Способ бесконтактного определения параметров шероховатости поверхности

+ СОКИ СОВЕТСНИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН а 1 й(51)5 О 01 В 1130 ГОС АРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО И БРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ ПРИ НТ СССР Н ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) НИЯ НОСТ (57) тель ких мене. рии,обретение относится к измерительехнике в области геофизическихдований и может найти применениеешения задач профилометрии, т,е.где необходима информация о парах шероховатости поверхности,тности в океанологии, в диагносельско-.,оэяйственных ресурсов,ении проблем загрязнения воднойи в других областяХ, где возможстанционное зондирование поверхЗемли с помоШью спутников, саов, вертолетов и других аэрокоских средств,ь изобретения - повышение произ".ельности и информативности спосоной иссл для там, раме в ча стик в ресрено дностмолемичеЦводи) Океанологии им. П. Н. Юиршова СР, И., 1980, с. 216-223. СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕЛЕЛЕРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХИзобретение относится к измериой технике в области геофизичессследований и может найти приие для решения задач профилометт,е. там, где необходима инфор 2мация о параметрах шероховатости поверхности. Цель изобретения - повыше ние производительности и информативности способа за счет расширения функциональных возможностей определения статистических свойств шероховатой поверхности и ускорения обработки большого объема информации для быстрого получения значения среднеквадратичной величины высоты угла наклона,а также о Функциях распределения .по углам наклона, высоте и периодичности шероховатости. Способ заключается в измерении временной зависимости обратнорассеянного импульсного сигнала пикосекундной длительности от шероховатой поверхности и определении по форме принятого сигнала свойств характерных статистических параметров шероховатости исследуемой поверхности. б ил. ба за счет расширения Функциональных воэможностей определения статистических свойств шероховатой поверхности и ускорения обработки большогообъема информации для быстрого получения эна. чения среднеквадратичных величин высоты, угла наклона, а также о Функциях распределения по углам наклона, высоте и периодичности шероховатости,На Фиг. 1 представлена диаграмма пространственного распределения импульсного сигнала широко расходящегося лазерного пучка в Фиксированный момент времени по отношению к облучаемой поверхности, на Фиг. 2 - диаграм" ма пространственного распределения(1) т,е. кривизна поверхности в пределах первой зоны Френеля должна слабо " искажать Аазовыи Фронт отраженноин 55 волны, Обратнорассеянное оптическое излучение, отраженное от зеркальных точек в сторону приемного устройства,сигнала широко расходящегося лазерного пучка в момент времени пересечениясАерическим Фронтом облучаемой поверхности; на фиг. 3 - диаграмма ори 5ентации широко расходящегося лазерногопучка по отношению к облучаемой поверхности при измерении среднеквадратичного угла наклона шероховатости;на фиг. 4 - диаграмма ориентации узко го параллельного лазерного пучка поотношению к облучаемой поверхностипри измерении среднеквадратичной высоты шероховатости; на фиг. 5 - диаграмма ориентации широкого направленного импульсного лазерного пучка поотношению к периодичности шероховатойповерхности при измерении периода шероховатости; на фиг. 6 - структурнаясхема устройства, реализующего предлагаемый способ.Устройство содержит лазер 1, преобразователь 2 ширины угловой расходимости пучка и регулятор угла наклонаот пучка, который может быть выполнен 25в виде комбинации известных элементовоптики, таких, например, как выпуклыеили вогнутые зеркальные линзы и плоские зеркала. Устройство включает также полупрозрачное отклоняющее зеркало 303, устройство 4 регистрации, выполненное в виде электронно-оптического пре"образователя, аттенюатор 5 и исследуемую поверхность б,Предлагаемый способ осуществляютследующим образом,Шероховатая поверхность с крупномасштабными неоднородностями освещается приподнятым лазерным пучком пикосекундной длительности (Фиг. 1). Понятие "крупномасштабность" подразумевает, что имеют место все необходимыеусловия для применения метода геометрической оптики, т.е. угол скольженияоптической волнык поверхности исредний радиус кривизны должны удовлетворять условию совмещенного пространственно с источником излучения, Аормирует на входе приемника импульсный сигнал, временные характеристики которого (огибающая по времени, ее Форма, длительность и т,д.) служат источником информации о характере шероховатости поверхности.