Способ измерения шероховатости поверхности Советский патент 1992 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения параметров шероховатой поверхности,таких как среднеквадратическое отклонение профиля от средней линии (величина шероховатости) и длина корреляции.

Известен способ измерения величины шероховатости при помощи фотометрического шара, в котором исследуемый образец освещают монолроматическим излучением, выводят зеркальную составляющую через отверстие в шаре, измеряют величину потока рассеянной составляющей, закрывая отверстие, измепяют суммарный поток рассеянной и зеркально отраженной составляющих, а по отношению этих двух измерений судят о величине шероховатости. Недостатками такого способа являются, во-первых, систематическая ошибка измерений (так как часть рассеянной составляющей выходит из шара вместе с зеркальной составляющей), во-вторых, невозможность измерения длины корреляции, в-треть, способ не применим для измерений в процессе обработки поверхности.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения величины шероховатости, в котором обьект освещают когерентным излучением, при помощи линейки фотоприемников регистрируют рассеянное в виде спекл-структуры излучение в некотором диапазоне угла наблюдения, а по величине контраста судят о величине шеро3

сл о о

ховатости. Недостатками прототипа являются невозможность одновременного измерения длины корреляции, а также сложность определения величины шероховатости, связанная с необходимостью изме- рения потока рассеянного излучения в некотором диапазоне углов.

Целью изобретения является повышение информативности способа и повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что исследуемую поверхность освещают когерентным излучением, выбирают на расстоянии от пятна излучения на исследуемой поверхности, большем максимального ли- нейного размера пятна излучения, точку на- блюдения рассеянного излучения, в которой энергетические характеристики рассеянного излучения превышают пороговые энергетические характеристики ре- гистрирующего устройства, приводят исследуемую поверхность в движение в своей плоскости, производят в точке наблюдения регистрацию динамической спекл- структуры, получают временную функцию корреляции потока излучения в виде набора гауссовых процессов, определяют длину корреляции по полуширине на уровне е отдельного гауссового процесса, из всего набора гауссовых процессов формируют набор длин корреляции, по измеренной величине потока зеркально отраженной составляющей, телесному углу наблюдения рассеянного излучения, углу между нормалью к поверхности в пятне излучения и направлением на источник излучения, углу между нормалью и направлением наблюдения, углу между плоскостью зеркального отражения и плоскостью наблюдения, а также по величине амплитуды отдельного гауссового процесса в составе функции корреляции определяют величину средне- квадратического отклонения профиля от средней линии и из всего набора гауссовых процессов формируют набор величин сред- неквадратического отклонения профиля от средней линии.

При выполнении пространственных условий выбора точки наблюдения - 1

R

функция временной корреляции излучения, рассеянного движущейся со скоростью V поверхностью, в точке наблюдения будет иметь вид набора гауссовых процессов

С (Г) +cosVcos0 cos V

- sin V sin 0 cos pf x 2 х x exp

i 1 Л

0

5 0

5

0

{ - iЈL (Cos V + cos в)2 - 4 cos2 V 0 } x

A

о

xexp{- r(sin2 + sin2#-2

л

2 2 x sin p) }xexp ----,(1)

8 TI

где d - максимальный линейный размер пятна излучения на поверхности;

А - длина волны когерентного излучения,

а - среднеквадратическое отклонение профиля от средней линии; Т - длина корреляции; V - линейная скорость движения поверхности;

г- временной сдвиг; Q - телесный угол наблюдения рассе- янного излучения, значение величин ip,6,tp,R понятно из фиг.1.

