброса чувствительности приемных элементов фотоприемного блока и пространственной дискретизации при регистрации индикатрисы рассеяния отраженного от образца излучения.

Целью изобретения является повышение точности контроля.

Цель изобретения достигается тем, что устройство для контроля шероховатости поверхности, содержащее источник излучения, последовательно соединенные блок усреднения, блок вычисления параметров шероховатости и индикатор, синхронизатор, выходы которого подключены к запоми- нающему блоку и блоку усреднения, снабжено блоком сортировки, связанным входом с выходом запоминающего блока, а выходом - с входом блока усреднения, дозатором циклов контроля, выход которого связан с управляющим входом запоминающего блока, механизмом сканирования светового луча, блоком калиброванного дискретного перемещения механизма сканирования, связанным механически с последним и электрически своим входом с выходом синхронизатора, а своим выходом - с входом дозатора циклов контроля, а источник излучения связан оптически через механизм сканирования с фотоприемным блоком.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства контроля; на фиг. 2 - ход падающих и зеркально отраженных световых лучей при сканировании контролируемого образца (два положения механизма сканирования),

Устройство для контроля шероховатости поверхности (фиг. 1) содержит источник 1 излучения, оптически связанный через механизм 2 сканирования и контролируемый образец 3 с фотоприемным блоком 4, выполненным на основе линейного прибора с зарядовой связью (ПЗС) 5 и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6. Механизм 2 сканирования управляется механически с выхода 7 блока 8 калиброванного дискретного перемещения механизма сканирования, представляющего собой прецизионный линейно-шаговый пьезодви- гатель с узлами управления, который управляется электрически по входу 9 с выхода синхронизатора 10, а своим выходом 11 (связанным с узлами управления перемещением) связан электрически с входом дозатора 12 циклов контроля. Последний своим

выходом подключен к управляющему входу 13 запоминающего блока 14, связанного своим входом 15с выходом фотоприемного блока 4, а своим выходом 16 - с входом 17

блока 8 сортировки, выход 19 которого связан с входом 20 блока 21 усреднения. Последний своим выходом 22 связан с входом блока 23 вычисления параметров шероховатости, подключенного своим выходом к входу индикатора 24. Выходы синхронизатора подключены к входу 25 запоминающего блока 14, входу 26 блока 18 сортировки и входу 27 блока 21 усреднения.

Устройство работает следующим образом.

Луч лазера, сформированный источником 1 излучения, отклоняется механизмом 2 сканирования и падает на поверхность контролируемого образца 3 под углом 8-15° к

нормали в точке падения. Отразившийся световой пучок регистрируется ПЗС-фото- приемником 5 и преобразуется в цифровой код АЦП 6 в виде отсчетов значений освещенности в точках дискретизации, Дискретизированный и квантованный по уровню видеосигнал в виде набора цифровых кодов последовательно переписывается с выхода фотоприемного блока 4 в запоминающий блок 14 по входу 15 и запоминается в его

ячейках памяти,

В процессе работы механизма 2 сканирования осуществляются калиброванные дискретные перемещения светового луча в плоскости образца 3 при сохранении постоянного угла падения луча и нормали к поверхности образца в контролируемых точках. Управление механизмом 2 осуществляется посредством механической связи с выхода 7 блока 8, который тактируется по входу 9 с

выхода синхронизатора 10. При этом управление записью значений отсчетов индикатрисы рассеяния в контрольных точках осуществляется при помощи дозатора 12 циклов контроля, управляемого сигналами,

синхронными с тактами перемещения светового луча, с выхода 11 блока 8 калиброванного дискретного перемещения. Процесс съема информации устройством состоит из М циклов, в каждом из которых выполняется

L тактов сдвига светового луча в плоскости образца на величину Д Z, определяемую выражением (фиг. 2):

л, AY ASm

sin a L- sin ct1v ;

где а 90° -ft;

угол падения светового луча (8-15°); AY- заданная доля дискрета A S ПЗ С; Д X - величина смещения механизма сканирования (фиг. 2);

L - целочисленный коэффициент кратности повышения координатного разрешения (L 1),

Между тактами сдвига производится регистрация смещенных на Д Y в плоскости ПЗС индикатрис рассеяния, причем каждая заносится в запоминающий блок 14с выхода АЦП 6 по входу 15 в виде групп цифровых отсчетов.

Для исключения корреляции между составляющими спекл-структуры в группах индикатрис соседних циклов между циклами регистрации 1 сдвинутых между собой на ДУ индикатрис осуществляется потактовое перемещение светового луча вдоль поверхности образца на пространственный интервал, превышающий интервал корреляции, который меньше или равен ширине проекции светового пятна в плоскости образца и, как следствие, в плоскости ПЗС не превышает диаметр Л g светового луча, сформированного источником излучения, С целью упрощения последующей обработки информации величина межциклового сдвига светового луча без регистрации равна протяженности целого числа дискретов ПЗС

((2)

AS J С {AS) w

При этом управление регистрацией осу- .ществляется с выхода дозатора 12 циклов контроля, управляемого с выхода 11 блока 8 сигналами, синхронными перемещениям. Для этого на вход 13 управления запоминающего блока 14 поступает сигнал в виде пачек прямоугольных импульсов, при этом высокий уровень сигнала разрешает запись в блок 14 по входу 15 кода отсчета с выхода АЦП 6, а низкий, действующий между перемещениями, - в каждом из циклов регистра/ДОч . ции и при смещении луча на е() межДУ

1 О

этими циклами.

