FI75051B - Foerfarande och anordning foer kontaktloes bestaemning av ytkvaliteten hos ett roerligt material. - Google Patents

Description

1 75051

Menetelmä ja laite liikkuvan materiaalin pinnanlaadun koske tuksettomaksi määrittämiseksi

Keksintö koskee menetelmää ja laitetta liikkuvan ma-5 teriaalin pinnanlaadun (karkeus vast, sileys) kosketukset-tomaksi jatkuvaksi määrittämiseksi.

Kuten on hyvin tunnettua, pinnan laadun koestamisek-si tunnetaan useita ratkaisuja. Unkarissa on esim. tärkeimmät mittausperiaatteet menetelmät ja välineet sisällytetty 10 unkarilaiseen standardiin MSZ 4721/4-74, joka edustaa standardin RGW RSZ 4446-74 sovellutusta. Useimmissa tapauksissa käytetään pneumaattisia menetelmiä, joissa pinnanlaatu luonnehtii ilmamäärä aikayksikköä kohden, joka ennalta määrätyllä paineella virtaa materiaalin yläpinnan rakenteen ja 15 jonkinlaisen mittapään (esim. tasainen vastapinta) välistä tai niiden välissä olevan raon kautta. Parker-Print Surf (PPSa), Bekk, Bendtsen ja Sheffield laitteet perustuvat tälle tai samankaltaiselle periaatteelle. Näiden laitteiden yhteinen puute perustuu siihen, että ne eivät anna infor-20 maatiota rakenteen muodosta eivätkä sen jakautumisesta, pinnanlaadun mittaluku voi olla mitä erilaisimmille pinnan mikrogeometrioille sama. Sitäpaitsi eri laitteet antavat mittauksessa samalle pinnalle erilaisia mittalukuja, joiden välille yksittäisillä laitteilla saaduilla mittaustuloksil-25 la ei synny mitään keskinäistä korrelaatiota. Toinen puute perustuu siihen, että mittauksen aikana luokiteltavia pintoja ei voida liikuttaa niin, että jatkuvaa kontrollia tuotannon (esim. paperinvalmsituksen) aikana ei voida suorittaa.

Toisessa tunnetussa menetelmässä niin sanottu koske-30 tusosa koestetaan optisesti esim. Fogra-KAM laitteen avulla. Tälle menetelmälle oleellinen perustuu siihen, että luokiteltava materiaali valaistaan pinnalleen puristetun prisman kautta ja valaistun prisman se prosenttiosuus, jolla prisman ja tutkittavan pinnan välisen täydellisen kosketuksen 35 johdosta ei synny täydellistä heijastusta, tutkitaan. Tässä tapauksessa saadaan prosenttimääränä ilmaistu sileysarvo ts. että myös tämä menetelmä antaa yhden ainoan mitta-arvon.

2 75051 Päinvastoin kuin pneumaattisella menetelmällä on ratkaisulla kuitenkin se etu, että esim. paperipintoja tutkittaessa Fogra-KAM laitteella saatujen mittatulosten ja painatus-hylkymäärän välille voidaan määrittää melko hyvä korrelaa-5 tio. (Hus2ar Jenö: Mikrogeometrische Charakterisierung von Papieroberflächen, Ungarische Graphik). Näiden ratkaisujen yhteinen haitta perustuu kuitenkin siihen, että mittauksen suorittamiseksi tutkittavasta aineesta on otettava näyte ts. laitteet eivät sovellu mittaukseen tuotannon aikana 10 tai jatkuvaan kontrolliin.

