Устройство для измерения волнистости Советский патент 1982 года по МПК G01B5/28 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам для измерения непрямолинейности и неплоскостности.

Известны устройства для измерения непрямолинейности, содержащие измерительную камеру с двумя, расположенными по концам базовыми опорами, измеритель, размещенный в средней части базовой каретки, интегратор и отсчетно-регистрирующую часть .1 .

Эти устройства обеспечивают лишь приближенное восстановление первообразной, удовлетворительное для низщих гармоник, длина волны которых существенно превышает базу каретки.

Устройство нечувствительно к гармоникам, длины волн которых равны половине базы каретки или составляют от нее целую долю.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения волнистости, содержащее измерительную каретку с расположенными по концам базовыми опорами, расстояние между которыми составляет базовый отрезок, измерительный преобразователь, за-

крепленный на каретке между опорами и смещенный от середины базового отрезка, и вычислительно-регистрирующую часть t2.

Выбором величины смещения можно расширить диапазон измеряемых гармоник и обеспечить достоверное измерение амплитуды одной гармоники из заданного ряда. При наличии в

10 спектре непрямолинейности нескольких гармоник результат измерения теряет достоверность, поскольку смещение преобразователя от середины базового отрезка вносит фазовые ис15кажения. В устройствах для измерения непрямолинейности со смещенным измерителем восстановление первообразной не предусмотрено.

Средствасовременной вычислитель20ной техники позволяют провести восстановление первообразной функции с частотным спектром, заданным в диапазоне Xg и А-н Длин волн методами гармонического анализа и синте25за, если известна передаточная функция С(1ц.) механической части устройства. При этом необходимо, чтобы величина модуля передаточной функции не опускалась ниже некото30рого . При 0 восстановление первообразной невозможно (необходимо выполнять операцию деления на нуль), при е близком к нулю .бозрастают погрешности устройства, поскольку усиливается не только полезный сигнал, но и посторонний шум. Цель изобретения - повышение точ ности измерения за счет нахождения таких соотноцюний между параметрами устройства, при которых модуль передаточной функции во всем диапаз не измерений не будет меньше максимально возможного е. (решение задачи на МАХ1М1 ) . Поставленная цель достигается те что вычислительно-регистрирующая часть снабжена средствами для выполнения прямого и обратного преобр зований Фурье, а отношение длины базового отрезка к удвоенной величи не смещения преобразователя от сере дины базового отрезка равно нечетно му числу. Величина смещения преобразовател от середины базового отрезка равна четверти среднего гармонического из верхней и нижней границ диапазона от длин волн, а нечетное .число, выражающее отношение длины базового отрезка к удвоенной величине смещения, выбрано ближайшим целым к определяемому из выражения Дн К 1,113 (уЗ-) 0,663, и и Яа соответственно нижняя и верхняя границы .диапазона длин волн. На фиг.1 схематически изображена измерительная каретка; на фиг.2 структурная схема устройства; на фиг.З - пример графика изменения модуля передаточной функции. . Устройство содержит измерительную каретку 1 с двумя базовыми опорами 2 и 3. Расстояние между опорами образует базовый отрезок L. в средней части каретки размещен изме тельный преобразователь 4, который смещен от середины базового отрезка на величину а. На измерительной каретке размещен измеритель пути 5, связанный с одной из базовых опор каретки. Устройство содержит также (фиг.2) блок 6 памяти, связанный с выходами измерительного преобразова теля и измерителя пути, блок 7 прямого преобразования Фурье, блок 8. передаточной функции, блок 9 обратного преобразования Фурье и регистрирующую часть 10. Передаточная функция устройства (фиг.1) имеет вид

l(i-a)e..(k.df

5(1 Ю) ,(l.a|e,p,..(k.,)-, L L Если отрезки j +а И - - а имеют общую меру t, то функция G(iij) будет периодиче.ской с периодом Т -, минимальное значение модуля передаточной функции максимально в том случае, если отрезок t принимает максимально возможное значение. Таким значением может быть величина t 2а.. В этом случае I +а pt I -а (p-l)t, где р - произвольное целое число. Соотношение между L и а принимает вид I (2р - 1)а или у- 2р Поскольку значения модуля передаточной функции в начале и конце периода равны нулю (фиг.З), то интервал измеряемых частот (длин волн) не должен включать границ периода. Если границами диапазона измеряемых длин I волн являются Кц и Л, то измеряемый интервал частот лежит в пре -( 1 делах от -т-- до -г- - Лн АВДополнительными исследованиями установлено, что значения модуля передаточной функции на границах интервала (G() близки к минимумам IB случае, если .а -отрезок 2(н+Ч где тГ-т- -г - и носит название среднего гармонического :величин; Хн и g. Естественно, что с увеличением периода Т увеличивается диапазон измеряемых частот (длин волн), однако при этом снижается минимальное значение (С(1щ) и, следовательно, и точность измерения. В каждом конкретном случае должен достигаться необходимый компромисс между диапазоном измерений и точностью. В таблице приведены значения величин Р/ G(iu)) и отношения н/ 6Таблица

Продолжение табл.

