Способ дистанционного определения шероховатости поверхности изделия и устройство для его осуществления

 

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, цифроаналоговый преобразователь, усилитель, генератор пилообразного напряжения, индикатор и синхронизатор. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э 6 01 В 11/30

ГОСУДАРСТВЕН.ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ДЯЦ

" 6Й"& 6

3! .i";.А

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ С ВИДЕТЕЛ Ь СТВУ (21) 4900225/28 (22) 09.01.91 (46) 07,04.93. Бюл. N 13 (72) С.H. Шостко. В.И. Карпенко, С.А. Гончаров, АМ, Чурак и С.И. Шахло (56) Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 654853, кл. G 01 B 11/30, 1978, Авторское свидетельство СССР

t4 1456779, кл. G 01 В 11/30, 1989, . (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измеритель: . ной технике и может быть использовано для диагностики слабошероховатых поверхностей удаленных изделий, Целью изобрете. ния 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 иэделия пучок на три пучка; измерительный, опорный и нормироПредлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для диагностики шероховатости поверхностей изделий, в частно. сти, для дистанционного контроля состояния поверхностей оптических элементов (линз, зеркал) и других полированных поверхностей при невозможности лабораторных измерений.,, Ы,, 1807308 А1 вочный, осуществляют переменную задержку измерительного пучка относительно опорного, делят напряжение Ор(ф пропорциональное интенсивности излучения результирующего пучка, образованного совмещенными опорным и задержанным измерительным пучками, на напряжение

VH, пропорциональное интенсивности нормировочного. пучка, определяют время задержки, при котором значение отношения напряжений 0р(г)/0 равно пороговому значению, равному -(1+е ) —, и опреде1 1 0.(0 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, цифроаналоговый преобразователь, усилитель, генератор пилообразного напряжения, индикатор и синхронизатор. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Целью изобретения является повышеwe точности определения шероховатости поверхности удаленного изделия.

Схема устройства, реализующего предлагаемйй способ, приведена на чертеже.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Монохроматическое когерентное излучение перестраивают по частоте эа время r<, меньшее времени тр

1807308 регистрации принятого излучения и освещают им поверхность изделия. Отраженный от поверхности изделия сигнал принимают и делят на три пучка, нормировочный, измерительный 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 совмещают 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 ги, большее времени регистрации гр принятого излучения, регистрируют интенсивность излучения нормировочного и результирующего пучков, делят напряжение Ut,(A t), пропорциональноее интенсивности. результирующего пучка, зависящей от разности хода Л I опорного и измерительного пучков, на напряжение О, пропорциональное интенсивности излучения нормировочного пучка, Полученное отношение напряжений Ор(Л1)/Он зависит от разности хода Л! измерительного и опорного пучков, или, что эквивалентно, от времени задержки г измерительного пучка относительно опорного, при этом t определяется из следующего соотношения

«Л!

r = —, где с — скорость света. Зависимость

С отношения напряжений Ор(г)/UH пропорциональна нормированной временной корреляционной функции Йн(т) сигнала, отраженного от шероховатой поверхности.

Далее определяют время задержки т измерительного пучка относительно опорного (или, что эквивалентно, разности хода

Ь1 измерительного и опорного пучков), при котором отношение напряжений Оя(т)/UH равно пороговому значению — (1 + е ) х

2 U,0

Пороговое значение определяется выражением: — (1 + е ") RH (О) = RH (2пт)

2 при этом значение Ор(0)/U пропорционально значению нормированной временной корреляционной функции RH(0) при х =О.

По полученному времени задержки г-2 a r при котором используя выражение

ОеС

2 определяют шероховатость исследуемой поверхности.

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

15 световых пучков 12, усилитель напряжения

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

20 Элементы устройства расположены и соединены следующим образом. Выход источника когерентного излучения 1 оптиче.ски сопряжен с входом параметрического генератора света 2, параметрический генератор света 2 соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 4, выход параметрического генератора света 2 оптически сопряжен с входом приемопередающего оптического телескопа 3, выход

30 приемопередающего оптического телескопа 3 оптически сопряжен с входом первого светоделителя 5, первый выход оптического светоделителя 5 оптически сопряжен с входом первого фотоприемника 7, второй вы35 ход первого светоделителя 5 оптически сопряжен с входом второго светоделителя

6, первый выход второго светоделителя 6 оптически сопряжен через первый отражатель 9 с первым входом оптического смеси40 теля световых пучков 12, второй выход второго светоделителя 6 оптически сопряжен через второй отражатель 10 с входом оптической управляемой линии задержки

11, выход оптической управляемой линии

45 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

50 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 со55 единен с входом компаратора 20, выход компаратора 20 соединен с первым входом вентиля 19, выход вентиля 19 соедйнен с первым входом счетчика импульсов 18, выход счетчика импульсов 18 соединен с входом цифроаналогового преобразователя

1807308

20 ., AA

40

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 напряжейия 4, второй выход синхронизатора 17 соединен с вторым входом счетчика импульсов 18, третий выход синхронизатора 17 соединен с вторым входом вентиля 19.