По окончании записи в блок 14 заданного числа реализаций блоком 18 сортировки осуществляется сортировка отсчетов индикатрис рассеяния, поступающих с выхода 16 запоминающего блока 14. В процессе сортировки осуществляются перестановки отсчетов, зарегистрированных в каждом из М циклов индикатрис. В результате сортировки блоком 18 формируется М цифровых отображений индикатрис в виде групп по N х L отсчетов (с повышенным в L раз координатным разрешением и некоррелированной для каждой из групп наложенной спекл- структурой), где N - протяженность индикатрисы в плоскости изображения,

выраженная сигналом дискрет ПЗС. С выхода 19 блока 18 сортировки сформированные отображения поступают на вход 20 блока 21 усреднения, где они накапливаются и усредняются, после чего результат усреднения поступает на вход блока 23 вычисления параметров шероховатости. Результаты вычисления шероховатости поступают на индикатор. Синхронизация выполнения

операций осуществляется под управлением синхронизатора 10.

Воздействие возмущающих факторов можно представить упрощенно в виде искажения исходного распределения освещенности в оптическом изображении аддитивной и мультиплекативной составляющей помех

f(x) 8(х)Ф(х)+ШО)

где f(x) - искаженный электрический сигнал на выходе фотоприемного блока 4;

S(x) - распределение чувствительности фотоприемника, как функция пространственной координаты в плоскости анализа;

Ф (х) - распределение освещенности в индикатрисе рассеяния;

Ј (х) - составляющая, характеризующая эффект наложения спекл-структуры.

S(x) ms+ i/(x).(4)

где ms - систематическая составляющая чувствительность фотоприемного блока 4 (является паспортной величиной фотоприемника);

г (х) - случайная составляющая, характеризующая разброс чувствительности (центрированная случайная величина).

Рассмотрение процесса усреднения, как выполнение операции взятия математического ожидания, приводит к преобразованию (3) с учетом (4):

(х) - М f (х) + Ц (х) Ф (х) + Ј ()} гп5Ф(х) + ms М | (х) + + Ф(х)(х) + (x)-iMx) 1(5) При увеличении числа усредняемых реализаций наблюдаются существенное уменьшение влияния мешающих факторов ц (х) и Ј(х) и (в пределе) их полная компенсация, как результат взятия математического ожидания центрированных случайных величин и определения их ковариации при отсутствии между ними статистической связи.

Следовательно, в пределе, в усредненном сигнале f(x) ms Ф (х) наблюдается компенсация не только наложенной спекл- структуры, но и влияние разброса чувстви тельности фотоприемного блока 4.

Механизм 2 сканирования может быть реализован в биде высококачественного плоского зеркала, один из вариантов перемещения которого в процессе сканирования показан на фиг. 2. Блок сортировки может быть реализован на основе известных средств с применением программно-аппаратных средств микропроцессорной техники, например однокристальной микроЭВМ типа К 18 16. Введенный дозатор 12 циклов контроля может быть построен на основе типовых логических элементов. Формула изобретения Устройство для контроля шероховатости поверхности, содержащее источник излучения, последовательно соединенные фотоприемный и запоминающий блоки, последовательно соединенные блок усреднения, блок вычисления параметров шероховатости и индикатор, синхронизатор, выходы которого подключены к запоминающему блоку и блоку усреднения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля, оно снабжено блоком сортировки, связанным входами с выходом

запоминающего блока и выходом синхронизатора, а выходом - с входом блока усреднения, дозатором циклов контроля, выход которого связан с управляющим входом запоминающего блока, механизмом сканирования светового луча и блоком калиброванного дискретного перемещения механизма сканирования, связанным механически с последним и электрически своим входом с выходом синхронизатора, а своим

выходом - с входом дозатора циклов контроля, а источник излучения связан оптически через механизм сканирования с фотоприемным блоком.

J

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля параметров шероховатости поверхности. Цель изобретения - повышение точности контроля за счет уменьшения влияния случайного разброса чувствительности приемных элементов фотоприемного блока, а также за счет обеспечения возможности повышения координатного разрешения при регистрации индикатрисы рассеяния, отраженного от образца излучения. Устройство содержит источник излучения, последовательно соединенные блок усреднения, блок вычисления параметров шероховатости и индикатор, синхронизатор, выходы которого подключены к запоминающему блоку и блоку усреднения, блок сортировки, связанный входами с выходами запоминающего блока и синхронизатора, а выходом - с входом блока усреднения, дозатор циклов контроля, выход которого связан с управляющим входом запоминающего блока, механизм сканирования светового луча, блок калиброванного дискретного перемещения механизма сканирования, связанный механически с последним и электрически своим входом с выходом синхронизатора, а выхо-. дом - с входом дозатора циклов контроля. Источник излучения связан оптически через механизм сканирования с фотоприемным блоком, 2 ил.

Фш.г