Способ бесконтактного фрактального контроля шероховатости гидрофобной поверхности

Изобретение относится к средствам контроля микронеровностей поверхностей, полученных в результате воздействия машиностроительных технологических операций на шероховатую гидрофобную поверхность, например парафин, воск, огнеупоры и т.п. Заявленный способ бесконтактного фрактального контроля шероховатости гидрофобной поверхности заключается в том, что исследуемую гидрофобную поверхность очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности. Сразу после очистки на поверхность наносят жидкость в виде капли фиксированного объема, посредством скоростной цифровой видеосъемки дважды регистрируют время растекания капли жидкости фиксированного объема по исследуемой гидрофобной поверхности и в моменты прекращения растекания капли жидкости фиксированного объема определяют периметр и площадь растекшейся капли жидкости. Причем вторая регистрация периметра и площади растекшейся капли жидкости фиксированного объема осуществляется после того, как посредством источника колебаний с управляемой частотой исследуемой гидрофобной поверхности с растекшейся по ней каплей сообщают колебания амплитудой, соизмеримой с предполагаемым параметром Ra (микрорельефом) исследуемой гидрофобной поверхности и частотой, изменяющейся по линейному закону. При этом увеличение частоты происходит до тех пор, пока не прекратится растекание капли жидкости фиксированного объема; по полученным данным определяется фрактальная размерность D исследуемой шероховатой поверхности. Технический результат - обеспечение возможности бесконтактного контроля шероховатости поверхности из гидрофобных материалов, расширив при этом диапазон исследуемых материалов. 1 ил.

 

Изобретение относится к средствам контроля микронеровностей поверхностей, полученных в результате воздействия машиностроительных технологических операций на шероховатую гидрофобную поверхность, например парафин, воск, огнеупоры и т.п.

Известен способ контроля шероховатости поверхности диэлектрических подложек по патенту RU №2331870 С2 от 17.07.2006, опубл. 20.08.2008, МПК G01N 21/88, заключающийся в том, что исследуемую поверхность подложки очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала подложки. Сразу после очистки подложку располагают горизонтально и на ее поверхность с высоты не менее 6 мм и не более 22 мм наносят каплю жидкости фиксированного объема. Определяют время растекания капли жидкости по поверхности подложки от момента касания капли жидкости поверхности подложки до прекращения движения жидкости по поверхности. Шероховатость контролируемой поверхности подложки определяют путем сопоставления полученного значения времени растекания капли жидкости по поверхности подложки с предварительно замеренной калибровочной зависимостью.

Недостатком данного способа является ограничение его применения для поверхностей из гидрофобных материалов.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ фрактального контроля шероховатости поверхности по патенту RU №2601531 С2 от 28.11.2014, опубл. 10.11.2016, МПК G01B 11/30, G01N 21/88, заключающийся в том, что исследуемую поверхность очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности, сразу очистки на поверхность наносят жидкость в виде капли фиксированного объема. Посредством скоростной цифровой видеокамеры регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли и убирают скоростную цифровую видеокамеру, затем над каплей устанавливают импульсный источник света и производят кратковременный световой импульс. Убирают импульсный источник света и видеокамерой регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, нагретой световым импульсом, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли, нагретой световым импульсом. По полученным данным определяют фрактальную размерность исследуемой шероховатой поверхности.

Недостатком данного способа является ограничение его применения для поверхностей из гидрофобных материалов.

Поставлена задача: обеспечить возможность бесконтактного контроля шероховатости поверхности из гидрофобных материалов, расширив при этом диапазон исследуемых материалов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что исследуемую гидрофобную поверхность очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности, сразу после очистки на поверхность наносят жидкость в виде капли фиксированного объема, посредством скоростной цифровой видеосъемки дважды регистрируют время растекания капли жидкости фиксированного объема по исследуемой гидрофобной поверхности и в моменты прекращения растекания капли жидкости фиксированного объема определяют периметр и площадь растекшейся капли жидкости, затем определяют шероховатость исследуемой поверхности, согласно заявляемому изобретению вторая регистрация периметра и площади растекшейся капли жидкости фиксированного объема осуществляется после того, как посредством источника колебаний с управляемой частотой исследуемой гидрофобной поверхности с растекшейся по ней каплей сообщают колебания амплитудой, соизмеримой с предполагаемым параметром Ra (микрорельефом) исследуемой гидрофобной поверхности и частотой, изменяющейся по линейному закону, при этом увеличение частоты происходит до тех пор, пока не прекратится растекание капли жидкости фиксированного объема; по полученным данным определяется фрактальная размерность D исследуемой шероховатой поверхности:

D=2⋅loga(Gдлина1/Gдлина2).

