Устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей
УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ЗЕРКАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ , содержащее лазер, собирающее зеркало и фотоприемник, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и. производительности контроля, оно снабжено последовательно расположенными между лазером и фотоприемником по ходу светового луча поляроидом, зеркалом, предназначенным для направления светового луча на контролируемую поверхность под углом, не равным нулю, эталонным плоским зеркалом, устанавливаемым параллельно контролируемой поверхности , и плоским зеркалом, предназначенным для периодического направления отражае;« го от контролируемой поверхности светового луча на фотоприемник , и узлом позиционирования, связывающим зеркало с фотопрнемником. (Л d 4;:
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН (19) (11) 3(51) С 01 В 11 30
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ
Фь Ф
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВЬ( (21) 3460702/25-28 (22) 29.06.82 (46) 0710.83. Бюл. Р 37 ° (72) A.À. Золотухин, Г.B. Рожнов, Т.С. Глазунова, М.A. Золотухин,А.Б. Поляков и Э.Ф. Трифонов (53) 531.715.27(088.8 ) (56) 1. Патент США Р 3971956,,кл. G 01 И 21/30, 1976.
2. Патент США s 3771880, кл. G 01 N 21/48, 1973 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ
ШЕРОХОВАТОСТИ ЗЕРКАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, содержащее лазер, собирающее зеркало и фотоприемник, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и. производительности контроля, оно снабжено последовательно расположенными между лазером и фотоприемником по ходу светового луча поляроидом, зеркалом, предназначенным для направления светового луча на контролируемую поверхность под углом, не равным нулю, эталонным плоским зеркалом, устанавливаемым параллельно контролируемой поверхности, и плоским зеркалом, предназначенным для периодического направления отражаерого от контролируемой поверхности светового луча на фотоприемник, и узлом позиционирования, связывающим зеркало с фотоприемником.
1046611
Изсбретение относится к контрольно-измерительной технике н может быть использовано для иэмерения средней квадратической шероховатости зеркальны к поверхностей .
Известно устройство для измерения средней квадратической шероховатости эеркальных поверхностей фотометрическим способом, содержащее источник монохроматического излучения, фокусирующую оптическую систему, узел, 10 обеспечивающий сканирование пятна излучения по измеряемой поверхности, и два фотоприемника (1") .
Недостатком устройства является низкая точность измерений, обусловленная наличием двух фотоприемников, характеристики которых различным образом изменяются по времени. Кроме того, иэ-эа малости телесиьж углов, в пределах которых распространяется отраженное излучение, измеряемое фотоприемникеми, информация о шероховатости контролируемой поверхности обычно искажена .
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является
35 устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей, содержащее лазер, собирающее зеркало и два фотоприемника (2) .
Недостатками известного устройства - В являются недостаточная точность контроля иэ-эа наличия двух фотоприемников, рабочие характеристики которых различным образом Изменяются по времени, и, кроме того, низкая производительность контроля из-эа малой площади одновременно контролируемой поверхности, а также иэ-эа отсутст- вия автоматизации устройства. !
Целью изобретения является павы- 40 шение точности н производительности контроля.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для контроля шероховатости зеркальных поверхностей, 45 содержащее лазер, собирающее зеркало и фотоприемник, снабжено последовательно расположенными между лазером и фотоприемником по ходу светового луча поляроидом, зеркалом, предназначенным для направления светового луча на контролируемую поверхность под углом, не равным нулю, эталонным плоским зеркалом, устанавливаемым параллельно контролируемой поверхности, и плоским зеркалом, предназначенным для периодического найравления отражаемого от контролируемой поверхности к;ветового луча на фотоприемник, узлом позиционирования, связывающим зеркало с фотоприемником. 60
На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 зависимость светового потока Ф направляемого во входное окно фотоприемника от времени 65
Устройство содержит лазер 1 и последовательно расположенные по ходу светового луча поляроид 2 для регулирования светового потока, зеркало 3, предназначенное дня направления светового луча, на контролируемую поверхность 4 под углом падения 9 ф О, эталонное плбское зеркало 5, образующее систему многократного отражения с контролируемой поверхностью 4, плоское зеркало б, предназначенное для периодического направления зеркально отражаемого от контролируемой поверхности 4 светового луча, и фотоприемник 7, собирающее зеркало 8, отражающее диффузно рассеянный от контролируемой поверхности световой луч на входное окно фотоприемника 7, генерирующего сигнал рассогласования, управляющий через узел 9 позиционирования положением зеркала 3.
Устройство работает следующим образом.
Луч света от лазера 1 проходит через поляроид 2, предназначенный для регулирования величины светового потока, и направляется зеркалом 3 на контролируемую поверхность 4 под углом падения 8 ф О. Отражаясь от поверхности 4, свет попадает на э"талонное плоское зеркало 5, расположенное параллельно контролируемой поверхности 4, вновь попадает на контролируемую поверхность 4 и т.д., испытывая многократное отражение от контролируемой поверхности 4. При этом диффуэно рассеянная составляющая светового потока выводится на . собирающее зеркало 8, а зеркальная составляющая — на плоское зеркало б.
Плоское зеркало б периодически направляет зеркально отраженный от контролируемой поверхности луч на фотоприемник 7. Диффуэно рассеянная составляющая светового потока направляется собирающим зеркалом 8 на тот же фотоприемник 7. Соответственно фотоприемник 7 регистрирует постоянный по времени сигнал от диффузно рассеянной составляющей светового потока и периодический сигнал от зеркальной составляющей.
Минимальное значение регистрируемого сигнала З,ц обусловлено диффузной составляющей W3 (фиг. 2)
3„„;„- м„9g, (<) где К вЂ” некоторый постоянный коэффициент преобразования фотоприемника на уровне 3ш,„.
