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

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, а конкретно к устройствам бесконтактного оптического контроля шероховатости поверхности, и предназначено для использования в машиностроительной, электронной, электрохимической, металлургической, оптической промышленности, самолетостроении, в частности для измерения шероховатости в труднодоступных местах.

Известно устройство для определения качества поверхности, содержащее источник излучения, световоды, модулятор, фотоприемник, блок обработки сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения шероховатости поверхности, содержащее основание с отверстием, осветительную и оптическую приемную систему с фотоприемником, модулятором и фотодиодом, блок обработки электрического сигнала. В этом устройстве используется один фотоприемник для регистрации последовательно с помощью цилиндрического модулятора зеркальной и диффузной составляющих отраженного светового потока от измеряемой поверхности. Сигналы от фотоприемника поступают в блок обработки сигналов, который связан с ключевым блоком.

i,

Недостатком этого устройства является нетождественность двух оптических каналов для приема зеркальной и диффузной составляющих отраженного светового потока, приводящая к погрешности измерения за счет либо запыленности параболического зеркала, либо за счет изменения его по- ложения. Это снижает точность и стабильность измерений

Цель изобретения - повышение точности и стабильности измерений, расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем измерительный блок, включающий основание, в котором выполнено отверстие, регистрирующий блок, включающий осветительную и оптическую приемную систему, модулятор, фотоприемник, соединенный с ним блок обработки электрического сигнала, фотодиод и ключевой узел, измерительный блок выполнен в виде трех световодов, один из которых предназначен для освещения поверхности и два - для передачи зеркальной и диффузной составляющих отраженного светового потока, соответственно, установленных так, что перпендикуляры проведенные из центра торцов световодов к плоскости торцов, лежат в одной плоскости и сходятся в центре отверстия основания, осветитель соединен с выходом первого световода, выходы двух других световодов соединены с фотоприемником так, что перпендикуляры, проведенные из центра торцов этих световодов к плоскостям торцов, сходятся в центре поверхности фотоприемника, модулятор расположен между этими торцами и фотоприемником и в нем выполнены четыре эллиптических отверстия, расположенные по два на двух окружностях и предназначенные для пропускания зеркальной и диффузной составляющих отраженного светового потока, а блок обработки электрического сигнала состоит из последовательно соединенных усилителя, ключевого узла, соединенного с фотодиодом, делителя напряжений, логарифмического усилителя и показывающего прибора.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - схема расположений отверстий на диске модулятора.

Устройство для измерения шероховатости поверхности включает измерительный блок I, который выполнен в виде цилиндра с тремя световодами 1, 2, 3. Основание цилиндра 4 имеет форму намеряемой поверхности с отверстием для освещения

0 поверхности и приема отраженного излучения. Световод 1 служит для освещения поверхности, световод 2 - для передачи части диффузной составляющей отраженного потока на фотоприемник 6, световод 3 - для

5 передачи зеркальной составляющей светового потока на фотоприемник 6. Торцы этих световодов расположены так, что перпендикуляры, проведенные из центра этих торцов совпадают соответственно с направлением

0 излучаемых и принимаемых световых потоков, лежат в одной плоскости и сходятся в одной точке на нижней стороне центра отверстия основания под углами 20-30°, 90°, 160-170° к поверхности основания.

5 В регистрирующем блоке устройства II осветитель 5 соединен соосно с торцом световода 1, фотоприемник 6. расположенный напротив торцов световодов 2, 3 таким образом, что перпендикуляры, проведенные

0 из центра этих торцов,сходятся в центре noBepxrfocfH фотоприемника 6 Между торцами световодов 2, 3 и фотоприемником 6 расположен диск модулятора 7 с 4 эллиптическими отверстиями, расположенными по

5 два на двух окружностях (фиг. 2). На противоположной части диска модулятора от фотоприемника6расположендополнительный источник 8 и фотодиод 9 на уровне отверстий, сканирующих зеркаль0 ную составляющую отраженного потока.

Блок обработки сигналов III состоит из последовательно соединенных усилителя 10, ключевого устройства 11. соединенного также с фотодиодом 9, делителя напряже5 ний 12, логарифмического усилителя 13 и показывающего прибора 14.

Устройство работает следующим образом. Осветитель 5 через световод 1 освещает исследуемую поверхность через

0 отверстие в основании 4 измерительного блока 1. Световоды 2 и 3 передают отраженные световые потоки в фотоприемник 6. Модулятор 7 позволяет последовательно освещать фотоприемник 6 диффузно и зер5 кально отраженными потоками и моделировать сигналы засветки дополнительного фотодиода 9 от осветителя 8 Сигналы с фотоприемника 6 усиливаются усилителем 10. разделяются ключевым блоком 11. связанным с фотодиодом 9, делятся в блоке деления сигналов 12 и логарифмируются лога- рифматором 13.

