Оптоэлектронный метод обработки сигнала параметров шероховатости

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ СИГНАЛА ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ 

В настоящее время существует множество оптоэлектронных методов контроля изделий машиностроения, но большинству из них, основанных на когерентных свойствах лазерного излучения, присущ [pic 1]существенный недостаток, ограничивающий их применение в реальных условиях производства: зависимость точности измерения от длины оптического пути лучей, т. е. изменения показателя преломления среды, относительной влажности, температуры и давления воздуха оказывают влияние на точность их измерения.

Профили поверхностей деталей имеют сложный характер, условно неровности разделяют на три вида: отклонения формы, волнистость и шероховатость. Очень важен вопрос о правильном выборе параметров качества поверхности, особенно это относится к шероховатости, так как она имеет стохастическую природу. Все методы обработки деталей на станках (шлифование, точение, полирование и др.) создают свою микрогеометрию профиля, причем размеры микро-выступов и их распределение по поверхности носят случайный характер. Влияние различных методов обработки и, как следствие, влияние формы и положения микро-площадок выражается зависимостью

∆Фотк=RФ0f(ϭ)∆ῳ

где: Фотр отраженный световой поток; R-коэффициент зеркального отражения: Фо — падающий поток; f(ϭ)∆ῳ -функция распределения микро-площадок по углам наклона к поверхности.

Из этого выражения следует, что количество света, идущего в направлении зеркального отражения, определяется нс только коэффициентом зеркального отражения. Но н площадью отражающих-площадок [1].

В теоретической работе приводится соотношение между зеркальной компонентной отраженного потока и параметрами  поверхности: [2]

ps= pe-(4πϭ/λ)2

где: p – эффективный коэффициент отражения; ϭ – средние квадратическое от средней линии профиля поверхности; λ – длина волны света.

[pic 2]Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. В разработанном датчике использован принцип продольной точной фокусировки. В качестве источника излучения служил инжекционный лазер 3, который свое излучение при помощи объективов 10 н 11 фокусировал на образцы чистоты поверхности 9, закрепленные перпендикулярно излучению на оптическом столе, позволяющем проводить юстировку. Ток через лазер 3 возбуждался от четырех су[pic 3]хих элементов 1 напряжением 1,4 В каждый, регулировался магазином сопротивлений 4 п контролировался по падению напряжения на резисторе 1 Ом комбинированным цифровым прибором 2. Лазерное излучение модулировалось по амплитуде диском 12 с отверстиями, приводимым во вращение двигателем 13, питание которого осуществлялось от источника постоянного тока 14. Сфокусированное излучение лазера 3 отражалось от намеряемой поверхности, претерпевало вследствие этого модуляцию отраженного потока, вызванную наличием на поверхности микронеровностей различной величины, н попадало назад в активную область лазера 3, который служил не только излучателем, но н анализатором отраженного излучения. О геометрии меряемой поверхности судили по значению переменной составляющей напряжения. Переменное напряжение на лазере 3 усиливалось селективным усилителем 5, настроенным на частоту вращения диска 12. Усилитель 5 работал в узкой полосе с добротностью 50 н усиливал первую гармонику оптоэлектронного сигнала (ОЭС). Узкая полоса обеспечивала наилучшее отношение сигнала к шуму электронного тракта. Настройка усилителя на первую гармонику частоты модуляции проводилась по максимуму сигнала с усилителя, на вход которого подключался фотодиод, освещенный частью модулированного излучения лазера 3.

В качестве источника излучения выбран ИЛ, который обладает рядом преимуществ по сравнению с лазерами других типов: малыми размерами, высоким КПД, низковольтным питанием. Основное же преимущество возможность оптоэлектронного считывания информации. При измерении шероховатости поверхности наличие микронеровностей проявляется как модуляция потерь в резонаторе ИЛ, одно из зеркал которого образовано измеряемой поверхностью. Изменение потерь в резонаторе ИЛ вызывает изменение порогового тока и мощности генерации, эти факторы могут быть зарегистрированы различными способами. Для считывания информации служат ОЭС. Теоретический анализ зависимости ОЭС от качества поверхности и параметров ИЛ можно провести при помощи скоростных уравнений. Ранее исследованная экспериментальная зависимость ОЭС от тока инжекции показала, что ОЭС имеет резкий максимум вблизи порога генерации ИЛ [3]. На пороге генерации спектр излучения ИЛ носит многомодовый характер, и поэтому длина временной когерентности мала - значительно меньше 1 мм. В то же время расстояние от поверхности исследуемого образца до излучающей грани кристалла ИЛ превышает, как правило, несколько сантиметров, т. е. реализуется случай, когда оптическая длина пути во внешнем резонаторе значительно больше временной длины когерентности излучения ИЛ. Это означает, что излучение, отраженное. От поверхности образца, полностью некогерентно с излучением, выходящим из, генерация в ИЛ с внешним отражателем, расположенным на расстоянии, значительно большем длины когерентности излучения, может быть описана системой трех уравнений: Ф=[ϭn-1/τp]Ф+γn; Ψ=[ϭn-1/ τp] Ψ+ⱪФ;