Способ бесконтактного определения параметров шероховатости поверхности
Изобретение относится к измерительной технике в области геофизических исследований и может найти применение для решения задач профилометрии, т.е.там, где необходима информация о параметрах шероховатости поверхности. Цель изобретения - повышение производительности и информативности способа за счет расширения функциональных возможностей определения статистических свойств шероховатой поверхности и ускорения обработки большого объема информации для быстрого получения значения среднеквадратичной величины высоты угла наклона, а также о функциях распределения по углам наклона, высоте и периодичности шероховатости. Способ заключается в измерении временной зависимости обратнорассеянного импульсного сигнала пикосекундной длительности от шероховатой поверхности и определении по форме принятого сигнала свойств характерных статистических параметров шероховатости исследуемой поверхности. 1 п.ф-лы, 6 ил.
СОКИ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН
<В 1й (51)5 0 01 В 11/30
ГОС
ПО И
ОРИ (54)
НИЯ
НОСТ (57) тель ких мене . рии, Изобретение относится к измериой технике в области геофизичессследований и может найти npume для решения задач профилометт,е. там, где необходима инфоробретение относится к измерительехнике в области геофизических дований и может найти применение ешения задач профилометрии, т.е. где необходима информация о парах шероховатости поверхности, тности в океанологии, в диагносельско-..оэяйственных ресурсов, ении проблем загрязнения водной и в других областях, где возможстанционное зондирование поверхЗемли с помоц ью спутников, са» ов, вертолетов и других аэрокос ких средств. ь изобретения — повышение произ". ельности и информативности спосоной иссл для там, раме в ча стик в ре сре но д ност моле миче
Ц води (21) (22) (46) (71) кой (72) и А. (53) (56)
Ин-т
АН С
АРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
БРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ
НТ СССР
ТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
4444415/25-28
26.05.88
23. 11. 90. Бюл. N 43
Институт геохимии и аналитичесимии им. В. И. Вернадского
С. А. Арманд, В. С. Карпов
Л. Суровегин ф
531. 715. 2 (088. 8)
Световые поля в океане: Сборник
Океанологии им. П. Н. Ширшова
СР, И., 1980, с. 216-223.
СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕРАИЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ fIOBEPX2 мация о параметрах шероховатости поверхности. Цель изобретения - повышение производительности и информативности способа за счет расширения функциональных возможностей определения статистических свойств шероховатой поверхности и ускорения обработки большого объема информации для быстрого получения значения среднеквадратичной величины высоты угла наклона,а также офункциях распределения по углам наклона, высоте и периодичности шероховатости.
Способ заключается в измерении временной зависимости обратнорассеянного импульсного сигнала пикосекундной длительности от шероховатой поверхности и определении по форме принятого сигнала свойств характерных статистических параметров шероховатости исследуемой поверхности. б ил. ба за счет расширения функциональных воэможностей определения статистических свойств шероховатой поверхности и ускорения обработки большого объема информации для быстрого получения значения среднеквадратичных величин высоты, угла наклона, а также о функциях распределения по углам наклона, высоте и периодичности шероховатости.
