Одномерные методы

16. Одномерные методы контроля формы. Триангуляционный, рефлектометрический, фокусировки, автоколлимационный, интерферометрический, дальнометрический методы.

Одномерные методы

К группе одномерных методов относятся: триангуляционный, фокусирования, автоколлимационный, рефлектометрический, интерферометрический, лазерно-акустический, дальнометрический

В триангуляционных методах для измерения геометрии объекта используется лазерный пучок, образующий световую точку на поверхности измеряемого объекта. Ее отражение принимается позиционным детектором, в качестве которых применяют ПЗС матрицы, ПЗС линейки и фотодиоды. Высота объекта относительно базовой плоскости вычисляется как функция от положения максимума отраженного пучка относительно детектора. Для получения полной информации о топографии поверхности объекта их перемещают в базовой плоскости помощью механического сканера по двум координатам.

Рефлектометрический метод

Принцип действия рефлектометрического метода основан на измерении световой энергии, попадающей из одного волоконного канала в другой за счет отражений от контролируемой поверхности и пропорциональной расстоянию от объекта до торца датчика, выполненного в виде концентрических пучков волокон. Излучаемый источником свет после отражения от объекта возвращается к фотодиоду.

Подобные датчики могут успешно работать в воздухе и в любой достаточно прозрачной и слаборассеивающей свет жидкости, в том числе различных агрессивных средах.

Схема рефлектометрического метода: 1 – источник света, 2 – объект, 3 – фотоприемник

Метод фокусировки

В методе фокусировки профиль поверхности вычисляется как функция от перемещения объектива, при этом объектив фокусируют на локальные неоднородности или на рисунок микрогеометрии поверхности объекта. При автоматической реализации метода встает вопрос о критерии точной фокусировки, что может вызывать неточность измерений.

Логический продолжением метода фокусировки является автоколлимационный метод.

Автоколлимационный метод

В автоколлимационном методе контроля также как и в методе фокусировки, профиль объекта вычисляется как функция от перемещения объектива. Отличие заключается в том, то на объект проецируется изображение яркой точки. Критерий точной фокусировки в этом случае – максимум сигнала фотодатчика,

который принимает отраженное изображение точки.

Например, оптическая система, простого автоколлиматора может содержать: осветитель, состоящий из лампы 1, линзы 2, зеркала 3 и диафрагмы 4, который формирует изображение точки с помощью зеркала 5 на объекте, которое фокусируется объективом, состоящим из линз 6,7. Если изображение точки сфокусировано, то в приемной части, состоящей из объектива 10, изображения будет резким и интенсивность его будет максимальной, что можно контролировать глазом или с помощью фотоэлемента

Интерферометрический метод

Принцип действия интерферометров основан на сравнении световых волн, получаемых при отражении когерентных пучков света от контролируемой и эталонной поверхности.

На рис. показана схема двулучевого интерферометра. Свет от источника 1 (лампа накаливания) проходит через конденсор 2 и диафрагму 3, зеркалом 4 делится на два когерентных пучка, которые фокусируются объективами 5 и 5' на эталонное зеркало 6 и контролируемую поверхность 7 соответственно.

После отражения от эталона и изделия пучок проходит через те же элементы схемы и фокусируется линзой 8 в плоскости диафрагмы 9, в которой с помощью окуляра 10 наблюдают интерференционную картину взаимодействия эталонного и рабочего пучков света.

При этом наблюдают полосы интерференции, искривленные в соответствии с профилем исследуемой поверхности.

Интерферометрические методы отличает высокая чувствительность, но они непригодны для контроля крупногабаритных изделий. Кроме этого расшифровка интерферограмм достаточно сложна.

Интерферометр Майкельсона

На рисунке показана принципиальная схема интерферометра Майкельсона, использующего стекло для разделения одиночного луча света на два луча, которые проходят по 2-м путям с прямым углом между ними, но с той же самой длиной. Если одно (подвижное) зеркало будет перемещено (DS), синий луч будет проходить более длинный путь, что занимает немного больше времени и вносит некоторые изменения в его фазу. Тем временем, красный луч идет по направлению к неподвижному зеркалу и не претерпевает изменения по фазе. Фазовый датчик может вычислить различие в фазах и вычислить дополнительное расстояние, которое прошел синий луч.