Kanadalaisesta patenttijulkaisusta 1 507 702 tunnetaan menetelmä vast, laite, joka kykenee välttämään edellä mainitut puutteet, ja voi tutkia esim. paperin pinnanlaadun tuotannon aikana jatkuvasti. Tässä kuvatulle meentel-15 mälle oleellisin perustuu siihen, että liikuvan kohteen (esim. paperin) yläpinta valaistaan jollakin tavallisella valolähteellä, minkä jälkeen pinnasta eri suuntiin siron-nut valo kerätään ilmaisimen pinnalle; ilmaisimen siron-neen valon intensiteettiin verrannollista sähköistä signaa-20 lia käsitellään siten, että tasavirtakomponentti (DC) ja vaihtovirtakomponentti (AC) erotetaan toisistaan ja näiden osamäärän avulla määritetään pinnanlaatua luonnehtiva mittaluku. Tällä tavoin mittaustulokset saatetaan korrelaatioon Sheffield-kojeen (pneumaattinen menetelmä) avulla 25 saatujen mittalukujen kanssa. Se huomioonottaen, että kaikkien pneumaattisten menetelmien mittaluku luonnehtii ainoastaan pinnan kaasuvirtaa estävää ominaisuutta, ei voida odottaa mitään moitteetonta korrelaatiota - käy ilmi myös patenttijulkaisun graafisesta esityksestä. Tästä huolimatta 30 ei patenttijulkaisun 1 507 702 tärkein haitta perustu tähän vaan siihen tosiseikkaan, että pinnan laatua luonnehditaan yhden ainoan mittaluvun avulla, joka voidaan huonosti saattaa korrelaatioon muiden menetelmien mittalukujen kanssa ja samanaikaisesti saadaan eri paperipinnan mikro-35 geometrioille samat mittaustulokset.

Eräs muu ongelma ilmenee siinä, että sironneen valon vähäisen intensiteetin johdosta vastaavan kohinaetäisyyden 3 75051 saavuttamiseksi valon pääsy ympäristöstä anturiin on ehdottomasti vältettävä ts. optiikka ja anturi on sovitettava valoaläpäisemättömään suojukseen tiiviisti mitattavan pinnan päällyspinnan viereen.

5 Viimemainittu ongelma voidaan poistaa, jos valoläh teenä käytetään koherenttia valoa (esim. laser), jolloin sironnut valo ilmaistaan heterodynemenetelmällä. Tällainen menetelmä ja soveltuva laite on kuvattu unkarilaisessa patenttihakemuksessa nro 930/80 ja jonka avulla vähäiset in-10 tensiteetit voidaan ilmaista suurella herkkyydellä, jolloin kytkentäjärjestely ei vaadi interferometristä asetus-tarkkuutta. Kuten mainitusta patenttihakemuksesta ilmenee, voidaan liikkeen suuntaan osuvan elementin mittaluku, kun koestettava pinta koostuu hyvin määritellyistä, määrittää 15 heterodynesignaalia käsittelemällä.

Valitettavasti ei useimmilla pinnoilla (kuten myös paperipinnalla) ole mitään hyvin määriteltyjä elementtejä, epätasaisuudet muuttuvat laajan mittausalueen sisällä, jolloin mittausalue ylittää laajasti valon aallonpituuden ja 20 signaalissa ilmenevien aaltopakettien pituutta ei ole millään tavoin määritelty yksiselitteisesti. Valon sironnan suhteen voidaan tällaista pintaa pitää makroskooppisesti karkeana ja sironneen valon tutkimiseksi on annettava tilastollinen tulkinta. Käyttämällä välittömästi mainitun 25 unkarilaisen patenttihakemuksen 930/80 menetelmää vast.

laitetta ei tällaisten pintojen pinnanlaatua voida millään tavoin määrittää, myöskään mahdollisuutta tiivistettävien tietojen muodostamiseen ei saavuteta.

Keksinnön päämääräksi asetettiin menetelmän ja lait-30 teen kehittäminen, joiden avulla edellä kuvatut, tähän as-tisessa pinnanluokituksessa syntyneet ongelmat voidaan eliminoida .

Edellä kuvatut menetelmät ovat varsin epäluotettavia, koska niissä mikrogeometrista rakennetta on luonneh-35 dittu vain yhden ainoan luvun avulla, joka voi olla identtinen erilaisille mikrorakenteille.

4 75051

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista vaatimuksessa 1 esitetyt seikat ja keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista vaatimuksessa 4 esitetyt seikat.

5 Nyt ehdotetun menetelmän tehtävän asettelu perustuu siihen, että yhtään pinnasta saatavissa olevaa informaatiota ei menisi hukkaan aina erotettavuuden rajaan asti. Menetelmä antaa runsaasti informaatiota antaessaan mikrorakenteen "mittalukujakautuman". Tämä kattava tietomäärä 10 mahdollistaa mikrorakenteeltaan erilaisten mahdollisesti muilla menetelmillä samanlaiselta vaikuttavien pintojen erottelun, samanaikaisesti syntyy mahdollisuus luonnehtia pintaa tietoja redusoimalla vain tietyllä luvulla tai luvuilla .

