Способ фрактального контроля шероховатости поверхности

Авторы патента:

Абульханов Станислав Рафаелевич (RU)

Подлипнов Владимир Владимирович (RU)

G01N21/88 - выявление дефектов, трещин или загрязнений

G01B11/30 - для измерения шероховатости или неровностей поверхностей

Владельцы патента RU 2601531:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем обработки изображений Российской академии наук (ИСОИ РАН) (RU)

Изобретение относится к средствам контроля микронеровностей поверхностей, полученных в результате воздействия машиностроительных технологических операций на шероховатую поверхность. Исследуемую поверхность очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности, сразу после очистки на поверхность наносят жидкость в виде капли фиксированного объема. Посредством скоростной цифровой видеокамеры регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли и убирают скоростную цифровую видеокамеру, затем над каплей устанавливают импульсный источник света и производят кратковременный световой импульс. Убирают импульсный источник света и видеокамерой регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, нагретой световым импульсом, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли, нагретой световым импульсом. По полученным данным определяют фрактальную размерность исследуемой шероховатой поверхности. Изобретение обеспечивает повышение точности контроля уровня шероховатости поверхности и расширение диапазона исследуемых материалов. 1 ил.

Известен способ капиллярной дефектоскопии, включающий в различных вариантах следующие основные операции: пропитку деталей в индикаторном (ярко окрашенном или люминесцирующем) растворе с целью заполнения полостей дефектов и пространства между неровностями, удаления раствора с поверхности детали, проявления дефектов и выявления следов дефектов. Проявление дефектов осуществляется обычно порошками, наносимыми на поверхность детали и впитывающими индикаторный раствор из полостей дефектов [Назаров С.Т. Методы контроля качества сварных соединений. М.: Машиностроение. - 360 с; Гурвич А.К. Неразрушающий контроль. Книга 1. Общие вопросы. Контроль проникающими веществами. / А.К. Гурвич, И.Н. Ермолов, С.Г. Сажин. Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высшая школа, 1992. - 242 с.].

Недостатком данного способа является ограничение точности контроля шероховатости поверхности, обусловленное вязкостью используемого индикаторного раствора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ контроля шероховатости поверхности диэлектрических подложек по патенту RU №2331870 С2 от 17.07.2006, опубл. 20.08.2008, МПК G01N 21/88, заключающийся в том, что исследуемую поверхность подложки очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала подложки. Сразу после очистки подложку располагают горизонтально и на ее поверхность с высоты не менее 6 мм и не более 22 мм наносят каплю жидкости фиксированного объема. Определяют время растекания капли жидкости по поверхности подложки от момента касания капли жидкости поверхности подложки до прекращения движения жидкости по поверхности. Шероховатость контролируемой поверхности подложки определяют путем сопоставления полученного значения времени растекания капли жидкости по поверхности подложки с предварительно замеренной калибровочной зависимостью.

Недостатком данного способа является ограничение точности контроля шероховатости поверхности, обусловленное вязкостью жидкости, используемой для формирования капли.

Поставлена задача: повысить точность контроля уровня шероховатости поверхности, расширив при этом диапазон исследуемых материалов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что исследуемую поверхность очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности, сразу после очистки на поверхность наносят жидкость в виде капли фиксированного объема, посредством скоростной цифровой видеосъемки фиксируют время растекания капли жидкости по поверхности, затем определяют шероховатость исследуемой поверхности, согласно заявляемому изобретению посредством скоростной цифровой видеокамеры регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли и убирают скоростную цифровую видеокамеру, затем над каплей устанавливают импульсный источник света и производят кратковременный световой импульс, в дальнейшем убирают импульсный источник света и помещают в исходное положение скоростную цифровую видеокамеру, которой регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, нагретой световым импульсом, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли, нагретой световым импульсом; по полученным данным определяют фрактальную размерность D исследуемой шероховатой поверхности:

D=2·log_a(G_длина1/G_длина2).

