Способ дистанционного определения шероховатости поверхности изделия и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01B11/30 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для диагностики шероховатости поверхностей изделий, в частности, для дистанционного контроля состояния поверхностей оптических элементов (линз, зеркал) и других полированных поверхностей при невозможности лабораторных измерений.

Целью изобретения является повышение точности определения шероховатости поверхности удаленного изделия.

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ, приведена на чертеже.

Сущность предлагаемого способа за-; ключается в следующем. Монохроматическое когерентное излучение перестраивают по частоте за время гп, меньшее времени тр

регистрации принятого излучения и освещают им поверхность изделия. Отраженный от поверхности изделия сигнал принимают и делят на три пучка, нормировочный, изме-. рительный и опорный, таким образом, что интенсивность нормировочного пучка равна суммарной интенсивности измерительного и опорного пучков, а интенсивности измерительного и опорного пучков одинаковы. Измерительный и опорный пучки сов,ме- щают до исчезновения интерференционных полос, затем изменяют разность хода At измерительного и опорного пучков до получения минимальной интенсивности излучения результирующего пучка, образованного совмещенными измерительным и опорным пучками за время ти, большее времени регистрации гр принятого излучения, регистрируют интенсивность излучения нормировочного и результирующего пучков, делят напряжение 11Р(Д I), пропорциональное интенсивности результирующего пучка, зависящей от разности хода Af опорного и измерительного пучков, на напряжение ин, пропорциональное интенсивности излучения нормировочного пучка. Полученное отношение напряжений Up( A)/UH зависит от разности хода АI измерительного и опорного пучков, или, что эквивалентно, от времени задержки т измерительного пучка относительно опорного, при этом т определяется из следующего соотношения

т - -, где с - скорость света. Зависимость

w

отношения напряжений UP(Z)/UH пропорциональна нормированной временной корреляционной функции RH(T) сигнала, отраженного от шероховатой поверхности.

Далее определяют время задержки г измерительного пучка относительно опорного (или, что эквивалентно, разности хода АI измерительного и опорного пучков), при котором отношение напряжений UP(T)/UH

11 равно пороговому значению -я- 1 + е х

Ц ХЧ

Пороговое значение определяется выражением:

| 1+е 1 Рн(0) Ян (2ат)

при этом значение Up(0)/UH пропорционально значению нормированной временной корреляционной функции (0) при .

По полученному времени задержки т 2 о г при котором

MPW 1 1+е-13ад)

TV 2

Ц

используя выражение

fh 2

определяют шероховатость исследуемой

поверхности.

Устройство содержит источник когерентного излучения 1, параметрический генератор света 2, приемопередающий телескоп 3, генератор пилообразного напряжения 4,

0 первый светоделитель 5, второй светоделитель 6, первый фотоприемник 7, второй фотоприемник 8, первый отражатель 9, второй отражатель 10, оптическую управляемую линию задержки 11; оптический смеситель

5 световых пучков 12, усилитель напряжения 13, индикатор 14, цифроаналоговый преобразователь 15, делитель напряжения 16, синхронизатор 17, счетчик импульсов 18, вентиль 19, компаратор 20.

0 Элементы устройства расположены и соединены следующим образом. Выход источника когерентного излучения 1 оптически сопряжен с входом параметрического генератора света 2, параметрический гене5 ратор света 2 соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 4, выход параметрического генератора света 2 опти- Г- чески сопряжен с входом приемопередающего оптического телескопа 3, выход

0 приемопередающего оптического телескопа 3 оптически сопряжен с входом первого светоделителя 5, первый выход оптического светоделителя 5 оптически сопряжен с входом первого фотоприемника 7, второй вы5 ход первого светоделителя 5 оптически сопряжен с входом второго светоделителя б, первый выход второго светоделителя 6 оптически сопряжен через первый отражатель 9 с первым входом оптического смеси0 теля световых пучков 12, второй выход второго светоделителя б оптически сопряжен через второй отражатель 10 с входом оптической управляемой линии задержки 11, выход оптической управляемой линии

