Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности



Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности
Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности
Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности
Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности

 


Владельцы патента RU 2535519:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") (RU)

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.

 

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности объектов относится к области информационно-измерительной техники и может быть использован для дистанционного измерения высоты шероховатости металлических и диэлектрических материалов.

Известен способ определения качества поверхности [Способ определения качества поверхности. Патент 2217697, Россия, МКИ G01B 11/30.- заявл. 8.07.2002 г., опубл. 27.11.2003 г.], основанный на формировании монохроматического зондирующего светового пучка, подаче сформированного пучка на поверхность объекта для получения зеркальной и диффузной компонент отраженного от поверхности объекта светового излучения, преобразовании отраженных от поверхности объекта зеркальной и диффузной компонент светового излучения в фототоки путем их подачи для последующей обработки на устройство преобразования светового излучения в фототок. Перед подачей на поверхность объекта зондирующего светового пучка из последнего выделяют часть излучения для формирования опорного светового пучка, "вырезают" парные импульсы равной длительности из опорного пучка и отраженной от поверхности объекта диффузной составляющей и из опорного пучка и отраженной от поверхности объекта зеркальной составляющей, полученные импульсы попарно-поочередно-последовательно подают на устройство преобразования светового излучения в фототек, а качество поверхности объекта - параметр Rq - определяют по формуле.

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет измерять основной параметр шероховатости - то есть среднеарифметическое значение высот шероховатостей.

Также известен способ измерения шероховатости сверхгладких поверхностей [Hildebrand B.P., Gordon R.L., Alien E.V. Instrument for measuring the Roughness of supersmooth surfaces. - Applied Optic, 1974, v.13, 1, p.177-180], заключающийся в том, что освещают поверхность изделия под острым углом параллельным пучком монохроматического излучения, определяют интенсивность излучения, отраженного от поверхности в зеркальном направлении и в направлении, отличном от зеркального, и по отношению интенсивностей определяют среднеквадратическое отклонение высот неровностей - параметр Rq.

Недостатком этого способа является то, что в нем теряется информация о затенении элементов шероховатости поверхности, что приводит к росту погрешности измерений.

Наиболее близким, по сути к достигаемому результату, является выбранный в качестве прототипа способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности (патент РФ №2380655 кл. G01B 11/00), заключающийся в том, что задают максимальный размер L пятна на измеряемой поверхности, направляют на нее пучок зондирующего излучения, формируют пятно, измеряют характеристики отраженного излучения, по которому определяют среднеквадратическое значение высоты шероховатости Rq, отличающийся тем, что изменяют размер пятна х на измеряемой поверхности в диапазоне от 0 до L, определяют функцию зависимости Rq(x) и ее производную Rq'(x), а качество поверхности - параметр Ra определяет по формуле

.

Недостатком данного метода является отсутствие физического обоснования однозначной зависимости среднеквадратического значения высоты неровности поверхности объекта от характеристик отраженного излучения.

Задачей, на решение которой направлен заявленный способ, является разработка физически обоснованного способа измерения параметров шероховатости поверхности объектов на основе освещения поверхности двумя источниками подсветки при длине волн λ1 и λ2, регистрации изображений при этих подсветках и обработке зеркальных компонент отраженных видеосигналов изображений.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в создании физически обоснованного способа бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности на основе освещения ее излучением на двух длинах волн λ1 и λ2, приеме, регистрации и обработке двумерных картин поля зеркальных компонент отраженного излучения используемой поверхности.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности, заключающемся в том, что 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 Rq(x) и ее производную Rq'(x), при этом среднеарифметическое значение высоты шероховатости определяется по формуле:

согласно изобретению поверхность освещают поочередно на двух длинах волн λ1 и λ2, 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 )

где

k 12 = i = 1 N J = 1 K u i j ( 1 ) / N K i = 1 N J = 1 K u i j ( 2 ) / N K                                                                            ( 3 )

- отношение видеосигналов для всех элементов i и j изображений;

u i j ( 1 ) , u i j ( 2 ) - 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.

Для представления сути изобретения рассмотрим физическое обоснование способа бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности объектов.

На основании работы (см. «Оптика шероховатой поверхности». А.С. Топорец. - Л.: Машиностроение. - 1988 г.) интенсивность зеркально отраженного излучения шероховатой поверхности формируется следующим

образом:

I 0 ( λ ) = I 0 ( λ ) ρ ( λ ) exp π 2 h 2 cos ψ 2 λ 2 ,                                              ( 4 )

где I0 - интенсивность падающего пучка на длине волны λ; h - среднеквадратическая высота неровности; ψ - угол падения излучения на поверхность; ρ(λ) - коэффициент отражения поверхности на длине волны λ.

