Устройство для измерения шероховатости поверхности

 

Использование: для измерения шероховатости поверхности. Оно позволяет повысить точность измерения для поверхностей деталей, изготовленных из материалов, отражающие свойства которых зависят от угла падения света. Сущность изобретения: устройство содержит пять приемников отраженного от поверхности излучения 13 - 17, расположенных симметрично относительно зеркального направления. Вычислительное устройство выдает усредненное значение параметров шероховатости. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности, обработанной в машиностроении.

Известно устройство для определения параметров шероховатости, содержащее последовательно расположенные на одной оси и устанавливаемые под острым углом к измеряемой поверхности источник монохроматического излучения, модулятор, оптическую систему, приемник излучения со светофильтрами и электронным блоком обработки сигналов. Устройство снабжено последовательно установленными перед светофильтрами по ходу отражаемых от контролируемой поверхности лучей маской, имеющей два кольцевых концентрических и круглое отверстие в центре маски, а также тремя подвижными шторками, каждая из которых путем перемещения по очереди открывает через то или иное отверстие ход лучей в объектив для измерения приемником сигнала [1] Недостатком этого устройства является неодновременность измерения отраженных потоков, что может служить причиной возникновения погрешности из-за возможной нестабильности мощности источника излучения в процессе последовательных измерений.

Известно другое устройство рефлектомера, которое является наиболее близким к изобретению по технической сущности [2] Устройство содержит источник монохроматического излучения, модулятор, оптическую систему, направляющую параллельный пучок излучения на измеряемую поверхность, три приемника излучения, одновременно поступающего в приемник через диафрагмы, расположенные под углами Θ₁, Θ₂ и Θ₃ относительно нормали к контролируемой поверхности. Затем измеренные нановольтметром сигналы поступают в блок обработки с микропроцессором, где по отношениям измеренных сигналов вычисляются параметры шероховатости контролируемой поверхности.

Наличие трех приемников излучения в плоскости падения позволяет одновременно измерить отраженные в трех направлениях Θ₁, Θ₂ и Θ₃ потоки при постоянном угле падения излучения, что исключает погрешность за счет нестабильности мощности источника излучения. Недостатком является то обстоятельство, что в устройстве не учитывается неодинаковость коэффициента отражения для разных углов отражения Θ₁, Θ₂ и Θ₃, т.е. при вычислениях параметров шероховатости предполагается, что значение коэффициента для всех трех направлений одинаково.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерений.

Технический результат достигается тем, что устройство снабжено дополнительно двумя приемниками излучения с нейтральными светофильтрами и с диафрагмами, установленными в плоскости падения излучения, из них одна под углом к нормали к поверхности, другая под углом , т. е. по направлениям распространения лучей, симметричным направлениям, определяемым углами Θ₂ и Θ₃ соответственно, относительно зеркально отраженного луча с углом Θ₁.

Усреднение результатов измерений попарно для симметричных направлений позволяет учесть различия в назначениях коэффициента отражения для разных углов наблюдения отраженного излучения и тем самым расширить функциональные возможности метода контроля поверхностей, для которых зависимость коэффициента отражения от угла падения излучения существенна. Таким образом, повышается точность измерения параметров шероховатости.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства для измерения параметров шероховатости.

Устройство содержит источник поляризованного монохроматического излучения 1, направляющий параллельный пучок своего излучения на измеряемую поверхность 2 под острым углом Θ₁, приемники излучения 13 17 с диафрагмами 8 12, расположенными в плоскости падения излучения соответственно под углом Θ₁ зеркального отражения, под углом Θ₂, отличающимся от угла Θ₁, под углом Θ₃, отличающимся от углов Θ₁ и Θ₂, под углом и под углом , нейтральные светофильтры 3 7, электронно-измерительный блок отработки сигналов 18 с интерфейсом 19, от которого информация поступает в микропроцессорное вычислительное устройство 20.

Устройство работает следующим образом.