Устройство работает следующим образом.

Источник когерентного излучения 1 генерирует монохроматический пучок когерентного излучения, который постуйает 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 Лк С вы- 30 хода параметрического генератора света 2 пучок когерентного излучения со спектром Ли через. приемопередающий оптический телескоп 3 освещает поверхность иэделия, 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 световых 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 синхронизатора 17 на второй вход счетчика импульсов 18 поступает импульс установки в начальное состоянйе 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 цифроаналоговым преобразователем 15. Цифроаналоговый 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 и до и+ Лп. 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 топределяется из следующего выражения где L

Л n — 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 Ор(ф пропорциональное интенсивности результирующего пучка, поступает на первый вход делителя напряжения 16. Одновременно на второй вход делителя напряжения 16 поступает напряжение 0, пропорциональное интенсивности нормировочного пучка. С выхода делителя напряжения 16 напряжение U(r) определяемое выражением где К вЂ” коэффициент пропорциональности, определяемый конструктивным исполнением делителя напряжения 16, поступает на вход компаратора 20. При этом напряжение

1807308 8

U(s) пропорционально нормированной временной корреляционной функции R (t)широкополосного сигнала, отраженного от шероховатой поверхности, Компаратор 20 имеет внутренний порог срабатывания, уровень которого равен

1(1+е ) О О

Пороговый уровень определяется выражением — (1+ е ) RH (О) = R< (2 о,.), 1

2 при этом К вЂ” 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, поступающего с выхода делителя н . 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 18 прекращает счет. В этот момент напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 15 пропорционально времени задержки т- 2 о 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 ас

C7z =—

1

Сигнал 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 t<. меньшее времени регистрации интенсивности принятого излучейия гр, период тактовых импульсов больше времени регистрации интенсивности принятого излучения хр.

Предлагаемый способ и устройство позволяет осуществлять определение шерохо5 ватости в интервале 0,25-1,5 мкм, с точностью, зависящей только от значений эффективной ширины спектра Ь рз зондирующего сигнала и отношения сигнал/шум q, при этом точность определения шерохова10 тости поверхности предлагаемым способом и устройством выше по сравнению с прототипом более, чем в два раза на дальности от

2мдо 390км.

Формула изобретения

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

20 когерентного излучения исследуемую поверхность принимают отраженный от исследуемой поверхности пучок когерентного излучения и определяют шероховатость поверхности изделия, отличающийся

25 тем, что, с целью повышения точности определения шероховатости поверхности удаленного изделия, перестраивают пучок когерентного излучения по частоте за время г, меньшее времени ð регистрации приня30 того излучения, разделяют принимаемый отраженный от исследуемой поверхности пучок на три пучка — нормировочный, опорный и измерительный, так, что,.интенсивность нормировочного пучка равна

35 суммарной интенсивности измерительного и опорного пучков, а интенсивности измерительного и опорного пучков одинаковы, совмещают измерительный пучок с опорным до исчезновения интерференционных по40 лос, изменяют разность хода Ь измерительного и опорного пучков до получения минимальной интенсивности излучения результирующего пучка. образованного совмещенными измерительным и опорным

45 пучками за время %, большее времени

tp регистрации интенсивности принятого излучения, регистрируют интенсивность излучения нормировочного пучке, делят напряжение Ор(Ь !), пропорциональное

50 интенсивности излучения результирующего пучка. зависящей от разности хода Ы измерительного и опорного пучков, нз напряжение Ug, пропорциональное интенсивности излучения нормировочного пучка, опреде55 ляют разность хода Ь 1 измерительного и опорного пучков, при которой отношение напряжений

1807308

Составитель С. Шахло б

РедактоР С. КУлакова ТехРед М.МоРгентал КоРРектоР И, Муска

Заказ 1372 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", f. Ужгород, ул.Гагарина, 101 равно пороговому значению — (1 + е ) х

2 хр, и по значению этой разности хода

Он 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,сцелью 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, уси-. лителем 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 телескцпа оптически сопряжен с входом первого светоделителя, первый выход первого светоделителя оптически сопряжен с входом первого фотоприемника, первый выход вто5 рого светоделителя оптически сопряжен через первый отражатель с первым входом оптического смесителя световых пучков, второй выход второго светоделителя оптически сопряжен через второй отражатель с

10 входом оптической управляемой линии задержки, выход оптической управляемой линии задержки оптически сопряжен с вторым входом оптического смесителя световых пучков, выход оптического смесителя свето15 вых пучков оптически сопряжен с входом второго фотоприемника, выход которого соединен с первым входом делителя напряже" ния, второй вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, выход де20 лителя 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

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

30 управляемой линией задержки, первый выход синхронизатора соединен с входом генератора пилообразного напряжения, второй выход синхронизатора соединен с вторым входом счетчика импульсов, а тре35 тий выход синхронизатора соединен с вторым входом вентиля.