15 Informaation käsitteleminen tällaisella tiivistä vällä tavalla mahdollistaa keksinnön mukaisen signaalinkäsittelymenetelmän käytön. Juuri tämän tehtävän ratkaisu esittää yhtä keksinnön päämääristä, jolloin keksinnön mukaiseen menetelmään perustuen koestetut pinnat voidaan ero-20 telia halutussa määrin.

Kaikki tunnetut tähänastiset menetelmät vaativat jonkin ei tuotannon kuluessa täytettävissä olevan vaatimuksen: koestettu pinta täytyy erottaa prosessista, minkä johdosta jatkuva tutkimus tulee mahdottomaksi, jolloin ka-25 nadalaisen patenttijulkaisun 1 507 702 mukaisessa menetelmässä, joka mahdollistaa jatkuvan tutkimuksen, ulkoa peräisin olevan häiritsevän valon vaikutus täytyy estää.

Keksinnön mukainen menetelmä, joka itse asiassa edustaa unkarilaisen patenttihakemuksen 930/80 (17.04.

30 1980) jatkokehitystä, eliminoi molemmat vaatimukset toteut tamalla heterodynemittausmenetelmän ja sen toteuttamiseen soveltuvan laitteen.

Käyttämällä keksinnön mukaista ratkaisua voidaan saavuttaa, että pinta valmistusprosessin aikana voidaan 35 tutkia jatkuvasti jopa ilman ulkoa tulevan valon häiritsevää vaikutusta. Toinen keksinnön tehtävän asettelu perus- 5 75051 tuu siihen, että mahdollistetaan menetelmän käyttö myös teollisissa olosuhteissa, mikä voidaan saavuttaa käyttämällä edelleen kehitettyä menetelmää ja laitetta.

Yhteenvetona keksinnölle asetetaan kaksi tavoitetta, 5 toisaalta painottaa ei-kosketuksettomien menetelmien suhteen koskettamattomuutta ja jatkuvuutta ja toisaalta korostaa esillä olevan menetelmän kosketuksettomien menetelmien suhteen ulkoisten vaikutusten (häiritsevä valo, interfero-metrinen sovitus) ohittamista sekä saadun informaation 10 tiivistettyä käsittelyä.

On hyvin tunnettua, että kun pintaan osuu sähkömagneettinen aalto esim. valoaalto, pinnan karkeus vaikuttaa aallon leviämiseen. Karkeassa pinnassa aalto ei heijastu vain heijastussuuntaan vaan se siroaa kaikkiin suuntiin.

15 Kun tämä karkea pinta myös liikkuu, vaikuttaa sironneen aallon taajuuteen Dopplerin siirtymä.

Sironneen valon tutkiminen antaa informaatiota myös pinnan karkeudesta. On otettava huomioon, että siirtymä "sileän" ja "karkean" pinnan välillä on jatkuva. Rayleig-20 hin kriteerin perusteella pidetään pintaa sileänä, jos osuvan aallon vaiherintama heijastuu vääristymättä, ts.

Δ0 = 2ίΐ h · cos Q* «2 <u Λ/2 25 jossa») on aallonpituus, tulokulma ja h sattumanvaraisesti muuttuvan pinnan korkeussironta.

Kun Δ syntyy myös heijastunut ja hajanai sesti siroutunut komponentti. Kun Δ 0^>> 2 ^11* siroutuu aalto pinnasta miltei yksinomaan hajanaisesti. Makroskoop-30 pisesti karkeiden pintojen yhteydessä syntyy valon sirontaa tutkittaessa lyhyen aallonpituuden johdosta viimemainittu tapaus. Tässä tapauksessa voidaan sironneesta aallosta antaa tilastollinen tulkinta. Voidaan osoittaa, että kun aallon amplitudia voidaan tarkastella pinnan satunnais-35 ten osien vaikutusten summana niin amplitudin todennäköi- 6 75051 syysjakautuma noudattaa ns. Rayleighin jakautumaa A A2 p (A) = exp. (- — ) * 2<ä>2 5 jolloin 26 2 = (A2^ esittää odotusarvoa. Yleistäen voi daan todeta, että hajanaisesti siroutunut komponentti on todennäköisyysmuuttuja, jolla on p{A) jakautumafunktio, jonka muoto ei välttämättä ole tunnettu. Mutta siitä, että A on todennäköisyysmuuttuja, seuraa että I = R.A. Nämä ar-10 vot edustavat myös todennäköisyysmuuttajia, missä R edustaa ns. vertailuaaltoa, jolla on vakioamplitudi. Kaikki tähänastiset väitteet ovat voimassa kullekin sironneen aallon pienelle osalle, kuten esim. myös lähteen suuntaan takaisin sironneelle komponentille. I voidaan mitata tunnetulla op-15 tisella heterodyneilmaisutekniikalla. Kun P(I) on muuttujien I=R‘A jakautumafunktio, voidaan muodostaa yhtälö 00