Параллельный пучок поляризованного монохроматического излучения, выходящий из источника излучения 1, направляется на измеряемую поверхность 2 под острым углом Θ₁ относительно нормали к ней. Отраженное в пяти направлениях, излучение через нейтральные светофильтры 3 7 и диафрагмы 8 - 12, расположенные в плоскости падения, соответственно под углом Θ₁ зеркального отражения, под углом Θ₂, отличающимся от угла Θ₁ зеркального отражения, под углом Θ₃, отличающимся от углов Θ₁ и Θ₂, под углом , равным разности 2Θ₁ - Θ₂, и под углом , равным разности 2Θ₁ - Θ₃. От приемников излучения электрический сигнал, пропорциональный интенсивности отраженного излучения, подается в электронно-измерительный блок обработки сигнала 18 и через блок интерфейса 19 в микропроцессорное вычислительное устройство 20, которое служит для вычисления по значениям попарно двух отношений измеренных интенсивностей параметров шероховатости среднего квадратического отклонения высот неровностей σ и σʹ и интервала корреляции l₀ и l₀'. Затем вычисляют средние арифметические значения σ_ср= 0,5(σ + σʹ) и , которые принимаются за истинные значения среднего квадратического отклонения высот неровностей и интервала корреляции.

Наличие попарно установленных приемников излучения под углами при условии, что Θ₂ > Θ₁ и Θ₃ > Θ₁, а , позволяет существенно повысить точность вычисления параметров шероховатости по измеренным потокам излучения, поступившего в эти приемники, поскольку, если в приемники, расположенные по одну сторону от зеркального отраженного луча, поток излучения поступает с меньшим коэффициентом отражения, чем коэффициент отражения зеркального луча, то в приемники, расположенные по другую сторону от зеркально отраженного луча, поток излучения поступает с большим коэффициентом отражения, чем коэффициент отражения зеркального луча. Поэтому в первом случае исходное для вычисления параметров шероховатости отношение R измеренных потоков излучения будет меньше теоретического, принимаемого в расчетных формулах, а в другом случае наоборот. Поэтому итоговое значение параметров шероховатости, полученное как полусумма их вычисленных значений по результатам измерений в двух симметрично расположенных приемниках излучения, уменьшают погрешность определения параметров шероховатости.

Указанное обстоятельство имеет существенное значение в случае контроля шероховатых поверхностей из материалов, для которых коэффициент отражения зависит от угла падения излучения. Для каждого угла наблюдения Θ_i отраженное излучение в зоне фраунгофера формируется путем отражения от микрограней неровностей поверхности, имеющих определенный наклон. Для каждой микрограни угол падения излучения отсчитывается от локальной нормали к этой микрограни. Таким образом, в этих случаях имеют место локальные значения коэффициентов отражения для каждой микрограни, отличающейся своим наклоном, и, следовательно, в итоге для каждого угла наблюдения Θ_i/ . Эти коэффициенты отражения отличаются от коэффициента отражения для зеркального направления под углом Θ₁.

Приравнивание отношений измеренных интенсивностей потоков их теоретическому выражению для последующего вычисления параметров шероховатости вносит погрешность в определение этих параметров, так как теоретические зависимости интенсивностей от параметров шероховатости получены для постоянных значений коэффициента отражения, не зависящих от угла Θ_i. Поэтому реализуемое в устройстве усреднение вычисленных значений параметров шероховатости повышает точность их определения.

Одновременность измерений отраженных в пяти направлениях потоков излучения исключает погрешность за счет нестабильности мощности источника излучения. Наличие нейтральных светофильтров позволяет более точно в пределах одной шкалы электронно-измерительного блока измерить отличающиеся в несколько раз отраженные потоки.

Формула изобретения

Устройство для измерения шероховатости поверхности, содержащее источник поляризованного монохроматического излучения с параллельным пучком излучения, установленный под острым углом Θ₁ к нормали к измеряемой поверхности, три приемника излучения с диафрагмами и нейтральными светофильтрами, расположенными перед диафрагмами, причем первый приемник излучения установлен по направлению зеркально отраженного от измеряемой поверхности излучения под острым углом Θ₁ к нормали к измеряемой поверхности, а второй и третий приемники излучения соответственно по направлениям диффузно отраженного от измеряемой поверхности излучения под углами Θ₂ и Θ₃ к нормали к измеряемой поверхности, при этом Θ₁ ≠ Θ₂ ≠ Θ₃, а также электронно-измерительный блок обработки сигналов, выход которого через интерфейс соединен с входом микропроцессорного вычислительного устройства, а выходы приемников излучения соединены с соответствующими входами электронно-измерительного блока, отличающееся тем, что в него дополнительно введены четвертый и пятый приемники излучения, установленные по направлениям диффузно отраженного от измеряемой поверхности излучения симметрично соответственно второму и третьему приемникам излучения относительно зеркально отраженного от измеряемой поверхности излучения и соответственно под углами Θ¹₂ = 2Θ₁ - Θ₂ и Θ¹₃ = 2Θ₁ - Θ₃ к нормали к измеряемой поверхности и соединены с соответствующими входами электронно-измерительного блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1