Способ определения шероховатости поверхности



Способ определения шероховатости поверхности

 


Владельцы патента RU 2491505:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") (RU)

Способ может быть использован для прецизионного контроля изделий в машиностроении и приборостроении. Способ реализуется интерференционным методом. На исследуемой поверхности выбирают несколько участков, фазовое изображение каждого из которых может быть получено на фотоприемнике микроскопа. Определяют фазовое изображение каждого участка, для чего при различных значениях фазы опорного пучка определяют не менее трех значений энергии, воспринятой каждым пикселем фотоприемника за время экспозиции, причем сдвиг фазы опорного пучка осуществляют путем изменения положения фазового модулятора. Для определения каждого значения воспринятой пикселем энергии получают зависимость освещенности пикселя от времени при изменении положения фазового модулятора и интегрируют полученную зависимость на интервале времени экспозиции. Интерпретируют фазовое изображение каждого участка и определяют шероховатость каждого участка с последующим усреднением шероховатости по всем участкам и получают шероховатость поверхности. В качестве фазового модулятора может быть использовано зеркало, выполненное с возможностью перемещения вдоль линии оптического пути опорного пучка. Технический результат - повышение точности определения шероховатости поверхности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области диагностики поверхности твердого тела и может быть использовано для прецизионного контроля изделий в машиностроении и приборостроении.

В контексте данной заявки под шероховатостью поверхности понимается среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля поверхности в пределах базовой длины. В основе способа определения шероховатости поверхности лежит интерференционный метод получения фазового изображения, интерпретация которого позволяет достоверно определить профиль поверхности.

Интерференционный метод получения фазового изображения в общем случае заключается в использовании когерентного монохроматического пучка света, который разделяют на два пучка, один из которых направляют к исследуемому объекту, а другой - к фазовому модулятору, например плоскому зеркалу. Первый пучок (далее - объектный пучок), отражаясь от объекта, получает информацию об объекте в виде смещения фазы по сечению пучка, которое обусловлено различной длиной оптического пути волн вследствие изменяющегося по площади объекта рельефа, сечение которого представляет собой профиль поверхности. Второй пучок (далее - опорный пучок) отражается от плоского зеркала и имеет неизменную фазу по сечению пучка. Оба пучка направляют на экран фотоприемника, где они образуют интерференционную картину (далее - интерферограмма).

Для получения фазового изображения объекта (или фазового портрета объекта) необходимо вычислить фазу объектного пучка на каждом пикселе экрана фотоприемника. Общеизвестным считается способ определения фазы объектного пучка, при котором требуются минимум три интерферограммы, позволяющие определить освещенность пикселя и полученные при различных значениях разности фаз объектного и опорного пучков.

Требуемое изменение разности фаз, как правило, получают сдвигом фазы опорного пучка (возможно также - объектного пучка), который осуществляют, например, путем изменения длины оптического пути опорного пучка при перемещении опорного зеркала. В этом случае измерения освещенности на пикселе оказываются разнесенными во времени (временная фазовая модуляция).

Однако существуют методики и одновременного получения нескольких интерферограмм, основанные в основном на разделении опорного или объектного пучка на идентичные пучки и направлении полученных пучков через различные фазовые модуляторы. В таком случае измерения освещенности на пикселе оказываются разнесенными в пространстве (пространственная фазовая модуляция).

Искомое значение фазы объектного пучка получают путем решения системы из трех или более уравнений:

I x y i = 1 2 * ( I x y a + I i b + 2 * I x y a * I i b * cos ( ϕ x y + δ i ) )                                             ( 1 )

где i - номер измерения,

I x y i - освещенность на пикселе ху в i-ом измерении,

I x y a - освещенность на пикселе ху, образованная объектным пучком (одинаковая для всех измерений),

Iib - освещенность, образованная опорным пучком в i-ом измерении (одинаковая для всех пикселей),

φxy - фаза объектного пучка на пикселе ху (одинаковая для всех измерений),

δi - фаза опорного пучка в i-ом измерении (одинаковая для всех пикселей).