Интерферометр Майкельсона

Интерферометр Линника

Луч 1 после отражения от полупрозрачного зеркала и на обратном пути дважды проходит через пластину p1, "набирая" тем самым некоторую "лишнюю" разность хода. Для ее компенсации служит

пластина p2, изготовленная из того же материала, что и первая. Разумеется, эту "лишнюю разность хода"

можно было бы легко скомпенсировать простым перемещением зеркала, если бы не было дисперсии, зависимости коэффициента преломления от длины волны n(l). Применение компенсирующей пластины p1 позволяет осуществить такую компенсацию сразу для всех длин волн.

Образование интерференционной картины изображает укрупненный фрагмент рисунка слева вверху. Реальный луч 2 и его отражение от зеркала З можно заменить лучем 2' и его "отражением" от изображения зеркала З в полупрозрачном зеркале - З'. Это изображение и исследуемая поверхность образуют клин, пластину изменяющейся толщины. Через окуляр наблюдаются интерференционные линии равной толщины - прямые, направленные. И эти линии видны искривленными, если исследуемая поверхность не вполне

плоская. При "идеально" плоской поверхности это прямые линии.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО

Явление интерференции света лежит в основе многих высокоточных измерительных систем и датчиков перемещения. Использование оптических волокон позволяет сделать такие устройства чрезвычайно компактными и экономичными. Известны две основные схемы волоконно-оптических интерферометров: Маха-Цендера и Фабри-Перо. В волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо интерференция происходит на частично отражающем сколе волокна и внешнем отражателе. Размер чувствительного элемента датчика перемещений, основанного на этом принципе, сопоставим с диаметром волоконного световода, т.е. около 0,1 мм, а его чувствительность может достигать долей ангстрема. При этом сам чувствительный элемент помехоустойчив к внешним электромагнитным наводкам.

ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО

Интерферометр Жамена

Интерферометр Жамена состоит из двух одинаковых толстых пластин P1 и P2, изготовленных из

весьма однородного стекла (или кварца для работы в ультрафиолетовой области спектра). Задние поверхности пластин посеребрены. Пучок света от протяженного источника падает под углом, близким к 45 , на одну из пластин. В результате отражения от передней и задней поверхностей пластины P1

возникают два параллельнвх пучка, разделенных тем больше, чем толще пластина. Каждый из них в свою

очередь раздваивается при отражении от двух поверхностей пластины P2. Средние пучки 1 и

2 налагаются и образуют интерференционную картину в фокальной плоскости зрительной трубы T. При расположении между пластинами на их пути лучем емкости K1 и K2

с исследуемыми веществами оптическая разность хода изменится на (n2 - n1)l, что

смещение интерференционной

Интерферометр Физо

Пучок света от квазимонохроматического источника 1 (например, ртутной или натриевой лампы) собирается с помощью конденсора 2 на отверстии в диафрагме 3 и, отразившись от полупрозрачной гипотенузной грани призмы-куба 4 (или полупрозрачной пластины), падает на объектив 7.

Параллельный пучок лучей, вышедший из объектива 7, отражается от плоской поверхности образцовой пластины 8 и поверхности исследуемой детали 9. В воздушном промежутке между пластинами 8 и 9 возникает явление интерференции (образуются полосы равной толщины). Отраженные световые пучки на обратном пути проходят призму-куб 4, отражаются от грани призмы 5 и собираются в фокальной плоскости объектива 7. Интерференционную картину можно рассматривать с помощью окуляра 6. Плоскостность контролируемой детали оценивают по форме интерференционных полос. Их ширину и направление регулируют наклоном стола 10.

Если поверхность исследуемой детали идеально плоская, то интерференционные полосы будут прямолинейными. Нанося на поверхности образцовой пластины и детали высокоотражающие зеркальные покрытия, можно обеспечить получение очень резких многолучевых интерференционных полос, что позволяет измерить отклонение от плоскостности с погрешностью, составляющей единицы и доли нанометра.

