Способ бесконтактного контроля плоскостности поверхности

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для обнаружения неплоскостности свободной поверхности жидкости. В способе используется явление термокапиллярной конвекции, индуцированной тепловым действием лазерного излучения. Информация извлекается из интерференционной картины (термокапиллярного отклика), наблюдаемой на экране, помещенном в поперечном сечении каустики, отраженного от деформированной термокапиллярной конвекцией свободной поверхности жидкости (термокапиллярного углубления) луча лазера, индуцирующего конвекцию. Плоскостность свободной поверхности жидкости контролируют по отклонению формы термокапиллярного отклика от круглой, которая соответствует плоской свободной поверхности. Изобретение позволяет упростить контроль плоскостности свободной поверхности жидкости. 2 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для обнаружения неплоскостности свободной поверхности жидкости.

Предлагаемый в изобретении способ может быть использован для бесконтактного контроля плоскостности свободной поверхности жидкости с прецизионной точностью в химической и электронной промышленности, физических и химических приборах, а также в космических жидкостных технологиях.

Известен способ проверки неплоскостности [1], заключающийся в замере точек проверяемой поверхности от вспомогательной плоскости. Способ предполагает механический контакт ножки индикатора с проверяемой поверхностью и поэтому совершенно непригоден для жидкостей.

Наиболее близкой к предложенному способу является одна из модификаций интерферометрического способа измерения неплоскостности и непрямолинейности поверхностей [2] , где формирователь и отражатель информационного и референтного световых лучей выполнены в виде оптического клина, у которого на переднюю по ходу светового луча поверхность нанесено светоделительное покрытие. Данная модификация интерферометрического способа позволяет контролировать отражающие твердые поверхности шириной до 70 мм с высокой точностью, но применение ее в случае жидких поверхностей проблематично, из-за трудно устранимых в жидкостях микровибраций. Кроме того, к недостаткам следует отнести сложность установки и трудоемкость процесса измерений.

Целью данного изобретения является упрощение схемы и процесса контроля плоскостности свободной поверхности жидкости.

Поставленная цель достигается путем возбуждения в жидкости лазерным пучком фотоиндуцированной термокапиллярной (ТК) конвекции, вызывающей динамическую деформацию ее свободной поверхности - ТК углубление, а плоскостность или неплоскостность свободной поверхности жидкости определяют из геометрии интерференционной картины - ТК отклика [3], наблюдаемой на экране, помещенном в поперечном сечении каустики отраженного от ТК углубления луча лазера.

Геометрия ТК отклика определяется формой ТК углубления. В свою очередь форма ТК углубления зависит от статической кривизны (статическая кривизна свободной поверхности жидкости обусловлена ее деформацией в результате взаимодействия жидкости с твердыми границами, например стенками сосуда) свободной поверхности жидкости и является результатом суперпозиции динамической кривизны, которая создавалась бы ТК конвекцией в жидкости с плоской свободной поверхностью, и кривизны статически деформированной поверхности жидкости [3].

Наиболее наглядно это можно показать на примере цилиндрического мениска, который образуется между двумя плоскопараллельными границами расположенными симметрично относительно ТК углубления. В этом случае ТК отклик можно характеризовать двумя диаметрами: диаметр D_i соответствует неограниченному зеркалу жидкости и остается постоянным при фиксированной толщине слоя, а диаметр D_b - ограниченному зеркалу и зависит от радиуса статической кривизны свободной поверхности. При вогнутом мениске D_b растет с уменьшением радиуса кривизны (фиг. 1, фото 1-2), при выпуклом - убывает с ростом радиуса кривизны мениска (фиг. 1, фото 4-5). Только в случае плоской поверхности жидкости диаметры D_b и D_i равны и ТК отклик является кругом (фиг. 1, фото 3). Величину и знак одномерной статической кривизны удобно определять через коэффициент K: K=D_b/D_i-1.

Если поверхность жидкости вогнутая К > 0, выпуклая К < 0, при плоской поверхности К = 0.

Экспериментальная оценка чувствительности ТК отклика к кривизне свободной поверхности жидкости, выполненная для одномерного случая показала, что еще хорошо наблюдаемая деформация ТК отклика (К = 0,18) соответствует кривизне свободной поверхности жидкости с радиусом более 6,5 м. Высокая чувствительность ТК отклика положена в основу предлагаемого способа контроля плоскостности свободной поверхности жидкости.

Принципиальная схема способа показана на фиг.2. Здесь 1 - контролируемая поверхность жидкости, 2 - ТК углубление, 3 - лазер, излучение которого хорошо поглощается жидкостью, 4 - экран.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Плоскостность свободной поверхности жидкости контролируют по отклонению формы ТК отклика от круглой, которая соответствует плоской свободной поверхности. Контроль в нескольких точках поверхности исключает возможную ошибку, связанную с тем, что пучок лазера может попасть в центр сферического мениска (в этом случае ТК отклик остается круглым, а влияние статической кривизны выражается в изменении его диаметра).

Свойства жидкости (главным образом вязкость и коэффициент поглощения) и толщина ее слоя влияют на интенсивность конвективного процесса. В результате, для разных жидкостей или при разной толщине слоя одной и той же жидкости при фиксированной мощности индуцирующего лазерного пучка размеры ТК отклика могут заметно отличаться. Но при этом параметры отклика, определяемые кривизной свободной поверхности жидкости, сохраняют свойство подобия [3].

Таким образом, предлагаемый способ обладает следующими преимуществами. Оптическая схема способа предельно простота, надежна и не требует точной юстировки. Способ позволяет обнаруживать у свободной поверхности жидкости произвольной площади наличие статической кривизны с радиусом более 6,5 метров.

Литература 1. А.с. N 381863, G 01 В 5/28, 1973, БИ N 22.

2. А.с. N 875209, G 01 В 9/02, G 01 В 11/24, 1981, БИ N 39.

3. Безуглый Б.А. Канд. диссертация. М.: МГУ, 1983, c.228- 235.

Формула изобретения

Способ бесконтактного контроля плоскостности поверхности, включающий операции освещения объекта и формирования интерференционной картины в отраженном от объекта свете, по которой судят о плоскостности объекта, отличающийся тем, что для контроля плоскостности свободной поверхности жидкости в ней путем освещения лазерным лучом возбуждают конвективный вихрь, вызывающий динамическую деформацию ее свободной поверхности в виде осесимметричного углубления, а плоскостность свободной поверхности жидкости контролируют по отклонению формы интерференционной картины, наблюдаемой на экране, помещенном в поперечном сечении каустики, отраженного от углубления луча лазера, от круглой формы, соответствующей плоской свободной поверхности жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2