Изложенное решение реализовано в конструкциях измерительных оптических систем, например, представленных в публикациях JP 2001059714 A, G01B 9/02, 06.03.2001 и US 20050046865 A1, G01B 9/02, 03.03.2005, и выбрано как прототип изобретения. Недостаткам данного решения является нечеткость полученного фазового изображения вследствие погрешности определения фазы, в результате чего профиль поверхности, который необходим для расчета шероховатости, определяется недостоверно.

Задачей изобретения является повышение точности определения шероховатости поверхности.

Для решения поставленной задачи предложен способ определения шероховатости поверхности интерференционным методом, заключающийся в том, что: на исследуемой поверхности выбирают несколько участков, фазовое изображение каждого из которых может быть получено на фотоприемнике микроскопа; определяют фазовое изображение каждого участка, для чего при различных значениях фазы опорного пучка определяют не менее трех значений энергии, воспринятой каждым пикселем фотоприемника за время экспозиции, причем сдвиг фазы опорного пучка осуществляют путем изменения положения фазового модулятора, а для определения каждого значения воспринятой пикселем энергии получают зависимость освещенности пикселя от времени при изменении положения фазового модулятора, и интегрируют полученную зависимость на интервале времени экспозиции; интерпретируют фазовое изображение каждого участка и определяют шероховатость каждого участка с последующим усреднением шероховатости по всем участкам и получают шероховатость поверхности.

В частном случае изобретения фазовый модулятор выполнен в виде зеркала, имеющего возможность перемещения вдоль линии оптического пути опорного пучка.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в снижении количества и размеров спекл-структур на фазовом портрете участка поверхности, что позволяет повысить точность определения профиля участка поверхности. Другим техническим результатом является определения шероховатости поверхности большой площади.

Осуществление изобретения будет пояснено ссылкой на фигуру со схематическим изображением устройства для получения фазового портрета объекта, в частности, микроскопа.

Микроскоп содержит источник когерентного света (как правило - лазер) 1. Светоделитель 3, размещенный на оси лазерного пучка после поляризационного элемента 2, делит исходный пучок 4 света на два пучка - объектный пучок 5 и опорный пучок 6. Объектный пучок через объектив 7 направляется к участку 8 исследуемой поверхности 9 и, отражаясь от него, попадает на светоделитель 3, через который проходит, сохраняя направление. Опорный пучок направляется на фазовый модулятор 10, который в данном случае представлен плоским зеркалом 11, оснащенным пъезоприводом. Отражаясь от фазового модулятора, опорный пучок меняет направление на светоделителе 3 и совместно с объектным пучком через линзу 12 и поляризационный анализатор 13 попадает на экран фотоприемника 14, где оба луча образуют интерферограмму. Информация с фотоприемника 14 поступает в компьютер 15, который через генератор напряжения 16 соединен с фазовьм модулятором 10.

При перемещении фазового модулятора вдоль оптического пути опорного пучка происходит сдвиг фазы опорного пучка, вследствие чего интерферограмма меняет вид, т.е. изменяется освещенность пикселей экрана фотоприемника. Выполнение фазового модулятора в виде перемещающегося плоского зеркала является, однако, частным случаем изобретения.

В прототипе изобретения для определения фазы объектного пучка на пикселе осуществляют не менее трех измерений освещенности при различных фиксированных значениях фазы опорного пучка и одинаковом времени экспозиции. Последующие значения фазы опорного пучка получают путем сдвига фазы опорного пучка относительно первого значения фазы, являющегося стартовой точкой. Сдвиг фазы опорного пучка осуществляют перемещением фазового модулятора 10 на соответствующее расстояние, предпочтительно с последующим возвращением фазового модулятора в состояние, соответствующее стартовой точке. Далее решают систему уравнений (1) и находят фазу объектного пучка.