Так как коэффициент отражения зеркальной составляющей отраженного потока определяется по формуле

/03 - Аехр (tK2Ra2 COS 2 © ), (1) где А - коэффициент, зависящий от действительной и мнимой частей коэффициента преломления идеально гладкой поверхности,

К 5я/2 А , где А- длина волны падающего светового потока;

в - угол падения излучения на поверхность;

Ra - среднее арифметическое отклонение ординат микропрофиля от базовой линии,

а коэффициент отражения диффузной составляющей светового потока Определяется по формуле

ро В Ri cos2 в,(2)

где В - коэффициент, зависящий от коэффициента отражения идеально гладкой поверхности, от параметров входного и выходного зрачка оптической системы-, от К, от размера освещаемой площадки, то световые потоки, проходящие по световодам 1 и 3 будут пропорциональны (1) и (2) соответственно. Тогда электрический сигнал на выходе 13 определяется как

U- In Ооо/рз) 1п () 4-

f 2 Ra cos2 в + К2 R§ cos2 в(3)

или U a+ bRs+cRa2, где а.Ь.с - коэффициенты, зависящие от параметров установки, длины волны падаю- щего излучения, остаются неизменными в процессе измерения.

Таким образом, показания прибора 14 связаны соотношением (3) с параметром шероховатости ,

Применение данного устройства позволяет во-первых, резко уменьшить габариты измерительного блока устройства 1, что расширяет функциональные возможности устройства, например, использование устройства для измерения шероховатости в

5

0

5

0

5

5

0

5

труднодоступных местах; во-вторых, сделать идентичными оптические каналы для измерения диффузной и зеркальной составляющих отраженного потока, создать одинаковыеусловияосвещенияфотоприемника при регистрации этих потоков, увеличить телесные углы приема зеркальной и диффузной составляющих отраженного потока, что позволяет увеличить точность и стабильность измерения.

Формула изобретения - Устройство для измерения шероховатости поверхности изделия, содержащее измерительный блок, включающий основание, в котором выполнено отв ерстие, регистрирующий блок, включающий осветительную и оптическую приемную систему, модулятор, фотоприемник, соединенный с ним блок обработки электрического сигнала, фотодиод и ключевой узел, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения области использования устройства, измерительный блок выполнен в виде трех световодов, один из которых предназначен для освещения поверхности и два для передачи зеркальной и диффузной составляющих отраженного светового потока, соответственно, установленных так, что перпендикуляры, проведенные из центра торцов световодов к плоскости торцов, лежат в одной плоскости и сходятся в центре отверстия основания, осветитель соединен с выходом первого световода, выходы двух других световодов соединены с фотоприемником, что перпендикуляры, проведенные из центра торцов этих световодов к плоскостям торцов, сходятся в центре поверхности фотоприемника, модулятор расположен между этими торцами и фотоприемником и в нем выполнены четыре эллиптических отверстия, расположенные по два на двух окружностях и предназначенные для пропускания зеркальной и диффузной составляющих отраженного светового потока, а блок обработки электрического сигнала состоит из последовательно соединенных усилителя, ключевого узла, соединенного с фотодиодом, делителя напряжений, логарифмического усилителя и показывающего прибора.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения шероховатости поверхности изделия. Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение области использования за счет исключения погрешностей, обусловленных нетождествен но- стью оптических каналов для приема зеркальной и диффузной составляющих отраженного потока и за счет возможности измерения в труднодоступных местах. В основании измерительного блока расположены три световода 1, 2, 3 для освещения поверхности, для регистрации диффузной и зеркальной составляющих отраженного светового потока соответственно. Торцы этих световодов расположены так, что перпендикуляры, проведенные из центра этих торцов, лежат в одной плоскости и сходятся в одной точке на нижней стороне центра отверстия основания под углами 20-30°, 90°, 160-170° к поверхности основания. В регистрирующем блоке устройства расположен осветитель 5, соединенный соосно со световодом 1, фотоприемник 6, расположенный напротив торцов световодов 2, 3 Между торцами световодов 2, 3 и фотоприемником 6 расположен диск модулятора 7 с четырьмя эллиптическими отверстиями. На противоположной части модулятора от фотоприемника 6 расположен дополнительный источник 8 и фотодиод 9, служащие ключевым узлом для регистрации диффузной и зеркальной составляющих отражен- ногсГсв тбШго пбтока. В блоке обработки сигнала, сигналы фотоприемника 6 усиливаются усилителем 10, разделяются ключевым узлом 11, делятся делителем 12, логарифмируются усилителем 13. Напряжение на показывающем приборе зависит от значения параметра шероховатости Ra 2 ил. (Л С VJ N 00 00 о

фиг. 2