P* = ^ P (I) d I

o 20 joka määrittää todennäköisyyden sille, että I>IQ.

Mainitut todennäköisyysjakautumat voidaan realisoida myös siten, että valaistaan pinnan erilaiset elementit ja mitataan takaisin sironneelle valolle jakautuma A, A2 tai I.

25 On ilmeistä, että pinnan eri elementeille mitatta vissa olevat jakautumat riippuvat pinnanlaadusta. Kun nimittäin analysoidaan kahdesta koordinaattien B ja C avulla luonnehditusta elementistä takaisin sironnut valo ja tutkitaan todennäköisyys, että valolle, joka on sironnut ta-30 kaisin molemmista elementeistä, I y· I niin syntyy riippuvuus PX (B,C) = PX (B) *PX (C) vain silloin, kun elementtejä B ja C mittauksen näkökannal-35 ta voidaan pitää riippumattomina. Toisessa rajatapauksessa,

II

7 75051 kun elementtejä B ja C ei voida pitää riippumattomina joko siksi, että pinnoilla on sellainen luonne, tai siksi, että mittausten luonne on sellainen, esim. kun elementti C elementtiä B valaistaessa on valaistun pinnan sisällä, syn-5 tyy riippuvuus P* (B,C)=P* (B)

Kun pintaa eteenpäin siirtymisen aikana valaistaan 10 jatkuvasti, voidaan todennäköisyyttä sille, että jollakin välillä pituudeltaan X I^Iq, kuvata todennäköisyysfunktiolla

X

ρ*(Χ) = (Ρ*)ΔΧ 15 Tässä tapauksessa edellytetään, että pinnalla on sellaisia Ax pitkiä välejä joiden sisällä pinnan pisteitä ei voida pitää riippumattomina. On toki ilmeistä, että kun pinta on sileä, arvo Ax on suuri ja ΡΚ (X) antaa hitaasti nou-20 sevan funktion kun taas karkealle pinnalle Ax on pieni ja P (X) antaa nopeasti nousevan funktion.

Suuretta AX nimitetään korrelaattipituudeksi. Pienintä etäisyyttä jonka sisällä- mittauksen luonteesta johtuen - pintaelementtejä täydellä varmuudella ei voida pi-25 tää riippumattomina elementteinä, nimitetään AXm^n erottelukyvyksi.

On mahdollista, että pintaa ei voida luonnehtia yhdellä vaan useammalla korrelaatiopituudella /\X.. tässä tapauksessa 30 _X_

X N K

p (x) - Σ Q± (p ) jolloin arvot kuvaavat yksittäisiin ΔΧ.^ arvoihin kuuluvia painoja.

35 Voidaan myös muodostaa todennäköisyysfunktion Px (X) 8 75051 eri momentteja niin esim. ensimmäinen momentti x, joka luonnehtii keskimääristä korrelaatiopituutta x oo x = 3 X P*(X)dx 5 korrelaattipituuksien avulla syntyy siten mahdollisuus verrata keskenään sellaisia pintoja, jotka Rayleighin kriteerin perusteella osuvat samaan kategoriaan (ts. niiden mikroskooppinen karkeus on sama). Siten esim. mikros-10 kooppisesti karkeille, Rayleighin jakautuman mukaisesti hajottaville pinnoille - joihin myös useimmat paperilajit kuuluvat - pätevät seuraavat riippuvuudet 15 ~ (' ~ (-$ missä (l2^ = 2r2^2 tarkoittaa I2 = (RA)2:n keskiarvoa.