Проведение измерений освещенности при фиксированных значениях фазы опорного пучка приводит к существенной погрешности определения фазы объектного пучка, выражающейся в появлении на фазовом портрете значительного количества спекл-структур, имеющих при этом относительно большие размеры. Погрешность определения фазы объектного пучка в общем случае вызвана погрешностью определения освещенности и погрешностью требуемого перемещения фазового модулятора.

Для пояснения заявленного способа формулу (1) можно записать следующим образом:

I x y i * t = 1 2 * ( I x y a * t + I i b * t + 2 * t * I x y a * I i b * cos ( ϕ x y + δ i ) )                           ( 2 )

где t - время экспозиции.

Поскольку в формулах (1) и (2) освещенность представляет собой энергию, воспринятую пикселем за единичное время, то энергия, воспринятая пикселем за время экспозиции, равна

E = I * t                                                                                                         ( 3 )

или

E x y i = 1 2 * ( E x y a + E i b + 2 * E x y a * E i b * cos ( φ x y + δ i ) )                                             ( 4 )

Согласно заявленному способу в течение времени экспозиции фазовый модулятор перемещается, изменяя фазу опорного пучка на величину сдвига фазы. Следовательно, фаза опорного пучка становится функцией времени экспозиции

δii(t),

а уравнение (4) принимает вид:

E x y i ( t ) = 1 2 * ( E x y a + E i b ( t ) + 2 * E x y a * E i b ( t ) * sin ( ϕ x y + δ i ) )                             ( 5 )

где

E x y i ( t ) = I x y i ( t ) d t ,                                                                               ( 6 )

E i b ( t ) = I i b ( t ) d t ,                                                                               ( 7 )

при этом интегрирование осуществляется на интервале времени экспозиции.

Таким образом, для определения энергии, воспринятой пикселем за время экспозиции, получают зависимость освещенности на пикселе от времени и интегрируют полученную зависимость на интервале времени экспозиции. Энергия, воспринятая пикселем от опорного пучка Eib(t), рассчитывается для соответствующих сдвигов фазы по соотношению (7) заранее и входит в уравнение (5) в виде константы.

Далее решают систему из не менее трех уравнений (5) и находят фазу объектного пучка. Поскольку в течение времени экспозиции освещенность определяют множество раз при различных значениях фазы опорного пучка, то случайные погрешности перемещения фазового модулятора и определения энергии, воспринятой пикселем за время экспозиции, усредняются.

Следует отметить, что освещенность не является независимо определяемой величиной, а рассчитывается исходя из соотношения (3), таким образом, в прототипе также определяют энергию, воспринятую пикселем или единичной его площадью. Сама энергия может быть вычислена через электрический заряд, накопленный на пикселе за время экспозиции и который может быть определен непосредственно.

Для получения наилучшего результата по изложенной выше методике должны быть определены все значения энергии, воспринятой пикселем фотоприемника, используемые для определения фазы объектного пучка.

Получив фазовое изображение участка поверхности, по известной для специалиста в данной области методике определяют профиль участка поверхности, а значит, и шероховатость участка поверхности. Однако участок поверхности, фазовое изображение которого может быть получено на фотоприемнике, имеет небольшие размеры вследствие конструктивных особенностей фазового микроскопа и не позволяет судить о величине шероховатости всей поверхности.

Для определения шероховатости всей поверхности исследуют несколько участков, в этих целях микроскоп снабжен перемещающимся столом 17. После определения шероховатости поверхности нескольких участков, полученные значения усредняют и получают искомую шероховатость исследуемой поверхности.

1. Способ определения шероховатости поверхности интерференционным методом, заключающийся в том, что: на исследуемой поверхности выбирают несколько участков, фазовое изображение каждого из которых может быть получено на фотоприемнике микроскопа; определяют фазовое изображение каждого участка, для чего при различных значениях фазы опорного пучка определяют не менее трех значений энергии, воспринятой каждым пикселем фотоприемника за время экспозиции, причем сдвиг фазы опорного пучка осуществляют путем изменения положения фазового модулятора, а для определения каждого значения воспринятой пикселем энергии получают зависимость освещенности пикселя от времени при изменении положения фазового модулятора, и интегрируют полученную зависимость на интервале времени экспозиции; интерпретируют фазовое изображение каждого участка и определяют шероховатость каждого участка с последующим усреднением шероховатости по всем участкам и получают шероховатость поверхности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фазового модулятора используют зеркало, которое выполняют с возможностью перемещения вдоль линии оптического пути опорного пучка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения усталости твердых материалов, например металлов, пластмасс, композиционных материалов, стекла, бумаги и т.п., где усталость является ключевым параметром твердых материалов.