На фиг. 1 представлена диаграмма пространственного распределения импульсного сигнала широко расходящегося лазерного пучка в фиксированный момент времени по отношению к облучаемой поверхности, на фиг. 2 — диаграм-. ма пространственного распределения
1608426
1 яхп >> — > k а>> 1, kа
1 = г /
50 (1) т.е. кривизна поверхности в пределах первой зоны Френеля должна слабо " искажать фазовыи фронт отраженнои 55 волны. Обратнорассеянное оптическое излучение, отраженное от зеркальных точек в сторону приемного устройства, сигнала широко расходящегося лазерного пучка в момент времени пересечения сферическим фронтом облучаемой поверхности; на фиг. 3 - диаграмма ори5 ентации широко расходящегося лазерного пучка по отношению к облучаемой поверхности при измерении среднеквадратичного угла наклона шероховатости; на фиг. 4 — диаграмма ориентации узко-10 го параллельного лазерного пучка по отношению к облучаемой поверхности при измерении среднеквадратичной высоты шероховатости; на фиг. 5 — диаграмма ориентации широкого направленного импульсного лазерного пучка по отношению к периодичности шероховатой поверхности при измерении периода шероховатости; на фиг. 6 — структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство содержит лазер 1, преобразователь 2 ширины угловой расходимости пучка и регулятор угла наклона от пучка, который может быть выполнен 25 в виде комбинации известных элементов оптики, таких, например, как выпуклые или вогнутые зеркальные линзы и плоские зеркала. Устройство включает также полупрозрачное отклоняющее зеркало 30
3, устройство 4 регистрации, выполненное в виде электронно-оптического пре" образователя, аттенюатор 5 и исследуемую поверхность 6.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Шероховатая поверхность с крупномасштабными неоднородностями освещается приподнятым лазерным пучком пикосекундной длительности (фиг. 1). Понятие "крупномасштабность" подразумевает, что имеют место все необходимые условия для применения метода геометрической оптики, т.е. угол скольжения оптической волны к поверхности и средний радиус кривизны должны удовлетворять условию совмещенного пространственно с источником излучения, формирует на входе приемника импульсный сигнал, временные характеристики которого (огибающая по времени, ее форма, длительность и т.д.) служат источником информации о характере шероховатости поверхности.
Пространственная полуширина пикосекундного импульса (c,„ 10 с) Сьц
А. 10 — <ь
1 5 ° 10 10
-z
1,5 10 см, Эта величина соответствует ширине импульса засветки при обратном рассеянии, который движется в сторону рассеивающей поверхности. Для сферической волны слой засветки имеет сферическую форму с центром в точке координат источника. Внешние нормали в сторону движения (фиг. 1) слоя проти-. воположны нормали к поверхности в точках обратного (зеркального) отражения.
Скорость слоя засветки равна V
С
2 где С - скорость света Вк чение обратнорассеянного излучения происходит в момент пересечения слоя засветки поверхности рассеяния, причем интенсивность обратного рассеяния в данном направлении пропорциональна числу зеркальных точек определения в области пересечения, имеющих нормаль, направленную в точку приема, т.е. временная огибающая обратнорассеянного сигнала пропорциональна значению функции распределения углов наклона шероховатости (статистической функции распределения) при фиксированном .угле рассеяния в точку приема, причем эта огибающая тем точнее повторяет функцию распределения, чем тоньше слой засветки.
Для определения функции распределения по углам наклона шероховатости необходимо осветить шероховатую поверхность широким лазерным пучком (фиг. 3). Временная огибающая интенсивности обратнорассеянного пикосекундного импульса будет описывать функцию распределения по углам наклона шероховатой поверхности (гистограм-. му). Прн этом функция распределения определяется по формуле
1608426 б е редатчика) относительно уровня поверхности, (г) гд
1 ц4с щ1щ) cos 6y (7) I „„ - интенсивность рассеянного сигнала — функция от момента включения рассеянного излучения;
g(t) — угол прихода рассеянного сигнала в точку приема, которую можно рассматривать как обратную функцию время отсчета бс.
При этом имеет место так наэываеошибка дискретизации при иэмерефункции распределения по углам лона поверхности, которая обуслова тем, что область пересечения нта сферической волны с полосой, на ширине удвоенной средней квадраной ширины шероховатости (фиг. 2) . ма ни на ле
ФР ра ти
1 нтервал дискретизации, определя" из геометрических условий (фиг.2), н емь рав
C h > ) — среднеквадратичная ширина шероховатости;
Н вЂ” высота приемника, передатчика.