Пространственная полуширина пико- секундного импульса (, = 10 с)С ьц . О а12 = фь 1 510 101,510 см,Эта величина соответствует ширине импульса засветки при обратном рассеянии, который движется в сторону рассеивающей поверхности. Для сферической волны слой засветки имеет сферическую форму с центром в точке координат источника. Внешние нормали в сторону движения (фиг. 1) слоя проти-. воположны нормали к поверхности в точках обратного (зеркального) отражения. Скорость слоя засветки равна ЧС-- где С - скорость света. Включение обратнорассеянного излучения происходит в момент пересечения слоя засветки поверхности рассеяния, причем интенсивность обратного рассеяния в данном направлении пропорциональна числу зеркальных точек определения в области пересечения, имеющих нормаль, направленную в точку приема, т.е. временная огибающая обратнорассеянного сигнала пропорциональна значению Функции распределения углов наклона шероховатости (статистической функции распределения) при Фиксированном,угле рассеяния в точку приема, причем эта огибающая тем точнее повторяет Функцию распределения, чем тоньше слой засветки.Для определения Функции распределения по углам наклона шероховатости необходимо осветить шероховатую поверхность широким лазерным пучком (фиг. 3). Временная огибающая интенсивности обратнорассеянного пикосекундного импульса будет описывать функцию распределения по углам наклона шероховатой поверхности (гистограм му). Прн этом Функция распределения определяется по Формуле1608426 бредатчика) относительно уровня поверхности,(г) гд 1 ееСс (Щ 1 щ) СОВ 6 1- интенсивность рассеянногосигнала - функция от момента включения рассеянного излучения;- угол прихода рассеянногосигнала в точку приема,которую можно рассматривать как обратную функциювремя отсчета Ьй. При этом имеет место так называеошибка дискретизации при иэмереФункции распределения по углам лона поверхности, которая обуслова тем, что область пересечения нта сферической волны с полосой, на ширине удвоенной средней квадраной ширины шероховатости (фиг. 2),ма ни на ле Фр ра ти 1 нтервал дискретизации, определя" из геометрических условий (Фиг,2),н емь рав ЭО Ь ъ са 8 ) (4)2(Ь ) С Ь) - среднеквадратичная ширинашероховатости;Н - высота приемника, передатчика.1 ри малых углах 9 , где 9 " Дгде тобы можно было пренебречь ошибдискретиэации, должно выполнятьсявие кой усл Д сс сц) с 1) сСКВ ) - среднеквадратичный тангенс угла наклона. 50(10) где словие (6) означает, что в предеинтервала дискретизации угол расия в точку приема меняется несувенно и Функция распределения тически постояйна. Выполнения уся (6) можно всегда добиться над-щим выбором высоты приемника (пелах сея щесепралов леж(5) При этом должно выполняться услот.е. если имеют место (6) и (7), ошиб-.кой дискретизации можно пренебречь.В реальных ситуациях значение среднеквадратичного тангенса угла наклона Сйд 6 много меньше единицы, так 15что ( Сд 9Я тогда нормированО%ная огибающая, определяемая по Формуле (3), может быть представлена ввиде 20 Е В Е ав .1 НО / (О)Определив эффективную временную ширину Функции Е по уровню е , находят связь между параметром О,ивеширнной длительности импульса огибающей по уровню е при строго нормальном распределении 35 шероховатости по углам наклона сосреднеквадратичной величиной тангенсаугла наклона.Измерение условий функции распределения по высоте шероховатости, ко торая характеризует плотность распределения вероятности значения высотышероховатости в интервале высот ширины АЬ при условии, что угол наклонаповерхности равен, осуществляется 45 с применением направленных узких пучков (Фиг. 4), удовлетворяющих неравен- ству где а - радиус пучка;С Ь,) - среднеквадратичная высоташероховатости.55 Измерения следует модифицироватьследующим образом: осуществлять зондирование поверхности серией пикосе- .кундныХ импульсов и перемещать зондирующий пучок от импульса к импульсу(18) 1. = 2 Т/О параллельно самому себе вдоль поверхности с шагом а затем проводить усреднения значения огибающей по числу импульсов всоответствующие моменты (орни и те.же) времени, отсчитываемых от максимума значения огибающей в каждом случае. 11 равомерно допустить, что огибающая будет симметрична относительномомента времени Временная огибающая может описы вать плотность вероятности распределения.высот шероховатости в интервале при условии, что угол поверхности в точке падения тонкого пучка равен АЬ (фиг. 4), Усреднение огибающей по числуимпульсов дает требуемую плотность условной вероятности по высоте шероховатости при условии, что угол наклона поверхности равен 0 независимо от точки падения зондирующего 30 пучка.Таким образом, условная плотность вероятности распределения по Ь опреде ляется соотношением35 Ь 1 (Е, +Де) 1 (Ле) где 1 (Е) - интенсивность обратнорассеянного импульса (черта - знак усреднения поимпульсам),где Ь - приращение высоты от значения Е = О.