Здесь а=(Gплощадь1/Gплощадь2), где Gдлина1 - периметр растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; Gдлина2 - периметр растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой; Gплощадь1 - площадь растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; Gплощадь2 - площадь растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена блок-схема устройства для бесконтактного фрактального контроля шероховатости гидрофобной поверхности. Устройство состоит из источника света 1, регулируемого источника 2 питания источника света 1, дозатора 3 капель рабочей жидкости, направляющей иглы 4 дозатора 3 капель рабочей жидкости, скоростной видеокамеры 5, записывающего устройства 6, исследуемой гидрофобной поверхности 7, источника колебаний 8 с управляемой частотой, капли 9 жидкости фиксированного объема.

Способ осуществляется следующим образом.

Исследуемую гидрофобную поверхность 7 очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой гидрофобной поверхности 7, сразу после очистки на исследуемую гидрофобную поверхность 7 наносят каплю 9 жидкости фиксированного объема, затем скоростной цифровой видеокамерой 5 регистрируют время растекания капли 9 жидкости фиксированного объема по исследуемой гидрофобной поверхности 7 и определяют шероховатость исследуемой гидрофобной поверхности 7. Для этого предварительно посредством скоростной цифровой видеокамеры 5 регистрируют момент окончания растекания капли 9 жидкости фиксированного объема, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли 9 фиксированного объема, затем исследуемой гидрофобной поверхности 7 и растекшейся на ней капли 9 жидкости фиксированного объема сообщают колебания посредством источника колебаний 8 с управляемой частотой. При этом амплитуда колебаний соизмерима с предполагаемым параметром Ra (микрорельефом) исследуемой гидрофобной поверхности, а частота колебаний изменяется по линейному закону. Увеличение частоты колебаний происходит до тех пор, пока не прекратится растекание капли 9 жидкости фиксированного объема. Момент прекращения растекания капли 9 жидкости фиксированного объема на колеблющейся исследуемой гидрофобной поверхности 7 регистрируется скоростной цифровой видеокамерой 5; затем определяют периметр и площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема. По полученным данным определяют фрактальную размерность D исследуемой гидрофобной поверхности:

D=2⋅loga(Gдлина1/Gдлина2).

Здесь а=(Gплощадь1/Gплощадь2), где Gдлина1 - периметр растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; Gдлина2 - периметр растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой; Gплощадь1 - площадь растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; Gплощадь2 - площадь растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой.

В результате придания колебаний капле 9 жидкости фиксированного объема на исследуемой гидрофобной поверхности связь между молекулами жидкости капли 9 фиксированного объема ослабляется [Лебеденев-Степанов П.В., Карабут Т.А., Чернышев Н.А., Рыбак С.А. Исследование формы и устойчивости капли жидкости на вращающейся подложке /Акустический журнал, 2011, т. 57, №3. - с. 323-328; Ni Y., Gruenbaum S.M., Skinner J.L. Slow hydrogen-bond switching dynamics at the water surface revealed by theoretical two-dimensional sum-frequency spectroscopy /PNAS, 2013, February 5, v. 110, no. 6. - p. 1992-1998; Борисов B.T., Черепанов A.H., Предтеченский M.P., Варламов Ю.Д. Влияние смачиваемости на поведение жидкой капли после ее соударения с твердой подложкой // Прикладная механика и техническая физика. 2003, т. 44, №6. - с. 64-69; Коренченко А.Е., Исаков Д.С.Численное исследование вынужденных колебаний жидкой капли на вибрирующей подложке /Вестн. Южно-Ур. ун-та. Сер. Матем. Мех. Физ., 2014, т. 6, вып. 4 - с. 26-31].

Метод определения фрактальной размерности основан на подсчете соотношения между периметром и площадью растекшейся капли. Такое соотношение применяют для оценки размерности фрактальной кривой, ограничивающей исследуемую область. Согласно фрактальной геометрии [Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. - М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - 656 с] такая зависимость определяется законом Мандельброта:

Здесь Gдлина - длина кривой (периметр капли), измеренная с шагом G, Gплощадь - площадь, ограниченная кривой (площадь капли), измеренная с шагом G2, D - фрактальная размерность рассматриваемой разветвленной структуры, Сη - типичный во фрактальной геометрии неопределенный множитель.