5 задержки 11 оптически сопряжен с вторым входом оптического смесителя световых пучков 12, выход оптического смесителя световых пучков 12 оптически сопряжен с входом второго фотоприемника 8, выход

0 второго фотоприемника 8 соединен с первым входом делителя напряжения 16, второй вход делителя напряжения 16 соединен с выходом первого фотоприемника 7, выход делителя напряжения 16 со5 единен с входом компаратора 20, выход компаратора 20 соединен с первым входим вентиля 19, выход вентиля 19 соединен с первым входом счетчика импульсов 18, выход счетчика импульсов 18 соединен с входом цифроаналогового преобразователя

15, выход цифроаналогового преобразователя 15 соединен с входом индикатора 14 и С входом усилителя напряжения 13, выход усилителя напряжения 13 соединен с оптической управляемой линией задержки 11, первый выход синхронизатора 17 соединен с входом генератора пилообразного напряжения 4, второй выход синхронизатора 17 соединен с вторым входом счетчика импульсов 18, третий выход синхронизатора 17 со- единен с вторым входом вентиля 19.

Устройство- работает следующим образом.

Источник когерентного излучения 1 ге- нерирует монохроматический пучок коге- рентного излучения, который поступает на вход параметрического генератора света 2. С первого выхода синхронизатора 17 на вход генератора пилообразного напряжения 4 поступает импульс запуска. С выхода генератора пилообразного напряжения 4 на пьезокерамические толкатели, скрепленные с нелинейным кристаллом параметрического генератора света 2, поступает пилообразное напряжение, изменяющее ориентацию нелинейного кристалла относительно оптической оси, и, соответственно, частоту излучения когерентного пучка, поступающего на вход параметрического генератора света 2, на величину Av. С вы- хода параметрического генератора света 2 пучок когерентного излучения со спектром A через, приемопередающий оптический телескоп 3 освещает поверхность изделия. Отраженный от поверхности изделия сигнал, принимается приемопередающим оптическим телескопом 3, поступает на вход первого светоделителя 5 и делится им на два пучка равной интенсивности, нормировочный и контрольный. Нормировочный пучок с первого выхода первого светоделителя 5 поступает на вход первого фотоприемника 7. Контрольный пучок с второго выхода первого светоделителя 5 поступает на вход второго светоделителя 6 и делится им на два пучка равной интенсивности, измерительный и опорный. Опорный пучок с первого выхода второго светоделителя 6, переотражаясь от первого отражателя 9, поступает на первый вход оптического смесителя све- товых пучков 12. Измерительный пучок с второго выхода второго светоделителя 6, переотражаясь от второго отражателя 10, поступает на вход оптической управляемой линии задержки 11. С второго выхода синх- ронизатора 17 на второй вход счетчика импульсов 18 поступает импульс установки в начальное состояние и устанавливает счетчик 18 в нуль. С третьего выхода синхронизатора 17 на второй вход вентиля 19 поступают тактовые импульсы, которые с выхода вентиля 19 поступают на первый вход счетчика импульсов 18. Счетчик импульсов 18 считает тактовые импульсы, поступающие с выхода вентиля 19, управляя цифроаналого- вым преобразователем 15. Цифроаналого- вый преобразователь 15 формирует напряжение, ступенчато-возрастающее от нуля до значения, соответствующего полной шкале, которое поступает на вход усилителя напряжения 13. С выхода усилителя напряжения 13 управляющее напряжение поступает на. контакты нелинейного кристалла оптической управляемой линии задержки 11, изменяя его показатель преломления от п до n+ An. С выхода оптической управляемой линии задержки 11 измерительный пучок Поступает на второй вход оптического смесителя световых пучков 12. С выхода оптического смесителя световых пучков 12 результирующий пучок, образованный совмещенными опорным и измерительным пучками, поступает на вход второго фотоприемника 8. При этом интенсивность результирующего пучка зависит от времени задержки т измерительного пучка относительно опорного. Время задержки г определяется из следующего выражения

,1кР-Ап

Ь -х

где Цр - длина нелинейного кристалла оптической управляемой линии задержки 11;

An- приращение показателя преломления нелинейного кристалла, возникающее под воздействием управляющего напряжения с выхода усилителя напряжения 13;

с - скорость света в кристалле.