Mittaustulokset paperipinnoille ovat pitkälle yhtäpitävät P (X) todennäköisyysfunktion yllä esitetyn muodon kanssa, 25 ja edelleen x arvoilla on varsin hyvä korrelaatio paperi- pintojen Fogra-KAM mittalukujen kanssa (kuviot 1 ja 2).

Kuvioissa 1 ja 2 on esitetty kalibrointifunktiot K mittauserottelulla AX . = 74 ,um vast. ΛΧ . = 133 ,um.

min / ^ min /

Kuvioissa esitetyt pisteet kuvaavat mittaustuloksia 14 eri 30 paperipinnalle.

Esimerkiksi kuviosta 1 on nähtävissä, että käytettäessä kalibrointifunktioita K mittaustuloksesta x on saatavissa Fogra-KAM mittaluku. Kalibrointifunktio K on määriteltävissä annetulla erottelukyvyllä AXm^n ja Fogra-KAM 35 menetelmästä saatavalla paineella p ts. K (Axm£n' P)·

II

9 75051

Pintoja luonnehdittaessa on erottelykyvyn .AXmj_n oikea valinta äärimmäisen tärkeä. Kun esim. pinta koostuu kahden kokoluokan korrelaatiopituuksista ts.

X2 ja erilaiset pinnat ovat ^x2:n suhteen erilaiset, 5 mutta eivätΔχ^:η suhteen, niin silloin pintoja - kun

Axmin<AXi tai ^Xmin> ΔΧ2 - ei voida erottaa. Vain seu-raavan järjestyksen mukaisesti ^Xmin^ vo;i-^aan erot osoittaa.

Keksintö perustuu havaintoon, että kun pinnasta 10 takaisin sironnut valo mitataan optisella heterodynetekniikalla, tarkemmin: Unkarilaisessa patenttihakemuksessa 930/80 kuvatun menetelmän ja laitteen jatkokehitysmuodon avulla, syntyy mahdollisuus mitata todennäköisyysfunktio P (X) sekä siitä johdetut korrelaatiopituudet ja momentit 15 ja tällä tavoin määrittää liikkuvan materiaalin pintaominaisuudet ilman mahdollista kosketusta.

Siten keksintö liittyy menetelmään vast, sen toteuttamiseen soveltuvaan laitteeseen, jolloin keksinnön mukaisesti tulee mahdolliseksi kosketuksettomasti määrittää liik-20 kuvan materiaalin pinnan ominaisuudet käyttämällä optista heterodyneilmaisua, siten että pinnat valaistaan koheren-tin valonlähteen (esim. laserin) valolla, minkä jälkeen takaisin sironnut valo havaitaan optisella heterodyneilmai-sulla, jolloin ilmaisun luonteen johdosta syöttää ilmaisin 25 valon huomioon ottavasta ulostulostaan I=R.A suhteen verrannollisen sähköisen signaalin U, missä A on takaisin siron-neen valon amplitudi, R paikallisoskillaattorivalon referenssi tai amplitudi. Sähköisen signaalin taajuus vastaa liikkuvasta pinnasta takaisin heijastuneen valon Dopplerin 30 siirtymätaajuutta. Sen jälkeen kun sähköinen signaali U on saatettu työstettävälle tasolle sitä verrataan ennalta määrättyyn sähköiseen tasoon = k*Io ja aikavälit t, joiden ajan signaali U viipyy U^:n yläpuolella, tutkitaan. Aikaväli t vastaa liikkuvalla pinnalla välimatkaa pituudel-35 taan x = v*t, missä on liikkuvan pinnan nopeuden valosuihkuun nähden kohtisuora komponentti. Erilaisten t aikavälien __ - τ~ ------------- ίο 7 5 0 51 tiheysjakautuma ja vastaavien matkojen pituuksien, jotka voidaan mitata käytettäessä tunnettuja menetelmiä, tiheys-jakautuma antavat juuri todennäköisyysfunktion Px(X), josta voidaan määrittää korrelaatiopituudet vast, momentit ja 5 siten luonnehtia liikkuvan materiaalin pinnat.

Erottelukyvyn Δ xm£n alaraja-arvo d vastaa valaistujen pintojen suuruutta, kun laservalo fokusoidaan pin- λ. f noille käyttäen diffraktiorajoitettua optiikkaa, d-v—g— , missä ?> on valon aallonpituus, F linssin polttoväli ja D 10 lasersäteen halkaisija linssin pinnalla.