Здесь а=(G_{площадь1}/G_{площадь2}), где G_длина1 - длина периметра растекшейся капли; G_длина2 - длина периметра растекшейся капли после нагрева; G_{площадь1} - площадь растекшейся капли; G_{площадь2} - площадь растекшейся капли после нагрева.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена блок-схема устройства для фрактального контроля шероховатости поверхности. Устройство состоит из источника света 1, фильтра 2 инфракрасного излучения, регулируемого источника питания 3 осветителя, дозатора 4 капель рабочей жидкости, направляющей иглы 5 дозатора капель рабочей жидкости, скоростной видеокамеры 6, записывающего устройства 7, исследуемой поверхности 8, капли 9 жидкости фиксированного объема, импульсного источника 10 света, дифракционного оптического элемента 11.

Способ осуществляется следующим образом.

Исследуемую поверхность 8 очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности 8, сразу после очистки на исследуемую поверхность 8 наносят жидкость в виде капли 9 жидкости фиксированного объема, затем посредством скоростной цифровой видеокамеры 6 регистрируют время растекания капли 9 жидкости фиксированного объема по поверхности и определяют шероховатость исследуемой поверхности 8. Для этого предварительно посредством скоростной цифровой видеокамеры 6 регистрируют момент окончания растекания капли 9 жидкости фиксированного объема, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли 9 фиксированного объема и убирают скоростную цифровую видеокамеру 6, затем над каплей 9 жидкости фиксированного объема устанавливают импульсный источник 10 света и производят кратковременный световой импульс, в дальнейшем убирают импульсный источник 10 света и помещают в исходное положение скоростную цифровую видеокамеру 6, посредством которой регистрируют момент окончания растекания капли 9 жидкости фиксированного объема, нагретой световым импульсом. Далее определяют периметр и площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема, нагретой световым импульсом. По полученным данным определяют фрактальную размерность D исследуемой поверхности 8:

D=2·log_a(G_длина1/G_длина2),

где а=(G_{площадь1}/G_{площадь2}), где G_длина1 - длина периметра растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема; G_длина2 - длина периметра растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема после нагрева; G_{площадь1} - площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема; G_{площадь2} - площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема после нагрева.

В результате сформированного импульсным источником 10 света кратковременного освещения растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема и прилегающих к ней фрагментов исследуемой поверхности 8 происходит нагрев вещества капли 9 жидкости фиксированного объема. Повышение температуры вещества капли 9 жидкости фиксированного объема приводит к изменению вязкости жидкости. Например, при использовании воды в качестве вещества капли 9 жидкости фиксированного объема вязкость при нагреве уменьшается [http://ru.wikipedia.org/wiki/Вязкость], в результате чего капля 9 жидкости фиксированного объема начинает вновь растекаться по исследуемой поверхности 8.

Материал исследуемой поверхности 8 обладает значительно большей массой, чем масса капли 9 жидкости фиксированного объема, поэтому теплоемкость исследуемой поверхности 8 намного больше теплоемкости капли 9 жидкости фиксированного объема. По этой причине световой импульс, сформированный импульсным источником 10 света, практически не приводит к изменению температуры материала исследуемой поверхности 8.

Метод определения фрактальной размерности основан на подсчете соотношения между периметром и площадью растекшейся капли. Такое соотношение применяют для оценки размерности фрактальной кривой, ограничивающей исследуемую область. Согласно фрактальной геометрии [Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. - М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - 656 с.] такая зависимость дается законом Мандельброта:

Здесь G_длина - длина кривой (периметра капли), измеренная с шагом G, G_{площадь} - площадь, ограниченная кривой (площадь капли), измеренная с шагом G², D - фрактальная размерность рассматриваемой разветвленной структуры, Cη - типичный во фрактальной геометрии неопределенный множитель.

По результатам двух измерений периметра растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема получаем систему двух уравнений:

Здесь G_длина1 - длина периметра растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема; G_длина2 - длина периметра растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема после нагрева; G_{площадь1} - площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема; С_{площадь2} - площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема после нагрева.

Из системы уравнений (2) следует, что

где основание логарифма а=(G_{площадь1}/G_{площадь2}).

В этом случае изменение вязкости вещества капли 9 жидкости фиксированного объема может рассматриваться как изменение шага покрытия при определении фрактальной размерности.