Интерферометр Рождественского

Роль делителей пучков - внутренних граней пластин в интерферометре Жамена - играют здесь полуотражающие плоскопараллельные пластины A1 и B1, а посеребренных наружных граней пластин -

зеркала A2 и B2. Это позволяет без использования толстых пластин значительно раздвинуть пучки света и ввести кюветы K1 и K2, одна из которых окружена печью (для исследования паров металлов). Пластины A1, A2 и B1, B2 установлены попарно на общих основаниях строго параллельно. Блоки из A1, A2 и B1, B2

могут быть разнесены на значительное расстояние (м). Один из них наклоняется на небольшой угол поворотом вокруг горизонтальной оси. Поэтому, как и в интерферометре Жамена, наблюдаются горизонтальные полосы равного наклона.

На основе такого прибора Д.С. Рождественским в 1912 г. были выполнены классические исследования зависимости показателя преломления от длины волны вблизи линий поглощения в парах металлов.

Интерферометр Маха—Цендера

Австрийский физик Эрнст Мах, крупный исследователь процессов аэродинамики, сконструировал специальный интерферометр с широкими пучками и большим расстоянием между зеркалами для съёмки ударных волн и скачков уплотнения воздушных потоков, обтекающих различные тела. Показатель преломления воздуха в уплотнённом потоке выше, чем в невозмущённой среде.

Это отражается на форме линий интерференции.

Интерферометр Релея

Предназначен для измерения показателей преломления газов и жидкостей. Основан на использован метода деления волнового фронта. Источник в виде узкой щели S расположен в фокальной плоскости линзы L1. Выходящий из нее параллельный пучок идет через диафрагму с двумя щелями S1 и S2,

параллельными щели S. Пучки света от S1 и S2 проходят через кюветы K1 и K2 и образуют интерференционные полосы в фокальной плоскости линзы L2. Для этой цели удобен цилиндрический

окуляр в виде тонкой стеклянной палочки, ось которой параллельна полосам. Кюветы занимают только верхнюю половину пространства между линзами L1 и L2, а внизу свет

идет вне кювет. Благодаря этому возникает вторая система интерференционных полос с таким же расстоянием между полосами, которая может служить шкалой для отсчета. Верхняя система полос сдвинута относительно нижней, так как при прохождении света через кюветы

появляется добавочная разность хода , где n1 и n2 - коэффициенты преломления веществ, заполняющих

кюветы. Совпадение двух систем полос используется для установления полной компенсации разности хода.

Визуально можно установить совпадение с точностью до 1/40 порядка, что при l = 0,1 м, = 550 нм позволяет обнаружить изменение n2 - n1 около 10-7.

момента излучения первого светового импульса до момента приема отраженного сигнала, пропорционально дальности объекта и фиксируется счетчиком 1.

Лазерно-акустический метод

Лазерный акустический метод основан на последовательном облучении элементов объекта сфокусированным лучом лазера и регистрации времени прохождения до микрофонных датчиков возникающего при этом звукового импульса. Датчики расположены на измерительной базе. Зная длину базы и время прохождения звука до каждого из датчиков относительно лазерного импульса можно измерить расстояние до объекта. Метод применяется в основном для крупногабаритных изделий.

17. Двумерные методы контроля формы. Методы светового и теневого сечения. Оптико-механический, теневой, растровый методы. Метод спеклинтерферометрии.

Двумерные методы измерения формы объектов

К двумерным методам относятся: оптико-механичесикй, методы светового и теневого сечения, теневой метод и метод спекл-интерферометрии.

Сущность метода светового сечения заключается в следующем. На шероховатую поверхность под углом α к нормали проектируется изображение узкой освещенной щели. Это промежуточное изображение щели принимает форму профиля поверхности и наблюдается с помощью приемной оптической системы, оптическая ось которой составляет угол с нормалью к поверхности.

Формирование профиля в пространстве предметов показаны на рис. 1.11.

Для получения информации о рельефе поверхности объекта необходимо его перемещение по одной из координат.

Способы развертки лазерного луча в линию

•Оптико-механический

•Цилиндрическая оптика

•Дифракционные оптические элементы

Оптико-мехническая развертка

Осуществляется вращающимся или качающимся приводом, на котором закреплено зеркало.