Kuten on jo mainittu, on erotuskyvyn oikea valinta äärimmäisen tärkeä. Valinta voidaan suorittaa joko sopivalla optiikan valinnalla tai elektronista tietä ja jona siten, että aikavälin loppua vastaavana ajankohtana - kun 15 signaali U sattuu tason alle - aikavälin loppua osoittavaa signaalia ei vielä anneta vaan odotetaan sopiva valittu aika T ja jos signaali ei jakson T sisällä toistamiseen ylitä tasoa aikavälin katsotaan vasta tällöin päättyvän. Mutta, jos signaali U jakson T sisällä ylittää ta-20 son aikaväliä jatketaan ja uusi odotusaika T alkaa signaalin U toistuvasta laskusta tason alle. Tällä tavoin ei jakson T alittava signaalinvaihtelu vaikuta mittaukseen, ts. AL·. = v*T+d voidaan asetella haluttuun mm arvoon.

25 Keksintöä kuvataan lähemmin edullisen suoritusmuo- toesimerkin ja oheisen piirustuksen avulla, jossa kuviot 1 ja 2 esittävät kalibrointifunktioita, kuten on jo mainittu, kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen laitteen suori-30 tusmuotoesimerkkiä, ja kuviot 4 ja 5 esittävät laitteessa esiintyvien signaalien ajallista muotoa.

Kuviossa 3 esitetty laite suorittaa paperin pinnanlaadun koestuksen ja tilastollisen mittausjakautumafunktion 35 vastaanoton. Mittausjakautumafunktiosta voidaan määrittää pinnalle tunnusomaiset korrelaatiopituusarvot ja niihin u 75051 liittyvät painot. Keskimääräiset korrelaatiopituudet vast. Fogra-KAM-arvot voidaan määrittää samoin. Kun erot-telya parametrina muutetaan, voidaan määrittää myös gra-nulometrisen jakautuman funktio (vast, pinnalle tunnus-5 omaiset eri suuruusluokkia olevat korrelaatiopituudet).

Mitattava paperi on kiinnitetty vetävän sylinterin 30 vaippaan. Optisesta heterodyneyksiköstä 10 tuleva valonsäde osuu paperin pinnalle 31 mittauspisteessä 32. Mittauspisteessä valonsäteen halkaisija on tarkoituksenmukai-1Q sesti joitakin ^um. Mittauspisteessä 32 valo hajaantuu, se osa sironneesta valosta, jolla on sopiva suunta ja vaihe osuu takaisin optiseen heterodyneyksikköön 10 ja synnyttää valoanturin 20 ulostuloon signaalin, jonka taajuus on 15

Af = f * —— sin c* , c missä 4f = heterodynetaajuus 20 f = lasertaajuus V = vetävän sylinterin 30 kehänopeus c = valon nopeus.

Tämän sähköisen signaalin amplitudi on mittauspisteessä 32 luonteenomainen pinnan 31 heijastuskyvylle 25 sekä suhteelliselle asemalle osuvan valonsäteen suhteen. Jos pinnan 31 heijastuskerroin nyt on vakio - ja sitä voidaan useimmissa tapauksissa pitää vakiona - johtuu valo-anturin 20 ulostulosta tulevan signaalin amplitudimodulaatio yksinomaan pinnan 31 epätasaisuudesta sen perife-30 risestä ja radiaalisesta jakautumisesta.

Pyörivä sylinteri 30 tekee myös hidasta vaihtelevaa liikettä vetoakselin suunnassa. Tällä tavalla voidaan mittauspisteellä 32 tunnustella koko pinta 31, jolloin valo-anturin 20 ulostulosta tulevan signaalin analyysin avulla 35 voidaan määrittää koko pinnan 31 pintaominaisuudet.