По результатам двух измерений периметра растекшейся капли 9 фиксированного объема получаем систему двух уравнений:

где Gдлина1 - периметр растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; Gдлина2 - периметр растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой; Gплощадь1 - площадь растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; Сплощадь2 - площадь растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой.

Из системы уравнений (2) следует, что

где основание логарифма а=(Gплощадь1/Gплощадь2).

В этом случае изменение связи между молекулами жидкости капли 9 фиксированного объема до придания ей колебаний и после придания колебаний может рассматриваться как изменение шага покрытия при определении фрактальной размерности.

Геометрия растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема регистрируется посредством скоростной видеокамеры 5 и записывающего устройства 6. Затем определяется периметр и площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема путем использования методов цифровой обработки изображений [Сойфер В.А. Методы компьютерной обработки изображений. М.: Физматлит, 2003. - 784 с.].

Экспериментально установлено, что при амплитуде колебаний источника колебаний 8 с управляемой частотой, приближающейся к предполагаемому среднему размаху Ra между впадинами и вершинами микронеровностей (микрорельефу) исследуемой гидрофобной поверхности [ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики], имеет место наибольшая точность заявляемого способа.

Частота колебаний источника колебаний 8 с управляемой частотой изменяется по линейному закону от 30 до 400 Гц. Диапазон частот определен экспериментально для шероховатых гидрофобных поверхностей с микрорельефом Ra от 1,25 до 0,1 мкм. Собственные частоты капли 9 жидкости фиксированного объема принадлежат частотному диапазону от 0 до 100 Гц [Коренченко А.Е., Исаков Д.С. Численное исследование вынужденных колебаний жидкой капли на вибрирующей подложке, Вестн. Южно-Ур. ун-та. Сер. Матем. Мех. Физ., 2014, т. 6, вып. 4, с. 26-31].

Время воздействия вибраций на исследуемую гидрофобную поверхность 7 с микрорельефом Ra составляло не менее 30 с. При использовании времени сообщения колебаний исследуемой гидрофобной поверхности 7, меньшего 30 с, зафиксированы случаи, когда капля 9 жидкости фиксированного объема на исследуемой гижрофобной поверхности 7 не растекалась.

Эксперименты показали, что капля 9 жидкости фиксированного объема хорошо растекается, когда период сообщаемых исследуемой гидрофобной поверхности колебаний приближается к шаговому параметру Sm [ГОСТ 2789-73] на фрагменте исследуемой гидрофобной поверхности.

Экспериментально установлено, что начиная с некоторой частоты колебаний, сообщаемой исследуемой гидрофобной поверхности 7, растекание капли 9 жидкости фиксированного объема прекращается. Эта частота определяется шероховатостью исследуемой гидрофобной поверхности 7, ее материалом, свойствами жидкости и объемом капли 9.

Пример. В качестве исследуемой гидрофобной поверхности использованы пластины из фторопласта марки 4 (ГОСТ 10007-80) размером 5×40×80 мм. Параметр шероховатости Ra на 4-х пластинах составил, соответственно: 1,31 мкм; 0,94 мкм; 0,86 мкм; 0,6 мкм. Контроль шерховатости исследуемой гидрофобной поверхности осуществлен на приборе профилометре-профилографе ПМ2-100 производства ООО «Микроавтоматика» (г. Пенза), крепление пластин на вибраторе осуществлено механическим путем (прижимами). В качестве жидкости для капли фиксированного объема использована дистиллированная вода. Жидкость капли выбирается, исходя из свойств исследуемой гидрофобной поверхности. Для регистрации момента окончания растекания капли фиксированного объема использовалась скоростная цифровая видеокамера VS-FAST со скоростью 1000 кадров/с. В качестве источника вибраций использован вибрационный стенд Lansmont 1000 [http://blms.ru/ispytaniya_nа_vibraciyu].

Фрактальная размерность уровня шероховатости исследуемой поверхности по формуле (3) составила 1,28.

Заявляемый способ может также использоваться для контроля шероховатых поверхностей сверхгидрофобных материалов. [Kaplan, J., Grinstaff, М. Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications. J. Vis. Exp. (102), e53117, doi: 10.3791/53117 (2015)].