При освещении поверхности на двух длинах волн λ1 и λ2, приеме и регистрации интенсивности (изображения) зеркально отраженного излучения отношение величин видеосигналов uij1) и uij2) можно записать в виде:

k 12 = I 0 ( λ 1 ) I 0 ( λ 2 ) [ ρ ( λ 1 ) / ρ ( λ 2 ) ] exp π 2 h 2 cos ψ 2 λ 1 2 λ 2 2 ( λ 1 2 λ 2 2 )   .                              ( 5 )

Так как величины I01), I02), ρ(λ1) и ρ(λ2) априори известны, то (2) можно записать следующим образом:

где a - постоянная величина.

На основании (6) получаем:

В свою очередь, с использованием (7) среднеарифметическое значение высоты неровностей Ra находится по формуле:

R a = 1 L 0 L R q 2 ( x ) + 2 R q ( x ) R q x ' ( x ) x d x ,                                            ( 8 )

где Rq(x) и Rq'(x) - соответственно функция распределения среднеквадратического значения высоты неровности от размера освещающего пятна х и ее производная; L - диапазон изменения текущего размера х освещающего пучка. На Фиг.1 изображена схема работы способа. Схема включает исследуемый образец 1, источник излучения 2, спектральный фильтр 3, формирующую оптическую систему 4, цифровую видеокамеру 5.

Работа способа заключается в следующем: исследуемый образец 1 помещается на предметный стол микроскопа, затем устанавливается схема, состоящая из источника излучения 2, спектрального фильтра 3, формирующей оптической системы 4, через которую производится подсветка изучаемого объекта. В центр светового пятна направлен объектив цифровой видеокамеры 5, с помощью которой производится регистрация изображения на длине волны λ1. Затем эксперимент повторяется, при этом отличием является замена спектрального фильтра 3 и получение изображения на длине волны λ2. Полученные изображения на длинах волн λ1 и λ2 вводятся в ЭВМ, где производится обработка изображений по алгоритму согласно формулам (1)-(3). Далее, аналогичные измерения проводятся на других значениях параметра х до достижения x=L. Это выполняется с той целью, чтобы по формуле (8) с использованием значений Rq(x) и Rq'(x) определить среднеарифметическое значение шероховатости Ra.

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности может быть использован в оптических системах контроля и измерительной технике для измерения размеров неровностей деталей и изделий в оптическом приборостроении.

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности, заключающийся в том, что 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 значения 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 )
отличающийся тем, что поверхность освещают поочередно на двух длинах волн λ1 и λ2, 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 )
где
k 12 = i = 1 N J = 1 N u i j ( 1 ) / N K i = 1 N J = 1 N u i j ( 2 ) / N K                      ( 3 ) - 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; К - число строк в изображении поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта.



 

Похожие патенты:

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.

(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).

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.

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.

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.

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.

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

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 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.

Изобретение относится к устройствам для внутритрубного контроля трубопроводов и может быть использовано для диагностики трубопроводов среднего диаметра, а также составления профиля трубопровода. Заявленное изобретение, раскрывающее профилемер, содержит корпус, чувствительные средства измерения и средства обработки, анализа и хранения данных. При этом корпус имеет сферическую форму, а чувствительные средства измерения выполнены в виде широтно-долготной оптоволоконной сетки из многомодовых оптических волокон, средства обработки, анализа и хранения данных расположены внутри корпуса. Технический результат - возможность диагностики трубопроводов среднего диаметра. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может служить для бесконтактного автоматизированного контроля неровностей внутренней вертикальной цилиндрической поверхности, например ракетной шахты. Видеоизмерительное устройство для контроля неровностей внутренней вертикальной цилиндрической поверхности содержит телекамеру и экран, неподвижно закрепляемые над контролируемой поверхностью, и перемещаемый внутри этой поверхности корпус с закрепленными на нем визирными марками, находящимися в поле зрения телекамеры. При этом в корпусе устройства установлена вертикальная полая ось и связанные с ней шаговый двигатель и датчик угла. Внутри полой оси установлен лазерный дальномер, на полой оси закреплено вращаемое зеркало и параллельно с ним, когда оно находится в исходном угловом положении, установлено неподвижное зеркало. Кроме того, когда вращаемое зеркало находится в исходном положении, луч лазерного дальномера отклоняется в горизонтальном направлении на неподвижное зеркало, отклоняющее его в вертикальном направлении на экран, а при других положениях вращаемого зеркала луч лазерного дальномера направляется в горизонтальной плоскости на контролируемую поверхность. Технический результат - повышение точности измерений. 2 ил.
Наверх