Вводя условно полуширину длительно сти импульса по уровню едля (13), имеют связь(ЬЬ)б= С сов 9 00 е, (14) 55Для строго нормального закОна распределения для высоты среднеквадратич. ная высота шероховатости равна Определение периодичности шероховатости по временной огибающей обратнорассеянного пикосекундного импульса можно осуществить с помощьюнаправленного широкого лазерного пучка, наклоненного под углом к поверхности.Измеряемой величиной является период следования импульсов огибающей рассеянного излучения Т. Как показано в частном случае периодически не ровной поверхности, период шероховатости . связан с периодом излучения соотношением Рассмотрим случай синусоидальнойповерхности (Лиг. 5): Как видно из фиг. 5, при выбранныхуглах обратного рассеяния в каждоминтервале значений- 2 си (хс. - + 2 ц(с+И о( с,2 2 содержатся две зеркальные точки, расстояние между которыми вдоль лучевогораспространения определяется по формулеВгде х , г " координаты зеркальныхточек,а расстояние между соседними зеркальными точками вдоль оси, соответствующими одному и тому же индексу, равно Таким образом, сли ширина импульса засветки удовлетворяет неравенству15 и пер одом повторения 20 Где 1 Т =В 1 ПО, 2 Ьц Я Если что в огиба пульс сов о 30 Н+ 1 п начает цел где 1 пределяюние танге еальных ситуа ях, когда на пеется статистичесект может наающей, состоящей повторяющихся 4 этом необходи- условия ность накладывароховатость, эффься в виде огибпериодических риоди кая ш блюда бе- )(6) в вид импул мо, ч сных по обы вып ос, илняли гдее- ширина дл уровню е е - экспонен роизводят облу углом Ь к нортельности по функции Е(9 Ь ) з 1 п 6 сс,ь(22) 4 аэение поверхали серией оз 01,2 ти п учно пикосекункоторых мен где свсей ерхности плот отах с пе емеща асстоянииности изобр о р н и бес Спо параме заключтактного о оватости п делениярхности, 55 т исслелазерныменный ров шеро ющийся в поверхно 2 а/сов М ом, что облучають импульснымт пучок, отраж дуемую пучком инима 1 1,Ь з 1 пв, (19) иус пучка достаточно широк так,бающая обратнорассеянного пучкапредставлять собой цуг в виде 10ической последовательности сдвоимпульсов с временным расстояина цуга равна Т = + ц4 а СдО л еравенство (18) не выполнено, 25 зможно при малых 4 а йд 6, то щая сливается В непрерывный имОбщее число сдвоенных импульределяется формулой бки означают усреднение вдольверхности. Если периодичностьвует, полосы сливаются. от исследуемой поверхности в направлении облучающего пучка, регистрируютинтенсивность этого пучка в зависимости от времени регистрации и по огибающей полученной зависимости определяют параметры шероховатости поверхности, о т л и ч а ю щ н й с ятем, что, с целью повышения производительности и информативности способа,облучение производят пучком пикосекундной длительности, ориентируют еготак, что одна из границ пучка нормальна к исследуемой поверхности, определяют функцию 1(г) распределения по углам, наклона шероховатости по формуле К(,) 1 2 Н + Ь(В) /1 2 Н интенсивность отраженного пучка в точке регистрации;момент регистрации отраженного луча пучка, пришедшего в точку регистрации под углом О ; угол наклона отраженного луча пучка в текущий момент времени регистрации 1;расстояние от точки регистрации отраженных лучей пучка до исследуемой поверхности;скорость света,реднеквадратичное значеугла наклона по Формуле ков параллельных лучей длительности,диаметр .размера шероховатой по скости падения, которы импульса к импульсу на вдоль исследуемой пове где а - радиус пучка,усредняют функцию Г(1) по серии импульсов и получают ауиннию угф . сИ,м условной вероятности распределения по высоте шероховатости по формуле 5где ср " 2 Н/Ссов Ы,1 й(е)1 --- 1 - время прихода отраженного луча пучкав момент регистрацииаЬ (С) - высота освещаемойчасти шероховатостинад плоскостью поверхности в текущиймомент вермени реги. страции20(Ь - среднеквадратичнаявысота шероховатостис учетом которой определяют среднеквадратичную высоту шероховатости из соотношения-1сти по уровню е функ/ ДЬ (е) УсЪ (с 5 т) затем поверхность облучают пучком па-. раллельных лучей одинаковой пикосекундной длительности, диаметр которых больше или равен размеру шероховатой поверхности в плоскости падения, наклоненных под углом М к нормали, и оп" ределяют период шероховатости по формуле1 = (С )/(2 зЫьС),где Т 2 - период последовательностиимпульсов огибающей отраженного пучка в точке регистрации.1608426 Составитель Л. Лобзова СЬдактор А. Козориэ Техред М.Дидык Корректор С,Щевк Подписно ениям и откая наб.,Производственно-издательский комбинат "Патент",город, ул. Гагарина, 10 Заказ 3606ВНИИПИ Госуда Тираж 493венного комитета по изоб113035, Москва, Ж, Ра ытиям при ГКНТ СССР 4/5