Геометрия растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема регистрируется посредством скоростной видеокамеры 6 и записывающего устройства 7. Затем определяется периметр и площадь капли 9 жидкости фиксированного объема путем использования методов цифровой обработки изображений [Сойфер В.А. Методы компьютерной обработки изображений. М.: Физматлит, 2003. - 784 с.].

Исследуемая поверхность 8 может иметь различный угол наклона относительно линии горизонта. Наибольший угол наклона исследуемой поверхности 8 определяется экспериментально и выбирается таким образом, чтобы капля 9 жидкости фиксированного объема не могла скатиться с исследуемой поверхности 8.

Дифракционный оптический элемент (ДОЭ) 11 необходим для обеспечения равномерного распределения плотности света над растекшейся каплей 9 жидкости фиксированного объема. Синтез ДОЭ с заданными свойствами может быть реализован в соответствии с [Сойфер В.А. Методы компьютерной оптики. М.: «Физматлит», 2003. - 688 с.].

Пример. В качестве исследуемой поверхности использована подложка типа СТ-50, в качестве жидкости - дистиллированная вода. Очистка исследуемой поверхности осуществлена плазмохимическим травлением в среде аргона на установке травления пластин УТП. ПДЭ-125-008. Сразу после очистки с помощью дозатора нанесена капля дистиллированной воды на горизонтально расположенную исследуемую поверхность. Момент окончания растекания капли зарегистрирован системой скоростной цифровой видеосъемки на базе камеры VS-FAST со скоростью 1000 кадров/с. Растекшаяся капля воды фиксированного объема освещена одним импульсом фотовспышки ФИЛ-100, которая позволяет формировать длительность светового импульса - 1/500 с, при этом энергия вспышки составляет 68 Дж.

Фрактальная размерность уровня шероховатости исследуемой поверхности по формуле (3) составила 1,72.

Способ фрактального контроля шероховатости поверхности, заключающийся в том, что исследуемую поверхность очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности, сразу после очистки на исследуемую поверхность наносят жидкость в виде капли фиксированного объема, посредством скоростной цифровой видеосъемки фиксируют время растекания капли жидкости по поверхности, затем определяют шероховатость исследуемой поверхности, отличающийся тем, что посредством скоростной цифровой видеокамеры регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли и убирают скоростную цифровую видеокамеру, затем над каплей устанавливают импульсный источник света и производят кратковременный световой импульс, в дальнейшем убирают импульсный источник света и помещают в исходное положение скоростную цифровую видеокамеру, которой регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, нагретой световым импульсом, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли, нагретой световым импульсом; по полученным данным определяется фрактальная размерность D исследуемой шероховатой поверхности:

где a=(G_{площадь1}/G_{площадь2}), где G_длина1 - длина периметра растекшейся капли; G_длина2 - длина периметра растекшейся капли после нагрева; G_{площадь1} - площадь растекшейся капли; G_{площадь2} - площадь растекшейся капли после нагрева.

Изобретение относится к области бесконтактного неразрушающего контроля и касается тепловизионной дефектоскопической системы. Система включает в себя тепловизионное устройство и светодиодный излучатель для нагрева контролируемого объекта, соединенные с блоком управления, а также два светочувствительных элемента.

Способ диагностики дефектов на металлических поверхностях // 2581441

Изобретение относится к способам обнаружения дефектов и трещин на поверхности металлического оборудования и трубопроводов. На поверхность контролируемого объекта последовательно наносят в направлении от большего к меньшему диаметру суспензию наночастиц металла, обладающих свойством фотолюминесценции, имеющих сферическую форму и разный условный диаметр.

Способ автоматизации метода визуального и измерительного контроля поверхности труб и устройство для его осуществления // 2571159

Изобретение относится к области диагностики нефтегазопроводов и предназначено для автоматизации метода визуального и измерительного контроля поверхности труб, с целью определения безопасного рабочего давления и принятия решения о необходимом виде ремонта поверхности стенки труб.