Способ бесконтактного фрактального контроля шероховатости гидрофобной поверхности, заключающийся в том, что исследуемую гидрофобную поверхность очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности, сразу после очистки на поверхность наносят жидкость в виде капли фиксированного объема, посредством скоростной цифровой видеосъемки дважды регистрируют время растекания капли жидкости фиксированного объема по исследуемой гидрофобной поверхности и в моменты прекращения растекания капли жидкости фиксированного объема определяют периметр и площадь растекшейся капли жидкости, затем определяют шероховатость исследуемой поверхности, отличающийся тем, что вторая регистрация периметра и площади растекшейся капли жидкости фиксированного объема осуществляется после того, как посредством источника колебаний с управляемой частотой исследуемой гидрофобной поверхности с растекшейся по ней каплей сообщают колебания амплитудой, соизмеримой с предполагаемым параметром Ra (микрорельефом) исследуемой гидрофобной поверхности и частотой, изменяющейся по линейному закону, при этом увеличение частоты происходит до тех пор, пока не прекратится растекание капли жидкости фиксированного объема, затем по полученным данным определяется фрактальная размерность D исследуемой шероховатой поверхности:

D=2⋅loga(Gдлина1/Gдлина2),

где а=(Gплощадь1/Gплощадь2), Gдлина1 - периметр растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой, Gдлина2 - периметр растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой, Gплощадь1 - площадь растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой, Gплощадь2 - площадь растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании связных (телекоммуникационных) космических аппаратов (КА) для бесконтактного неразрушающего контроля качества полупроводниковых фотопреобразователей (ФП) солнечных батарей (БС).

Изобретение относится к системе дистанционной связи, выполненной с возможностью встраивания в летательный аппарат (1А, 1B, 1С), содержащий по меньшей мере один винт (50А, 50B, 50С) двигателя с множеством лопастей (52А, 52B, 52С), выполненный с возможностью вращения относительно неподвижного модуля (10А, 10B, 10С) летательного аппарата вокруг оси (X) двигателя.

Изобретение относится к системе дистанционной связи, выполненной с возможностью встраивания в летательный аппарат (1А, 1B, 1С), содержащий по меньшей мере один винт (50А, 50B, 50С) двигателя с множеством лопастей (52А, 52B, 52С), выполненный с возможностью вращения относительно неподвижного модуля (10А, 10B, 10С) летательного аппарата вокруг оси (X) двигателя.

Изобретение относится к автомобильной промышленности. Способ и соответствующее устройство (100) для контроля шин на производственной линии обеспечивают предварительное размещение шины (200), подлежащей контролю, упругое деформирование участка боковины шины посредством приложения сжимающего усилия к внешней контактной поверхности участка боковины, при этом сжимающее усилие имеет осевое направление и ориентацию, направленную к диаметральной плоскости, освещение внутренней и/или внешней поверхности участка боковины и детектирование изображения освещенной поверхности, генерирование контрольного сигнала, соответствующего детектируемому изображению, и анализ контрольного сигнала для детектирования возможного наличия дефектов на участке боковины.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и касается способа обнаружения ударных повреждений конструкции. Способ включает в себя нанесение на поверхность конструкции люминесцентного покрытия люминесцирующего в видимой области спектра под воздействием УФ-излучения, просмотр покрытия при облучении конструкции УФ-излучением и обнаружение ударных повреждений за счет цветовых различий.

Изобретение относится к люминесцентным покрытиям для обнаружения повреждений конструкций и может быть использовано при неразрушающем контроле и диагностике состояния различных конструкций.

Изобретение относится к токоприемникам транспортных средств. Система для определения состояния токосъемника транспортного средства содержит устройство с видеокамерами для цифровой съемки изображений токосъемника и устройство для оценки записанных изображений на основе технологии сбора, передачи и обработки данных.

Группа изобретений относится к области стерилизации, а конкретно к проверке стерилизационной упаковки. Способ проверки стерилизационной упаковочной системы, содержащей первый и второй сегмент, на наличие прорывов включает этап размещения стерилизационной упаковочной системы между источником света и проверяющим, а также этап проверки указанной системы на наличие прорывов в первом или втором сегментах путем поиска света, проходящего через обращенный к проверяющему сегмент.