Ensiksi tarkastelemme yksityiskohtaisesti optisen 12 75051 heterodyneyksikön 10 toimintaa (kuten Unkarilaisessa patenttihakemuksessa 930/80 on kuvattu). Koherentista valonlähteestä 11 - edullisesti pientehoisesta He-Ne-lase-rista - ulos tuleva valo osuu säteenjakajaan 12, edullises-5 ti tasoyhdensuuntaiseen lasikiekkoon. Tässä valonsäde jaetaan kahteen osaan. Toinen osa liikkuu alkuperäiseen suuntaan ja se projisoidaan optisen kuvauselementin 13 - edullisesti linssin - kautta pinnan 31 optisesti kuvattavalle mittauspisteelle 32. Valonsäteen toinen osa (R) johdetaan 10 valoanturin 20 - edullisesti valodiodin - pinnalle. Mittauspiste 32 muodostaa optisen kuvauselementin 13 polttopisteen. Polttopisteessä määrittää valotäplän halkaisija periaatteessa laitteen erotuskyvyn. Saavutettavissa oleva mit-tauserottelu on yhtäpitävä polttopistetäplän halkaisijan 15 kanssa. Optinen kuvauselementti 13 voidaan asetella pinnan 31 suhteen mekaanisesti, jotta voidaan saavuttaa paras erottelu ja polttopistetäplän pienin mahdollinen halkaisija d * An_ .

20 D

Kun käytetään linssiä, jonka polttoväli on 50 mm, ja He-Ne laseria, jonka säteen halkaisija on 2 mm, on d Glf 15 yum. Tämä arvo on riittävä useimpien paperilaatujen pinnan tutkimiseen.

25 Osa mittauspisteestä 32 sironneesta valosta osuu optisen kuvauselementin 13 ja säteenjakajan 12 kautta kohe-rentin valonlähteen 11 uloskytkentäelementtiin - laser-peiliin -, sieltä se heijastuu ja projisoidaan säteenjakajalle 12, josta jälleen osa (E) projisoituu valoanturille 30 20. Näin interferoi osa valoanturin 20 pinnalle osuvasta siroutuneesta valosta - joka on vaiheeltaan koherenttia -suoran laservalon kanssa, näin syntyy valoanturin 20 ulostuloon I=R’E:n suhteen verrannollinen sähköinen signaali, jolla on taajuus Δί ja amplitudi U.

35 Kuten on jo mainittu on todennäköisyysfunktiolla P*(X) seuraava muoto: 13 75051 N I02 Ρ*(Χ) = 21 Q- exp (- 7—öv-X) » jossa i-i 1 \iy X voidaan korvata lausekkeella X=V’t cosc^ja & X lausekkeella 5 Ax = V * At cose/v Näiden sijoittamisen jälkeen on yhtälöllä seuraava muoto N I 2 PX(t) = Q. exp (-/—° t)

10 1=1 K

jossa t on siitä hetkestä laskettu aika, jona valoanturis-ta 20 johdettu signaali on suurempi kuin U , At on korre-laatiopituutta vastaava aikaväli.

Jos diskriminaattorin kynnys valitaan vastaavasti 15 voidaan toteuttaa yhtälö C -1

TT

Nyt saa funktio seuraavan muodon 20 N .

PX(t) = y Q. exp (---) -ΓΛ Ati i=l

Seuraavaksi tutkitaan millä tavoin yllä esitetty todennäköisyysfunktio voidaan synnyttää signaalikäsittely-25 yksikön 40 avulla.

Valoanturin 20 syöttämä sähköinen vaihtojännite vahvistetaan pienikohinaisessa esivahvistimessa 41. Sen johdosta, että valoanturin 20 syöttämä hyötysignaalijännite on useimmissa tapauksissa verrattavissa kohinaan vaa-30 ditaan kohinaetäisyyden parantamiseksi selektiivinen vahvistin 42, joka päästää edelleen ja vahvistaa signaalin vain heterodynetaajuuden - edullisesti vain joitakin MHz -ympäristössä. Selektiivisen vahvistimen 42 ulostulo liittyy vahvistukseltaan säädettävän vahvistimen 43 signaali-35 sisääntuloon. Vahvistukseltaan säädettävän vahvistimen 43 14 75051 ulostulosta tulevan signaalin Us keskiarvo on pitkällä aikavälillä vakio ja se on riippumaton sisääntulossa olevan signaalin suuruudesta. Tämä toteutetaan siten, että signaali U tasasuunnataan tasasuuntaajalla 44, minkä jäi- 9 5 keen muodostetaan keskiarvo integraattorilla 45, jonka integrointiaikavakio valitaan vastaavan suuruiseksi.