Изобретение относится к технике измерений, а более конкретно к измерению геометрических параметров нанообъектов путем исследования рассеянного излучения при сканировании объектов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для бесконтактного оптического измерения физических параметров прозрачных объектов, как-то профиля, толщины стенки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля формы и взаимного расположения поверхностей крупногабаритных изделий и объектов на расстояниях до 100 метров и более.

Изобретение относится к оптическому приборостроениию. .

Изобретение относится к области океанографических измерений, в частности к способам измерения высоты волнения и угла наклона водной поверхности, и может быть использовано в океанологии для изучения волновых процессов на поверхности океана.

Изобретение относится к оптическому измерительному устройству для измерения оптического представления поверхности образца, в частности поверхности человеческой кожи.

Изобретение относится к области построения фрактограмм и может быть использовано для исследования шероховатых поверхностей, в том числе поверхностей изломов металлических материалов.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля качества рельсов оптическими методами и может быть использовано для выявления поверхностных дефектов рельсов.

Изобретение может быть использовано для получения изображения микрорельефа объекта, имеющего большую площадь поверхности. Устройство включает платформу, на которой расположен объект и которая способна перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль первой горизонтальной оси, и портал, на котором установлен фазовый микроскоп и который способен перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль второй горизонтальной оси, перпендикулярной первой горизонтальной оси. Все аэростатические опоры подключены к общей пневматической системе, а микроскоп выполнен с возможностью получения интерферограмм через интервалы времени, равные периоду колебаний давления в общей пневматической системе. Технический результат - обеспечение высокой точности изображения микрорельефа поверхности объекта при взаимном перемещении микроскопа и объекта. 2 ил.

Устройство содержит источник белого света (1) в виде LED-полоски (40), коллимационный блок (4), блок спектрометра для расщепления луча белого света (30) на луч мультихроматического света (31), направляемый на тестируемое изделие (5) под заданным углом падения, и камеру (3) для записи отраженного луча монохроматического света (32), так что информация о высоте поверхности по оси z тестируемого изделия (5) может извлекаться из значения оттенка отраженного луча (32) при относительном перемещении тестируемого изделия (5) по направлению (9) сканирования по оси x. По меньшей мере одна микролинза (41) оптически соединена с по меньшей мере одним LED для предварительного выпрямления упомянутого луча белого света (30). Коллимационный блок (4) выполнен с возможностью коллимирования упомянутого луча (30) белого света на 360° с качеством коллимирования 2° или менее и формирования ленточного луча белого света, перпендикулярного направлению (9) сканирования. Устройство содержит по меньшей мере одну линзу (42, 43, 44, 45), предпочтительно цилиндрическую линзу (42), и по меньшей мере одно средство (50) апертуры, предпочтительно регулируемую апертуру щелевой диафрагмы. Технический результат - возможность измерения поверхности изделия и контроля пасты для пайки расплавлением полуды, а так же создание 3D-модели поверхности изделия. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 21 ил.