С выхода второго фотоприемника 8 напряжение Up(z), пропорциональное интенсивности результирующего пучка, поступает на первый вход делителя напряжения 16. Одновременно на второй вход делителя напряжения 16 поступает напряжение UH, пропорциональное интенсивности нормировочного пучка. С выхода делителя напряжения 16 напряжение U(r), определяемое выражением

и(т)К

UP fr)

UH

где К - коэффициент пропорциональности, определяемый конструктивным исполнением делителя напряжения 16, поступает на вход компаратора 20. При этом напряжение

U(z) пропорционально нормированной временной корреляционной функции RH(T) широкополосного сигнала, отраженного от шероховатой поверхности. Компаратор 20 имеет внутренний порог срабатывания, уровень которого равен

1 UK0) .

Пороговый уровень определяется выражением

1

Л-1

1+е 1 Рн(0) Ян(2а€),

при этом

максимальное значение

напряжения на выходе делителя напряжения 16 при отсутствии задержки измерительного пучка относительно опорного, пропорциональное максимальному значению нормированной временной корреляционной функции RH(0).

В момент равенства порогового напряжения компаратора 20 и напряжения

К РЛ , поступающего с выхода делителя

UH.

напряжения 16, компаратор 20 формирует напряжение, которое поступает на первый вход вентиля 19 и запирает его, предотвращая поступление тактовых импульсов с третьего выхода синхронизатора 17 на первый вход счетчика импульсов 18. Счетчик импульсов 1-8 прекращает счет. В этот момент напряжение на выходе цифроаналого- вого преобразователя 15 пропорционально времени задержки т 2 а измерительного пучка относительно опорного, при котором значение выходного напряжения делителя напряжения 16 равно пороговому. Напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя 15 поступает на вход индикатора 14, по показаниям которого определяют шероховатость поверхности объекта 21 в соответствии с выражением

ҐСигнал установки в начальное состояние с второго выхода синхронизатора 17 обнуляет показания счетчика импульсов 18, чтобы вновь начать процесс измерения.

При этом частота излучения монохроматического когерентного пучка перестраивается за время гп. меньшее времени регистрации интенсивности принятого излучения гр, период тактовых импульсов

больше времени регистрации интенсивности принятого излучения тр.

Предлагаемый способ и устройство позволяет осуществлять определение шероховатости в интервале 0,25-1,5 мкм, с точностью, зависящей только от значений эффективной ширины спектра A v3 зондирующего сигнала и отношения сигнал/шум q, при этом точность определения шероховатости поверхности предлагаемым способом и устройством выше по сравнению с прототипом более, чем в два раза на дальности от 2 м до 390 км.

Формула изобретения

1. Способ дистанционного определения шероховатости поверхности изделия, заключающийся в том/что генерируют пучок когерентного излучения, освещают пучком

когерентного излучения исследуемую поверхность принимают отраженный от исследуемой поверхности пучок когерентного излучения и определяют шероховатость поверхности изделия, о т л и ч а ю щ и и с я

тем, что, с целью повышения точности определения шероховатости поверхности удаленного изделия, перестраивают пучок когерентного излучения по частоте за время гп, меньшее времени тр регистрации принятого излучения, разделяют принимаемый отраженный от исследуемой поверхности пучок на три пучка - нормировочный, опорный и измерительный, так, что,, интенсивность нормировочного пучка равна

суммарной интенсивности измерительного и Опорного пучков, а интенсивности измерительного и опорного пучков одинаковы, совмещают измерительный пучок с опорным до исчезновения интерференционных полос, изменяют разность хода Д1 измерительного и опорного пучков до получения минимальной интенсивности излучения результирующего пучка, образованного совмещенными измерительным и опорным