Исторически подобные устройства стали называть гальванометры.

Сейчас широко применяются для создания лазерных шоу. В этом случае приводов может быть не один, а несколько – которые обеспечивают более высокую степень свободы отраженного лазерного луча.

Цилиндрическая оптика

Для формирования узкой лазерной полосы на объекте контроля, луч лазера конечного диаметра

fц

fc

Сфокусированный пучок в виде тонкой полосы попадает на объект контроля, поверхность которого располагается в фокальной плоскости сферической линзы.

Дифракционные оптические элементы (ДОЭ)

При организации оптической системы по схеме Грену с помощью метода светового сечения возможен контроль геометрии протяженных объектов, например лопастей вертолетов

Дисплей

Цифровая

фотокамера

ПЭВМ

Осветитель

Оптико-механический метод

Оптико-механический метод контроля криволинейных поверхностей осуществляется в заранее выбранных точках. В этом методе серию контактных штифтов устанавливают по контуру проверяемого сечения. Отклонения профиля вызывают перемещения контактных штифтов, которые преобразуются в изображения, проектируемые на экран.

Теневой метод

В теневом методе на объект направляется полоса света, которую он частично перекрывает. Для регистрации полученного светового потока используется ПЗС-линейка или матрица.

Метод хорошо зарекомендовал себя для измерения габаритных размеров деталей.

РАСТРОВЫЙ (МУАРОВЫЙ) МЕТОД контроля формы объектов

Под термином «растр» будем понимать совокупность периодически расположенных пространственных или плоских элементов, форма, характер, период и направление распространения которых подчиняются определенному закону.

Измерительные устройства, содержащие растры, часто называют растровыми измерительными сопряжениями. Эти сопряжения позволяют производить косвенные измерения изменений физических величин посредством измерения изменений, происходящих в муаровой картине по смещению или развороту муаровых полос.

Если исследуемый объект меняет свое положение в пространстве или свою форму, в результате чего жестко связанный с ним каким-либо образом растр либо перемещается относительно другого неподвижного растра в направлении, перпендикулярном штрихам одного из них, либо испытывает деформацию, нарушающую взаимное расположение элементов (штрихов) растра, то при этом имеют место значительно большие изменения положения, направления или удаления друга от друга муаровых полос.

Рассмотрим случай (рис.) когда оба растра имеют одинаковый шаг е1 = е2 (e = а + b, где а – ширина

непрозрачного штриха; b – ширина прозрачного промежутка между штрихами). Если расположить растры так, чтобы их штрихи были параллельны, то при перемещении одного из растров в направлении, перпендикулярном его штрихам, освещенность поля за растровым

По аналогии с интерференционными полосами можно ввести понятие «цена муаровой полосы». Этим понятием будем характеризовать те изменения параметров растрового измерительного сопряжения (шага растра, угла между направлениями штрихов, расстояния между плоскостями штрихов растров), которые вызывают смещение либо искривление муаровых полос, равное расстоянию между полосами. На рис. 9.58, (изображена картина муаровых полос, возникающих в результате сопряжения двух одинаковых растров А и В, направления штрихов которых образуют

между собой острый угол . Смещение растра А в направлении, перпендикулярном его штрихам (вдоль оси ОХ), на расстояние X, кратное, например, целому числу его шагов X = пе, приводит к смещению муаровых полос КК' параллельно самим себе (вдоль оси OY) в направлении, перпендикулярном биссектрисе угла . Это смещение муаровых полос, кратное расстоянию между полосами t, определяется по формуле

При п = 1 получается основная формула растрового сопряжения Для малых углов формула принимает вид

Если обозначить 1 / = Гм, где Гм – коэффициент увеличения муарового метода, то получаем простую зависимость, поясняющую его высокую чувствительность, t = е Гм.

Метод спекл-интерферометрии

При когерентном освещении случайнонеоднородных объектов, например – шероховатая поверхность или прозрачная среда с флуктуирующем в пространстве показателем преломления в рассеянном поле формируется спекл-структура (от анг. speckle).

Она образуется в результате интерференции волн, рассеянных неоднородностями.

На рис. б – объективная спекл-картина, в- субъективная спекл-картина.