Обследование лопастей винта // 2571070

Группа изобретений относится к способу оптического обследования ветроэнергетической установки или части от нее, в частности лопасти винта, и обследующему устройству для осуществления данного способа.

Способ определения микровключений примесей в порошковых органических люминофорах // 2544047

Изобретение предназначено для определения содержания примесей в порошковых органических материалах. Способ основан на определении доли частиц в препарате, цвет которых отличен от цвета частиц основного вещества препарата при освещении его как видимым, так и ультрафиолетовым излучением.

Способ контроля ширины элементов топологии // 2533097

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для проверки топологии фотошаблонов, печатных плат, микросхем на наличие дефектов.

Анализ поверхности для обнаружения закрытых отверстий и устройство // 2532616

Способ анализа поверхности подлежащих открыванию по меньшей мере частично закрытых отверстий конструктивного элемента после нанесения покрытия, в котором конструктивный элемент измеряют с незакрытыми отверстиями в состоянии без покрытия и генерируют модель маски с помощью измерения посредством лазерной триангуляции.

Устройство для проведения эксплуатационного мониторинга низконапорных земляных плотин // 2531209

Изобретение относится к гидротехническому строительству. Устройство включает раму 1, антенные блоки 6, расположенные по периметру рамы 1, и датчик движения 5.

Способ диагностики дефектов на металлических поверхностях // 2522709

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и предназначено для определения дефектов и трещин на поверхности металлического оборудования и трубопроводов.

Способ контроля внешнего композиционного армирования строительных конструкций // 2519843

Изобретение относится к области разработки, производства и монтажа строительных конструкций преимущественно из бетона, покрытого армирующим композиционным материалом.

Видеоизмерительное устройство для контроля неровностей внутренней вертикальной цилиндрической поверхности // 2584370

Изобретение относится к области измерительной техники и может служить для бесконтактного автоматизированного контроля неровностей внутренней вертикальной цилиндрической поверхности, например ракетной шахты.

Профилемер с использованием оптических волокон // 2582497

Изобретение относится к устройствам для внутритрубного контроля трубопроводов и может быть использовано для диагностики трубопроводов среднего диаметра, а также составления профиля трубопровода.

Способ упрощенной оценки высоты микронеровностей (шероховатости) на плоских поверхностях // 2568145

Изобретение относится к области материаловедения и может использоваться для оценки микронеровностей на плоских поверхностях без применения специальных дорогостоящих измерительных средств.

Устройство определения складок и способ определения складок // 2564369

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.

Способ измерения отклонений от плоскостности // 2550317

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.

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности // 2535519

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.

Устройство контроля макродефектов на внутренней поверхности труб // 2531037

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.

Способ неразрушающего контроля механической детали // 2518288

(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 // 2502954

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.

Получение топографии объектов, имеющих произвольную геометрическую форму // 2502953

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.

Способ бесконтактного определения рельефа поверхности материалов // 2606703

Изобретение относится к области метрологии, в частности к системам для определения положения неровностей поверхности, их размеров и количества на расстоянии. Заявленный способ бесконтактного определения рельефа поверхности материалов включает получение информации об объекте с помощью считывающего устройства, обработку информации путем формирования универсальной матрицы поверхности, состоящей из информационных ячеек, содержащих информацию об эталонных и фактических координатах меток поверхности. При этом дополнительно формируют колористическую матрицу путем считывания информации с поверхности, освещенной двумя встречными световыми потоками с различной длиной волны, направленными к ней под острыми углами, информацию идентифицируют в соответствии с последовательностью цветов «первый цвет - смешение первого и второго цвета - второй цвет» как выпуклость на поверхности объекта, а последовательность «первый цвет - отсутствие цвета - второй цвет» как углубление на поверхности объекта. Далее колористическую матрицу поверхности объекта накладывают на универсальную матрицу поверхности и фактическую матрицу объекта и получают топографическую карту поверхности объекта, затем по информации об эталонных координатах каждой метки, содержащейся в универсальной матрице поверхности, определяют размеры идентифицированных выпуклостей и углублений на поверхности объекта и рассчитывают их высоту, глубину и количество. Технический результат - расширение и уточнение показателей, характеризующих сложную поверхность. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.