пучками за время ть, большее времени Гр регистрации интенсивности принятого излучения, регистрируют интенсивность излучения нормировочного пучка, делят напряжение Up(A I), пропорциональное

интенсивности излучения результирующего пучка, зависящей от разности хода АI измерительного и опорного пучков, на напряжение UH, пропорциональное интенсивности излучения нормировочного пучка, определяют разность хода АI измерительного и опорного пучков, при которой отношение напряжений

Up(Al)/UH

равно пороговому значению П + е 1 х

х Л , и по значению этой разности хода и«

определяют шероховатость исследуемой поверхности.

2. Устройство для дистанционного определения шероховатости поверхности изделия, содержащее источник когерентного излучения, первый светоделитель, отражатель, второй светоделитель, первый фотоприемник и второй фотоприемник, при этом второй выход первого светоделителя оптически сопряжен с входом второго светоделителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения шероховатости поверхности удаленного изделия, оно снабжено параметрическим генератором света, генератором пилообразного напряжения, приемопередающим оптическим телескопом, вторым отражателем, оптической управляемой линией задержки, оптическим смесителем световых пучков, делителем напряжения, компаратором, усилителем напряжения, цифроаналоговым преобразователем, вентилем, счетчиком импульсов, индикатором, синхронизатором, выход источника когерентного излучения оптически сопряжен с входом параметрического генератора света, параметрический генератор света соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход параметрического генератора света оптически сопряжен с входом приемопередающего оптического телескопа, выход приемопередающего оптического телескрпа оптически сопряжен с входом первого светоделителя, первый выход первого светоделителя оптически сопряжен с входом первого фотоприемника, первый выход вторрго светоделителя оптически сопряжен через первый отражатель с первым входом оптического смесителя световых пучков, второй выход второго светоделителя оптически сопряжен через второй отражатель с

входом оптической управляемой линии задержки, выход оптической управляемой линии задержки оптически сопряжен с вторым входом оптического смесителя световых пучков, выход оптического смесителя световых пучков оптически сопряжен с входом второго фотоприемника, выход которого соединен с первым входом делителя напряже-1 ния, второй вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, выход делителя напряжения соединен с входом компаратора, выход компаратора соединен с первым входом вентиля, выход вентиля соединен с первым входом счетчика импульсов, выход счетчика импульсов соединен с

входом цифроаналогового преобразователя, выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом индикатора и входом усилителя напряжения, выход усилителя напряжения соединен с оптической

управляемой линией задержки, первый выход синхронизатора соединен с входом генератора пилообразного напряжения, второй выход синхронизатора соединен с вторым входом счетчика импульсов, а третий выход синхронизатора соединен с вторым входом вентиля.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики слабошероховатых поверхностей уделенных изделий. Целью изобретения является повышение точности определения шероховатости поверхности удаленного изделия. Описываемый способ заключается в том, что освещают поверхность исследуемого изделия перестраиваемым по частоте когерентным сигналом, делят принимаемый отраженный от поверхности исследуемого изделия пучок на три пучка: измерительный, опорный и нормирочению вочный, осуществляют переменную задержку измерительного пучка относительно опорного, делят напряжение UP(T), пропорциональное интенсивности излучения результирующего пучка, образованного совмещенными опорным и задержанным измерительным пучками, на напряжение UH. пропорциональное интенсивности нормировочного пучка, определяют время задержки, при котором значение отношения напряжений UP(T)/UH равно пороговому зна, равному i 1 + -fM. и опреде™. Л( ляют шероховатость поверхности изделия. Для осуществления способа в устройство, содержащее источник когерентного излучения и приемную систему, предназначенную для обработки и регистрации отраженного излучения, введены параметрический генератор света, приемопередающий оптический телескоп, оптическая управляемая линия задержки, делитель напряжения, компаратор, вентиль, счетчик, цифроанало- говый преобразователь, усилитель, генератор пилообразного напряжения, индикатор и синхронизатор. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.