Проводя корреляционный анализ электрического сигнала и определяя полуширину г отдельного гауссового процесса по уровню е значение длины корреляции определяют из соотношения Ti V Ti/2 (2) из всего набора гауссовых процессов формируют набор длин корреляции Ti, Т2,...П...Тп. Определяя амплитуду Ci при г 0 отдельного гауссового процесса в составе функции корреляции определяют величину шероховатости а как результат решения трансцендентного уравнения

С,(0}

16л6 Я

COS2 If)

1 +cos cos0- Ти

- sin sin в cos $ x Jp x у x x exp {- -- (cos V + cos Of - A cos2 $ rf}

A

о „2. x.exp { - sin2 + sin2 в- 2 sin V

sin#cos#JTi2}.(3)

Из всего набора гауссовых процессов формируют набор величин шероховатости

(71, 02, ...0j ...7П.

Способ реализуется с помощью устройства, изображенного на фиг.2.

Излучение когерентного источника 1 освещают исследуемую поверхность 2, движущуюся с известной скоростью V. Фотоприемник 3 установлен в направлении зеркального отражения. Фотоприемник 4 установлен в точке наблюдения рассеянного в виде динамической спекл-структуры из- лучения. С помощью угломерного устройства (на фиг.2 не показано) измеряются углы , в, tp, Ј2. Фотоприемники 3, 4 преобразуют оптические сигналы в электрические, пропорциональные потоку зеркальной составляющей и потоку рассеянной составляющей соответственно, которые подаются в блок отношения 5 и далее на коррелометр 6. С помощью коррелометра 6 получают функцию временной корреляции, измеряют полуширину отдельных гауссовых процессов и по отношению (2) определяют набор длин корреляции, измеряют амплитуды отдельных гауссовых процессов и по соотношению (3) определяют набор величин шероховатости.

Формула изобретения Способ измерения шероховатости поверхности, заключающийся в том, что освещают исследуемую поверхность когерентным излучением от источника излучения, регулируют с помощью регистрирующего устройства рассеянное в виде спекл- структуры излучение и определяют величину среднеквадратичного отклонения профиля от средней линии, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности способа и повышение точности измерения, выбирают на расстоянии от пятна излучения на исследуемой поверхности, большем максимального линейного размера пятна излучения, точку

наблюдения рассеянного излучения, в которой энергетические характеристики рассеянного излучения превышают пороговые энергетические характеристики регистри- рующего устройства, приводят исследуемую поверхность в движение в своей плоскости, производят в точке наблюдения регистрацию динамической спекл-структу- ры, получают временную функцию корреля- ции флуктуации потока излучения в виде набора гауссовых процессов, определяют длину корреляции по полуширине на уровне отдельного гауссового процесса, из всего набора гауссовых процессов форми- руют набор длин корреляции, по измеренной величине потока зеркально отраженной составляющей, телесному углу наблюдения рассеянного излучения, углу между нормалью к поверхности в пятне излучения и направлением на источник излучения, углу между нормалью и направлением наблюдения, углу между плоскостью зеркального отражения и плоскостью наблюдения, а также по величине амплитуды отдельного га- 5 уссового процесса в составе функции корреляции определяют величину средне- квадратического отклонения профиля от средней линии и из всего набора гауссовых процессов формируют набор величин сред- 0 неквадратического отклонения профиля от средней линии.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения параметров шероховатой поверхности, таких как среднеквадратическое отклонение профиля от средней линии и длины корреляции, оптическими методами и может быть использовано для контроля качества поверхностей (в том числе и оптических) в процессе обработки. Цель изобретения - повышение информативности способа и повышение точности измерения за счет одновременного измерения набора величины среднеквадратического отклонения профиля от средней линии и набора длин корреляции шероховатости поверхности. Способ заключается в освещении исследуемой поверхности когерентным излучением и наблюдении рассеянного от движущейся поверхности излучения. Проводя статический анализ флуктуирующего за счет динамической спекл-структуры потока рассеянного излучения, определяют набор длин корреляций и соответствующий набор величин шероховатостей. Способ позволяет измерять величину шероховатости одновременно с длиной корреляции поверхности и определять сразу набор величин шероховатости и длин корреляций, что значительно повышает качество контроля и упрощает процесс измерения 2 ил. Ј

ФИГ. I

О

ФИГ. 2