Изобретение относится к области дефектоскопии кристаллических материалов и может применяться для обнаружения структурных дефектов в кристаллических материалах, в том числе полупроводниковых.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа и устройства определения топографии поверхности подложки с покрывающим слоем. Способ включает в себя измерение высоты поверхности покрывающего слоя на подложке по координатам x-y с использованием хроматического измерения белого света, измерение толщины указанного слоя по координатам x-y с использованием ультрафиолетовой интерферометрии и определение высоты поверхности подложки в координатах x-y по результатам измерений высоты поверхности и толщины слоя.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат - повышение точности компьютерного моделирования целостности сигнала и электромагнитной совместимости проектируемых СВЧ устройств в расширенном диапазоне рабочих частот до 100 ГГц и более.
Группа изобретений относится к области для измерения шероховатости поверхности в труднодоступных областях. Устройство измерения шероховатости поверхности содержит основное и вспомогательные излучающие волокна, собирающие волокна, оптический корпус, главное и вспомогательные отражающие зеркала и внешнюю цепь.

Группа изобретений относится к способу и устройству проверки инспекционной системы для обнаружения поверхностных дефектов продукта. Способ проверки инспекционной системы (1) и система для реализации способа для обнаружения поверхностных дефектов (2, 3) продукта (5), преимущественно плоского стального продукта, в котором с помощью одной камеры (6), преимущественно цифровой камеры, делают один снимок (10) одной поверхности (4) одного продукта (5), один снимок (10) в оцифрованном изображении передают на устройство (7) обработки изображений, одно оцифрованное изображение (11, 12) поверхностного дефекта (2, 3) интегрируют в оцифрованный снимок (10), с помощью устройства (7) обработки изображений и с помощью оцифрованного снимка (10), включая оцифрованное изображение (11, 12) поверхностного дефекта (2, 3), обнаруживают недостаток и определяют, распознает ли устройство (7) обработки изображений оцифрованное изображение (11, 12) поверхностного дефекта (2, 3) как недостаток на проверяемой поверхности (4).

Группа изобретений относится к способу и устройству проверки инспекционной системы для обнаружения поверхностных дефектов продукта. Способ проверки инспекционной системы (1) и система для реализации способа для обнаружения поверхностных дефектов (2, 3) продукта (5), преимущественно плоского стального продукта, в котором с помощью одной камеры (6), преимущественно цифровой камеры, делают один снимок (10) одной поверхности (4) одного продукта (5), один снимок (10) в оцифрованном изображении передают на устройство (7) обработки изображений, одно оцифрованное изображение (11, 12) поверхностного дефекта (2, 3) интегрируют в оцифрованный снимок (10), с помощью устройства (7) обработки изображений и с помощью оцифрованного снимка (10), включая оцифрованное изображение (11, 12) поверхностного дефекта (2, 3), обнаруживают недостаток и определяют, распознает ли устройство (7) обработки изображений оцифрованное изображение (11, 12) поверхностного дефекта (2, 3) как недостаток на проверяемой поверхности (4).

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для оптического бесконтактного измерения профиля поверхности, и может быть использовано для измерения параметров неровности, шероховатости поверхности, например дорожного покрытия, поверхности металлов и изделий сложной формы.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для оптического бесконтактного измерения профиля поверхности, и может быть использовано для измерения параметров неровности, шероховатости поверхности, например дорожного покрытия, поверхности металлов и изделий сложной формы.

Изобретение относится к области сварки, в том числе, при строительстве трубопроводов и при изготовлении крупногабаритных объектов. Заявленный мобильный сканер для определения качества поверхности сварного шва содержит модуль перемещения, который включает платформу с размещенным на ней считывающим блоком, датчиком пройденного пути, блоком беспроводной передачи и приема информации.

Изобретение относится к области океанографических измерений. Способ дистанционного определения дисперсии уклонов морской поверхности заключается в том, что импульсным лазером вертикально зондируют морскую поверхность, регистрируют отраженные импульсы и по ним рассчитывают дисперсию уклонов морской поверхности.

Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента состоит из координатного стола, оптически связанных рассеивающего экрана с пропускающим окном, контролируемого дифракционного элемента, расположенного между координатным столом и рассеивающим экраном, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры, блока обработки и управления.

Изобретение относится к визуальной оценке качества поверхностей плоских подложек для оптико-электронных компонентов и может быть использовано при техническом контроле состояния поверхности крупных партий деталей в электротехнической промышленности.
Наверх