Максимальное значение Зкк„,обусловлено суммой диффузной 7g и зеркальной © составляющих излучения may с(г ( 1046611 е спи сигналы Зп,;„и 3,„с,„имеФт I близкие по величйне значейия и измеряются одним фотоприемником, то = К и отношение сигналов (3) не зависит от временных и иных характеристик фотоприемника, что обеспечивает более высокую стабильность работы устройства и, следовательно, более высокую точность измерения соотношения потоков излучения Pg и Фе. При фиксированном расстоянии h между эталонным зеркалом 5 и контролируемой поверхностью 4 соотношение сигналов 22«а« «2+ с m > Ь =. «.= const (4) обеспечивается .узлом позиционирова.ния, на вход которого с фотоприемника подается сигнал рассогласования = К - 1(e), (5) где. р (6 ) — величина отношения дт в зависящая от угла 8 падения луча света на контролируемую поверхность I т.е. от угла наклона 6 = 9 зеркала 3. Узел 9 позиционирования наклоняет зеркало 3 в положение, при котором сигнал рассогласования Эр = 0. Одновременно с измерением угла наклона 9 производится смещение зеркала 3 вдоль контролируемой поверхности 4 так, чтобы избежать деления зеркально отраженного луча света краем эталонного зеркала 5 (возможны варианты конструкции, в которых этот же результат достигается смещением эталонного зеркала 5). При заданных значениях K u h измеряется величина наклона 6 = 6 которая используется для вычисления средней квадратической шероховатости б контролируемой поверхности 4. Аналитическая связь между .6 и определяется следующнм образом. Коэффициент отражения шероховатой поверхности R можно представить в виде произведения двух факторов В r ° е, (6) где r - коэффициент отражения гладкой поверхности . е - фактор, приводящий к уменьшению коэффициента отражения за счет шероховатости отражающей ,поверхности и следующим образом связанный со средней квадратической шероховатостью 6 1,4н д « е = exp(-(д — cos 9 ) ), (7 ) где — длина волны падающего излучения. Если на контролируемую поверхность 4 падает поток излучения Ф, то после однократного отражения от контролируемой поверхности 4 эеркаль наЯ составлЯющаЯ Ф = R Фп, ДиффУзная Ф, = r(1-å)<Ð, а оставшаяся 5 часть Q потока поглощается материалом изделия с контролируемой поверхностью: Q = (1-г) Фп. Предполагая, что эталонное плосйое зеркало 5, образующее совместно с контролируемой поверхностью 4 систему многократного отражения, имеет коэффициент отражения, близкий к единице, и обладает пренебрежимо малой собственной шероховатостью по сравнению с шероховатостью контролируемой поверхности, 35 заключают,что после отражения от эталонного зеркала на контролируемую поверхность падает зеркальная составляющая Ф,. светового потока, диффузная же составляющая выводится из системя 2-0 многократного отражения и попадает на собирающее зеркало 8, которое фокусирует ее на. фотоприемник 7. Повторяя этот процесс дальше, после и-кратного отражения луча от контролиpyeMoN поверхности 4 получают на выходе из системы многократного отражения зеркальную составляющую светового потока в" Ф (8) - 0 и суммарный поток диффузных составляющих и = ср = -" (1 п) ф, (д) Подставляя (8) и (9) в (б), .нахо35 дим окончательно 1 r-R 1-r (10) (см.(4) и (5)). число отражений и определяется 40 однозначно углом падения 9 и геомет» рическими размерами системы многократного отражения 22«t Ü Я (») где à — длина эталонного плоского зеркала 5 в плоскости падения луча;. и - округляется. до меньшего цело50 численного значения. Выражений (7), (10) и (11) достаточно для нахождения средней квадратической шероховатости поверхности 4. ю В случае металлических поверхностей, когда (1-r) сс 1, выражение (10 упрощается К е" = ехр(п(. сов 6) ) (12) 60 В этом случае средняя квадратическая шероховатость находится явно 6 = — — - — «n«, (i«) Я 65 где n=n(e) дается формулой (11) 1046611 Составитель Л. Лобзова Редактор Т. Кугрышева Техред T.Маточка Корректор A.Çèìîêîñîâ Заказ 7712/40 Тираж 602 Подписное BHHHGH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытиЯ 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4 Отражение света от поверхности 4 происходит на площади д Б = и — — ° sin g, (14) где а — диаметр поперечного сечения 5 падак4цего луча. Следовательно, НэмерЯемаЯ величина 6 характеризует шероховатость на этой площади. При точности измерений фотоприем- 10 ника 6 = 5% погрешность о K изме3t7lax рений соотношения сигналов» . = К «min в устройстве с наиболее близким техническим решением составляет 15 8 3ща + 33е, „= 103 (15) Согласно формуле (13) для K = 2,5 такая погрешность измерений приводит при вычислении величины 6 к погрешности 20 — (О « g„+ 83«„) /20nK —" 5,53 (16) Эта . ошибка устраняется в устройстве в результате существенного уменьшения различия в интенсивности зеркальной и диффузной составляющих отраженного света и, как следствие, использования только одного фотоприемника для измерений соотношения световых потоков. Изобретение позволяет производить с высокой точностью измерения шероховатости зеркальных поверхностей на площади в и раз большей, чем при однократном акте светорассеяния.Кроме того, оно позволяет автоматизи« ровать измерения с применением обратной связи между фотоприемником и поворотным зеркалом, используя зависимость между интенсивностью диффузно рассеянного света и углом падения светового луча на контролируемую поверхность, 