1ри малых углах 9, где g 6g где тобы можно было пренебречь ошибдискретиэации, должно выполняться вие кой усл
Д((< а tg 9,>, ) с 1
) (6) а эй.п0 (< Ch )
) 50 (10) где словие (6) означает, что в предеинтервала дискретизации угол расия в точку приема меняется несувенно и функция распределения тически постояйна. Выполнения у-ся (6) можно всегда добиться над- щим выбором высоты приемника (пелах сея щес / пра лов леж Ь(ctg 8 ) (4) 2(ь) При этом должно выполняться услот.е. если имеют место (6) и (7), ошиб-. кой дискретизации можно пренебречь. В реальных ситуациях значение среднеквадратичного тангенса угла наклона < Сд6> > > много меньше единицы, так 15 что (tge > g, тогда нормирован(>> ная огибающая, определяемая по формуле (3), может быть представлена в виде 20 8 ДО „, НО / (О) (В) Определив эффективную временную ширину функции 1 по уровню е, находят связь между параметром О 1 и >>е шириной длительности импульса огибающей по уровню е при строго нормальном распределении 35 шеРоховатости по Углам наклона со среднеквадратичной величиной тангенса угла наклона. Измерение условий функции распределения по высоте шероховатости, ко40 торая характеризует плотность распределения вероятности значения высоты шероховатости в интервале высот шири« ны А h при условии, что угол наклона поверхности равен O, осуществляется 45 с применением направленных узких пучков (фиг. 4), удовлетворяющих неравенству где а - радиус пучка, Ь,„) — среднеквадратичная высота шероховатости. 55 Измерения следует модифицировать следующим образом: осуществлять зондирование поверхности серией пикосе- . кунднь>Х импульсов и перемещать зондирующий пучок от импульса к импульсу 1608426 (h ) = — (hh) - 1 е (15) hx 2 а/cos 9 ) 15 2Н tt С ° cos 9 (12) С Т 9 2- sine Временная огибающая может описы- 20 вать плотность вероятности распределения.высот шероховатости в интервале при условии, что угол поверхности в точке падения тонкого пучка равен Ah (фиг. 4), Усреднение огибающей по числу импульсов дает требуемую плотность условной вероятности по высоте шероховатости при условии, что угол наклона поверхности равен О независимо от точки падения зондирующего пучка. Таким образом, условная плотность вероятности распределения no h опреде ляется соотношением 35 (16) Z =h cos (Q х), +1), k=091... (17) содержатся две зеркальные точки, рас40 стояние между которыми вдоль лучевого распространения определяется по формуле Ah С оз6 (18) где Qh — приращение высоты от значения Z = О. Вводя условно полуширину длительно- 50 сти импульса по уровню е для (13), имеют связь (ЬЬ „)е = С - соs 9 (ен ) e-t (14) 55 Для строго нормального закОна распределения для высоты среднеквадратичная высота шероховатости равна ? = 2Т/Q параллельно самому себе вдоль поверхности с шагом а затем проводить усреднения значения огибающей по числу импульсов в соответствующие моменты (орни и те .же) времени, отсчитываемых от максимума значения огибающей в каждом случае. Правомерно допустить, что огиба-! ющая будет симметрична относительно момента времени h Х (tо + Ь с) I (At) (13) где I (t) — интенсивность обратно рассеянного импульса (чер.та — знак усреднения по импульсам), Определение периодичности шероховатости по временной огибающей обратнорассеянного пикосекундного импульса можно осуществить с помощью направлен-" ного широкого лазерного пучка, наклоненного под углом к поверхности. Измеряемой величиной является период следования импульсов огибающей рассеянного излучения Т . Как показано в частном случае периодически не ровной поверхности, период шероховатости L< связан с периодом излучения соотношением Рассмотрим случай синусоидальной поверхности (фиг. 5): Как видно из фиг. 5, при выбранных углах обратного рассеяния в каждом интервале значений — — + 2 ku (хc. — + 2u(k+ It / 1(2 2.1, = (-(х „- x t„) ein II (1 (z) + (z — Р1 )cos 91 ) где х „, z " координаты зеркальных точек, а расстояние между соседними зеркальными точками вдоль оси, соответствующими одному и тому же индексу, равно Таким образом, «Сли ширина импульса засветки удовлетворяет неравенству! 