Способ для позиционирования объекта, топографию поверхности которого получают на сенсорной системе, имеющей комплект двигателей для вращения объекта вокруг оси двигателя, перпендикулярной оптической оси сенсорной системы, и для перемещения объекта в направлениях X, Y и Z, содержит этапы: определяют позицию оси двигателя относительно базовой позиции в базовой системе координат; позиционируют сенсорную систему и/или объект в желаемой позиции и получают рельефную карту области в зоне обзора сенсорной системы; рассчитывают нормаль, отображающую топографию рельефной карты области; определяют угловое расхождение между нормалью и оптической осью сенсорной системы и сопоставляют его с пороговым углом для определения того, перпендикулярна ли поверхность области оси сенсорной системы. Если угловое расхождение больше, чем пороговый угол, вычисляют набор параметров переставления, используя позицию оси двигателя для вращения объекта для достижения нового угла расхождения, меньшего, чем упомянутый пороговый угол; и перемещают объект для переставления упомянутой области в зоне обзора после того, как вращение сместило упомянутую область. Технический результат - улучшение качества топографии объектов произвольной формы за счет их позиционирования. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 14 ил.

Способ визуально-оптического контроля поверхности глазом или с помощью микроскопа заключается в том, что между эталонной и контролируемой поверхностями помещают слой жидкости толщиной не более 10 мкм с показателем преломления больше, чем у контактирующих с ней оптических деталей, вводят в этот слой лазерное излучение, идущее по слою с полным внутренним отражением, и наблюдают свет, сконцентрированный и рассеянный на аномалиях и дефектах поверхности. В слой жидкости может быть введено поляризованное лазерное излучение, а наблюдают рассеянный от аномалий и дефектов свет через скрещенный по поляризации анализатор. Технический результат - возможность фиксировать наличие локальных аномалий поверхности глубиной меньше 0,05 мкм на больших площадях и без дорогостоящего оборудования. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

(57) Способ осуществляют при помощи устройства (10), содержащего датчик изображений, световой источник (26) освещения и средства (18, 22) относительного перемещения датчика (24) изображений, светового источника (26) и механической детали (14). Осуществляют трехмерную съемку поверхности детали, определяют разбивку поверхности детали на зоны, определяют траекторию датчика изображений и светового источника относительно детали и получают изображения упомянутых зон поверхности детали. Дополнительно эти изображения анализируют и определяют зоны сильно или слабо экспонированные; оптимизируют оптические параметры получения изображений этих зон и определяют вторую разбивку поверхности детали с учетом оптимизации упомянутых оптических параметров; определяют новую траекторию датчика изображений и светового источника для получения изображения поверхности детали с использованием второй разбивки и оптимизированных оптических параметров; получают изображения этих зон при новой траектории и эти изображения записывают в память; автоматически определяют возможные дефекты поверхности детали в записанных изображениях и сравнивают их с известными дефектами, записанными в базе данных. Технический результат - обеспечение автоматической обработки и оптимизация полученных изображений. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство относится к средствам контроля геометрических параметров макродефектов внутренней поверхности труб, например, нефтяного сортамента. Заявленное устройство контроля макродефектов на внутренней поверхности труб содержит излучатель, приемник излучения, цилиндрический корпус направляющую трубу, механически связанную с электроприводом и установленную вдоль оси корпуса, концевой выключатель, блок управления, блок питания, связанный через блок управления с концевым выключателем, при этом на внутренней поверхности цилиндрического корпуса выполнены симметричные пазы, в каждый из которых установлены четыре пары направляющих роликов с шагом в 90°, ось каждого ролика жестко связана с кронштейном, имеющим возможность перемещения вдоль нормали к поверхности цилиндрического корпуса, при этом каждый кронштейн подпружинен относительно цилиндрического корпуса, другой конец пружины опирается на датчик давления, направляющая труба установлена с помощью подшипников в цилиндрическом корпусе с возможностью вращательного движения, направляющая труба и цилиндрический корпус связаны между собой зубчатой парой, одно из колес которой связано с электроприводом, на одной оси с корпусом установлен с возможностью осевого перемещения шток, опирающийся на пружину, второй конец пружины опирается на датчик давления установленный на фланце цилиндрического корпуса, при этом на части штока, находящейся вне внутренности цилиндрического корпуса, концевой выключатель установлен на штоке вне корпуса и касается торца контролируемой трубы, на торце направляющей трубы укреплен излучатель, перед излучателем размещена мембрана, в которой выполнены параллельные щели, имеющая угол наклона в сторону приемника излучения, в направляющей трубе выполнено окно между мембраной и приемником излучения. Технический результат заключается в определении геометрических параметров макродефектов на поверхности труб, имеющих различную цветность при обеспечении высокой достоверности результатов контроля. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности объектов относится к информационно-измерительной технике. При измерении шероховатости направляют на измеряемую поверхность пучок зондирующего излучения, формируют область освещенной излучением поверхности, измеряют характеристики отраженного излучения, изменяют размер освещающего пятна х на измеряемой поверхности в диапазоне от 0 до L, определяют функцию распределения среднеквадратического отклонения высоты шероховатости зависимости Rq(x) и ее производную Rq'x(x), при этом среднеарифметическое значение высоты шероховатости определяется по формуле: R a = 1 L ∫ 0 L R q 2 ( x ) + 2 R q ( x ) R q x ' ( x ) x d x ,                           ( 1 ) причем поверхность освещают поочередно на двух длинах волн, регистрируют в направлении зеркального отражения оптические изображения освещаемых областей поверхности объекта, а среднеквадратическое значение высоты неровностей Rq определяют по формуле: R q = λ 1 λ 2 π cos ψ ⋅ − ln k 12 + ln a λ 1 2 − λ 2 2 ,                     ( 2 ) k12 - отношение видеосигналов для всех элементов; i и j изображений; uij - величины видеосигналов изображений, полученных на длинах волн λ1 и λ2; ψ - угол освещения пластины; N - число элементов в строке изображения поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта; K - число строк в изображении поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта. Технический результат - измерение шероховатости поверхности при освещении ее излучением на двух длинах волн. 1 ил.