, Для нахождения величины К 2р-1 характеризующей отношение длины базового отрезка и удвоенной величине смещения, можно пользоваться также следующей эмпирической формулой :

К 1,113 (уИ.) 0,663

В этом случае найденное значение К

должно округляться до ближайшего нечетного целого.

Пусть необходимо сконструировать устройство для измерения волнистости в диапазоне длин волн от Ац 5 м до Кй 0,025 м.

.Величина смещения а равна

2.() 0 012438 м

Диапазон измеряемых длин волн составляет 5/0,025 200. Из таблицы выбираем ближайшее значение . параметра р 19. Длина базового отрезка L составляет

(2-19-1)-0,012438 0,9204 м. Как видно из таблицы, для устройства с указанными параметрами значение модуля передаточной функции не опускается ниже 0.16895.

График изменения модуля передаточной функции в диапазоне от ц до2г 4а (т.е. половина графика) для устройства с указанными параметрами (фиг.З) показывает, что на границах диапазона значение модуля передаточной функции составляет 0,1625, а ближайший к границе минимум - О,1696.

По мере приближения к середине диапазона значения минимумов увеличиваются и точность измерения возрастает. Например, в диапазоне длин волн от 0,264 до 4,25 м значения минимумов не опускаются ниже 0,3371, а в диапазоне от 0,49 до 4,05 м - ниже 0,4865.

Устройство работает следующим образом.

Измерительную каретку 1 устанавливают базовыми опорами 2 и 3 на контролируемую поверхность и приводят во взаимодействие с последней, измерительный преобразователь 4. До начала измерений должна быть выполнена нулевая настройка изме-. рительного преобразователя, например, по плоской плите, однако высокой точности нулевой настройки не требуется, поскольку постоянная

5 составляющая сигнала измерительного преобразователя отфильтровывается при выполнении преобразования Фурье. До начала Измерений в память блока 8 передаточной функции необ0ходимо завести значения модуля и аргумента этой функции, соответствующие конструктивным параметрам измерительной каретки. После завершения подготовки устройства его пере5мещают вдоль контролируемого объекта. При этом сигналы измерительного преобразователя 4 запоминаются в блоке 6 памяти с дискретностью, определяемой измерителем 5 пути. Предпочтите0льно, чтобы интервал квантования л составлял целую долю от величины

смещения а, например, д j . После

окончания измерения начинает рабо5тать отсчетно-вычислительная часть устройства. Блок 7 преобразования Фурье находит спектральную плотность и фазу сигнала в заданном интервале частот, которые передаются Fja блок 9 обратного преобразования.

0 Фурье. Одновременно из блока 8 передаточной функции вызываются значения модуля и аргумента этой функции для заданного интервала частот. Найденное значение спектральной плот5ности в блоке 9 делят на соответствующее частотному интервалу значение модуля передаточной функции |G(i(u)l , а из фазы сигнала вычитают значение аргумента этой функции, по0лучая тем самым спектральную плотность и фазу сигнала первообразной функции.

Значения первообразной фужции 65 для всех интервалов частот cyNtMHpyioT В регистрирующей части 10, откуда первообразная функция может быть : выведена в виде таблиц, графиков ил ином виде. Предлагаемое устройство с компле сом стандартной аппаратуры обеспечи вает автоматизацию процесса записи и обработки измерений с высокой точ ностью волнистости длинномерных изд лий. Формула изобретения 1. Устройство для измерения волнистости содержащее измерительную каретку с расположенными по концам базовыми опорами, расстояние между которыми составляет базовый отрезок преобразователь, закрепленный на ка ретке между опорами и смещенный от середины базOBot-o отрезка и вычислительно-регистрирующую часть, о тличающеес.я тем,что, с целью повышения точности, вычислительно-регистрирующая часть снабжена средствами для выполнения прямог и обратного преобразований Фурье, а отношение длины базового отрезка к удвоенной величине смещения преобразователя от середины базового отрезка равно нечетному числу. 2. Устройство по п.1, отличаю щ е е с Я тем, что величина смещения преобразователя от середины базового отрезка равна четверти среднего гармонического из верхней и нижней границ диапазона длин волн, а нечетное число, выражающее отношение длины базового отрезка к удвоенной величине смещения, выбрано ближайшим целым к определяемому из выражения К 1,113 () 0,663 , АИ где А-н и Ла - соответственно нижняя и верхняя границы диапазона длин волн. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Медянцева А.Л. Контроль прямолинейности и плоскостности поверхностей. М., Изд-во стандартов, 1972, С. 85-87. 2.Лоповок Т.е. Волнистость поверхности и ее измерение, М., Изд-во стандартов, 1973, с. 87-90 (прототип).

/

I

11

2а,ов

f()

Фаг.З