1608426 а ра что 2а >) L+ ° cosg 1 (20) то о и будет перио енных нием л 2 р р 15 и пер одом повторения где I Т = ° sin 8, 2 L Если что в огиба пульс сов о + Int N где I В риоди кая ш - блюда в вид импул мо, ч 2а где ск всей п отсутс Фор Спо параме заключ дуемую пучком Ьх ь 2а/соьs(1р 3 L sinв, (! 9) иус пучка достаточно широк так, бающая обратнорассеянного пучка представлять собой цуг в виде 10 ической последовательности сдвоимпульсов с временным расстояина цуга равна Т = + ц 4а tg9 ri еравенство (18) не выполнено, зможно при малых 4а tg 6, то щая сливается в непрерывный имОбщее число сдвоенных импульределяется формулой означает целое". 35 еальных ситуациях, когда íà пеность накладывается статистичесроховатость, эффект может наься в виде огибающей, состоящей периодических повторяющихся,40 сных полос, при этом необходиобы выполнялись условия <ь,>, ..., „,< ...ьЕ; (22) 45 > CL )сов 01, бки означают усреднение вдоль верхности. Если периодичность вует, полосы сливаются. 50 ула изобретения об бесконтактного определения ров шероховатости поверхности, 55 ющийся в том,что облучают исслеповерхность импульсным лазерным принимают пучок, отраженный от исследуемой поверхности в направлении облучающего пучка, регистрируют интенсивность этого пучка в зависимости от времени регистрации и по огибающей полученной зависимости определяют параметры шероховатости поверхности, о т л и ч а ю щ н и с я тем, что, с целью повышения производительности и информативности способа, облучение производят пучком пикосекундной длительности, ориентируют его так, что одна из границ пучка нормальна к исследуемой поверхности, определяют функцию f(t) распределения по углам, наклона шероховатости по формуле () = I — + P, (9) /I — интенсивность отраженного пучка в точке регистрации; Pt(g) — момент регистрации отраженного луча пучка, пришедшего в точку регистрации под углом 9 (t) 8 (t) — угол наклона отраженного луча пучка в текущий момент времени регистрации t Н вЂ” расстояние от точки регистрации отраженных лучей пучка до исследуемой поверхности; С - скорость света, пределяют среднеквадратичное значение тангенса угла наклона по формуле g tgg > = (gt е — ) 1 -< С I!2 Н, где g t е — ширина длительности по U. уровню е функции f (g); е — экспонента, затем производят облучение поверхности под углом Ь к нормали серией пучков параллельных лучей, пикосекундной длительности, диаметр которых меньше .размера шероховатой поверхности в плоскости падения, которые перемещают от импульса к импульсу на расстоянии р х вдоль исследуемой поверхности где а — радиус пучка, усредняют функцию Е() по серии им1608426 12 пульсов и получают пункцию у(ц (И„р! условной вероятности распределения по высоте шероховатости по формуле i,(h И)1 т «e+ At) >4 hh(t) ht С вЂ” ---1 - время прихода отраженного луча пучка в момент регистрациир (t) — высота освещаемой части шероховатости над плоскостью поверхности в текущий момент вермени реги: страции 20 (h „„y — среднеквадратичная высота шероховатости с учетом которой определяют среднеквадратичную высоту шероховатости из соотношения > = — С-cos 9 (t ) 1 с Г2 где (t, ) е — полуширина .длительно го -1 сти по уровню е функ/ gh () """ М сь,„(rp) l затем поверхность облучают пучком па-. раллельных лучей одинаковой пикосекундной длительности, диаметр которых больше или равен размеру шероховатой поверхности в плоскости падения, наклоненных под углом М к нормали, и on" ределяют период шероховатости по формуле Т. 2 = (CT )/(2 sino,), где T — период последовательности импульсов огибающей отраженного пучка в точке регистрации. 6Ьг.5 1608426 Составитель Л. Лобзова Rz Редактор А. Козориэ Техред М,Дидык Корректор С.Шевкун Заказ 3606 Тираж 493 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101
