Устройство для измерения шероховатости поверхности изделия Советский патент 1993 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим измери- телям шероховатости поверхности различных изделий, и предназначено для использования в металлургической, машиностроительной и электронной промышленности.

Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измеряемой величины.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства; на фиг.2 - оптическая система с плоским отражателем - зеркало с отверстием; на фиг.З - оптическая система с отражателем - конической формы с отверстием; на

фиг.4 - оптическая система с отражателем - формы призмы.

Устройство содержит осветительную систему 1, которая создает пучок света, направленный под углом 20-30° к поверхности основания 2 с отверстием, две оптические системы 3 и 4. Оптическая система 3 расположена на оси падающего луча от осветителя 1, на фокусном расстоянии линзы 5 от точки падения луча на поверхность. Другая оптическая система 4 расположена между точкой падения излучения на фокусном расстоянии линзы 5 по направлению зеркальногоотражения. На оси оптической системы 4 расположено зеркало 6,

о

которое направляет излучение, сканируемое модулятором 7 с пластиной 8 на фотоприемник 9. Ключевое устройство состоит из светодиода 10 с фотоприемником 11, в зазоре между которыми проходит пластина 8 модулятора 7, таким образом, что фотоприемник 9 всегда фиксирует только одну составляющую отраженного потока, либо зеркальную, либо диффузную составляющую отраженного потока. Блок обработки электрического сигнала состоит из усилителя 12, блока разделения сигналов диффузной и зеркальной составляющей отраженного потока 13, который связан с фотоприемником 11, блоком деления сигналов 14 и показывающим устройством 15. Отражатели оптических систем 3, 4 могут быть выполнены в виде плоского зеркала с отверстием 16, в виде усеченного конуса с отверстием в вершине 17, в виде призмы крышки 18.

Устройство работает следующим образом.

Осветитель 1 (лазер) дает тонкий пучок света, который падает под углом в к нормали основания через отверстие основания 2 на исследуемую поверхность. Этот луч проходит через отверстие оптической системы 3, так что ось этой оптической системы совпадает с направлением падающего луча. Зеркальная составляющая отраженного излучения проходит через отверстие оптической системы 4. Оптическая ось системы 4 совпадает с направлением зеркальной составляющей отраженного излучения. Диффузная составляющая отраженного излучения вблизи направления зеркальной составляющей отражается оптической системой 4 обратно, причем отраженный поток лежит в конусе, вершина которого находится в точке падения луча А, а основанием конуса является отражающая поверхность оптической системы 4. Часть этого диффузного потока после отражения от исследуемой поверхности вновь возвращается оптической системой 3 в точку падения излучения. Таким образом между оптическими системами 3 и 4 осуществляется многократное отражение диффузной составляющей излучения, проходящего через точку падения луча А. Через отверстие оптической системы 4 проходит зеркальная составляющая отраженного излучения и часть диффузной составляющей, обусловленной многократными отражениями между оптическими системами 3, 4 и отражениями в точке А. Этот поток, обозначим его Фь отражаясь от зеркала 6, направляется на фотоприемник 9. На фотоприемник 9 также

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

направляется диффузно составляющая отраженного излучения под углом 90° к поверхности, обозначим его Фг. Эта диффузно составляющая обусловлена падающим лучом от осветителя 1 и лучами многократного отражения между оптическими системами 3 и 4 в точке А. Потоки Ф) и ф сканируются цилиндрическим модулятором 7 с двумя одинаковыми прямоугольными отверстиями на боковой поверхности. Ось модулятора 7 проходит через поверхность фотоприемника 9. Модулятор 7 имеет пластину 8, которая проходит в зазоре ключевого устройства между светодиодом 10 и фотоприемником 11. Пластина 8 расположена таким образом, что ключевое устройство срабатывает в моменты, когда отверстие модуляторе 7 сканирует либо поток Ф| , либо Фг. Сигнал от фотоприемника 9 усиливается усилителем 12 и подается на блок разделения сигналов 13, который связан с фотоприемником 11 ключевого устройства. Усиленные и разделенные сигналы, характеризующие потоки Ф1 и Фг, далее подаются на блок деления сигналов 14, а с него на показывающее устройство 15. Так как поток Ф)ехр(-КРа ), а поток Фг , то их отношение Ф1/Ф2 KRa2exp(KRa ) зависит от величины параметра шероховатости, где К- постоянный коэффициент, зависящий от длины волны падающего излучения, Ra - среднее арифметическое отклонение абсолютных значений ординат микропрофиля от базовой линии. Показания регистрирующе- го устройства зависят от величины Ra. Если оптические системы 3 и 4 реализованы в виде плоского зеркала с отверстием, то когерентные составляющие светового потока многократно отраженные между этими оптическими системами не перемешиваются. Если оптические системы 3 и 4 реализованы в виде уголкового конического отражателя, то когерентные составляющие светового потока многократно отраженные между этими оптическими системами перемешиваются. Если оптические системы 3 и 4 реализованы одна в виде призмы-крышки, то когерентные составляющие светового потока, многократно отраженные между этими системами, перемешиваются.

Формула изобретения 1. Устройство для измерения шероховатости поверхности изделия, содержащее основание, в котором выполнено отверстие, осветительную систему, укрепленную на основании и предназначенную для формирования светового потока под углом а «20 - 30° к плоскости основания, оптическую приемную систему зеркальной и диффузной составляющей отраженного светового потока, состоящую из цилиндрического модулятора, фотоприем ни ка, который расположен на оси вращения цилиндрического модулятора, и параболического зеркала, установлен- ного по ходу зеркальной составляющей отраженного светового потока, оптическая ось которого образует с плоскостью основания угол / а I 2, а его вершина равноудалена от оси цилиндрического модулятора и от плоскости основания, источник света, дополнительный фотоприемник и блок обработки сигнала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измере- кия, оно снабжено двумя оптическими системами, каждая из которых содержит линзу и отражатель, одна из которых расположена на оси падающего луча от осветительной системы, другая расположена по ходу эер-

калькой составляющей отраженного светового потока, а оптические оси линз совпадают с осями, соответственно падающего и зеркально отраженного светового потока.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что отражатель выполнен в виде плоского зеркала с отверстием, а ось отверстия совпадает с осью линзы.

3. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что отражатель выполнен в виде уголкового конического отражателя с отверстием в вершине, а ось отверстия совпадает с осью линзы и с осью конуса.

4. Устройство по п.1. о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что отражатель выполнен в виде призмы-крыши, развернутой большим основанием к линзе, а ось, проходящая через центры большой и малой граней призмы, совладает с осью линзы.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим измери- телям шероховатости поверхности различных изделий, и предназначено для использования в металлургической, машиностроительной и электронной промышленности. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерения за счет многократного отражения от исследуемого участка поверхности и организации отражения во взаимно противоположных направлениях.Устройство содержит осветительную систему, которая создает пучок света, направленный к поверхности основания с отверстием, две оптические системы. На оси .оптической системы расположено зеркало, которое направляет излучение, сканируемое модулятором с пластиной, на фотодиод. В зазоре между светодиодом и фотоприемником проходит пластина таким образом, что фотодиод всегда фиксирует только одну составляющую отраженного потока. Система измерения сигналов состоит из усилителя, блока разделения сигналов, который связан с фотоприемником, блоком деления и показывающим устройством. 3 з.п. ф-лы, 4 ил. ел

Фиг.1