Изобретение относится к технике проведения измерений и определения отклонений от плоскостности плоских поверхностей различной площади и протяженности, в частности поверочных, монтажных и разметочных плит, элементов технологического оборудования и устройств, требующих обеспечения плоскостности или горизонтальности установки. Изобретение может быть использовано в различных отраслях машиностроения, в частности химической и нефтегазовой. Способ измерения отклонения от плоскостности включает установку на рабочую поверхность плиты измерительного устройства, содержащего излучающий прибор, в качестве которого используют ротационный лазерный нивелир, создающий вспомогательную видимую плоскость, образованную при вращении в горизонтальной плоскости лазерного луча нивелира, и принимающий прибор, в качестве которого используют приемник лазерного излучения с цифровой индикацией значений отклонений, предварительно однократно настроив принимающий прибор на эталонной горизонтальной плите, перемещая его в вертикальном направлении до совмещения нулевой метки на фотоприемнике со вспомогательной видимой плоскостью излучающего прибора, а отклонение рабочей поверхности плиты от плоскостности определяется расстоянием между вспомогательной видимой плоскостью и нулевой меткой на фотоприемнике принимающего прибора. Технический результат - повышение точности измерения отклонений поверхности от плоскостности и упрощении способа измерений. 2 ил.

Изобретение относится к способам определения складок. Устройство определения складок включает в себя: световой проектор, который при перемещении относительно многослойного объекта, сформированного посредством укладки электродов и сепараторов, проецирует щелевой свет на крайний внешний из сепараторов, также свет проецируется на камеру, которая выполняет съемку формы щелевого света на сепараторе; и модуль управления, который вычисляет градиент сепаратора на основе отснятой формы щелевого света и определяет наличие складки на основе вычисленного градиента. Технический результат - возможность идентификации складок на основе ее градиента. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области материаловедения и может использоваться для оценки микронеровностей на плоских поверхностях без применения специальных дорогостоящих измерительных средств. Предлагаемый способ включает типовое измерение коэффициента f трения качения для стальных шариков разного диаметра D по наклону изучаемой поверхности и расчет глубины h лунки смятия для них по формуле h=0,25·D·f2. Высота микронеровностей оценивается в виде предела, к которому стремится расчетная глубина лунки смятия при уменьшении диаметра шариков. Технический результат - упрощение способа оценки микронеровностей. 3 ил.
Наверх