Integraattorin 45 ulostulo liittyy virhesignaali-vahvistimen 46 toiseen sisääntuloon samalla kun toiseen sisääntuloon syötetään vakio tasajännite suuruudeltaan 10 U . Jos integraattorin 45 ulostulojännite poikkeaa jännitteestä Ur, säätää virhesignaalivahvistimen 46 ulostulojännite asetussignaalina vahvistukseltaan säädettävän vahvistimen 43 vahvistusta. Jännite Us syötetään komparaattorin 4 7 toiseen sisääntuloon saunalla kun toiseen sisään-15 tuloon johdetaan muutettava tasajännite U^. Näyttää olevan tarkoituksenmukaista asettaa jännitteen Uk arvo siten, että täytetään ehto 20 = ^ = 1 (se merkitsee, että U, on yhtäpitävä U :n absoluuttisen K s arvon keskiarvon kanssa).

Jos jännitteen U arvo on korkeampi kuin jännitteen 25 arvo, ilmestyy komparaattorin 47 ulostuloon liipaisu-pulssi monostabiilia multivibraattoria 48 varten. Mono-stabiili multivibraattori 48 voidaan aikaa myöten jälleen palauttaa, paluuaika T on muutettavissa. Paluuajan T avulla muodostetaan samalla erotteluaika.

30 Optinen erottelu määrätään polttopistetäplän mitois ta: Tätä voidaan kalibroidusti muuttaa vain hankalasti, on paljon yksinkertaisempaa kun erottelua muutetaan elektronisesti. Mittauserottelu ΛΧ . ilmenee seuraavasta yhtälöstä mm 35 &X . = V*T cosc< + d mm 15 75051

Monostabiilin multivibraattorin 48 ulostulo syöttää sama-amplitudiset, mutta erileveyksiset pulssit U^. Kronometri 49 - edullisesti monikanava-analysaattori, joka asetetaan aika-analyysi-toimintatapaan - mittaa ja tal-5 lettaa pulssien U leveydet. S atu mittaustulos edustaa suoraan jakautumafunktiota P (t), josta pintaominaisuudet voidaan matemaattisin menetelmin helposti johtaa.

Kuvioissa 4 ja 5 on esitetty esimerkki jännitteen Us ja jännitteestä Ug kehitetyn pulssin amplitudijakau- 10 tumasta. Jos kuviossa 3 esitetyn pyörivän sylinterin 30 tilalle asetetaan koneen sylinteri, jota käytetään painossa tai paperin tuotantoteknologiassa ja korvataan kronometri 49 on-line tulkintalaitteella 50, jonka avulla voidaan jatkuvasti kehittää paperipinnalle tyypilliset x-arvot mit-15 tauksen aikana, tai kehittää näistä johdettavat Fogra-KAM-mittaluvut, syntyy mahdollisuus mitata ja tarkkailla pinnanlaatua tuotannon tai käytön aikana ilman kosketustar-vetta, saadun tiivistettävissä olevan informaation perusteella syntyy puolestaan mahdollisuus teollisen laitoksen 20 mahdolliseen säätöön.

Claims (6)

1. Menetelmä liikkuvan materiaalin pinnanlaadun määrittämiseksi koherentin valonlähteen (11) avulla ha- 5 vaitsemalla heterodyneperiaatteella liikkuvasta materiaalista sironnut valo, tunnettu siitä, että valo-anturin (20) ulostulosta saadusta signaalista määritetään todennäköisyysfunktio (Px(X)), joka ilmoittaa todennäköisyyden sille, että jollain osiin (Ax) jaettavalla välillä 10 (x) intensiteetti (I) ylittää ennalta määrätyn arvon (IQ), ja/tai momentit, ja/tai sen korrelaatiopituudet (AX^) sekä niihin kuuluvat painot (Q^) ja liikkuvan materiaalin pinta (31) luonnehditaan näiden avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n-15 n e t t u siitä, että todennäköisyysfunktio (Px(X)) ja/ tai sen momentit ja/tai sen korrelaatiopituudet (ÄXi) ja niihin kuuluvat painot (Q^) määritetään erilaisilla erottelukyvyillä (Ax . ). min

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että todennäköisyysfunktion (Px(X)) jokin momentti kerrotaan jollakin ennalta määritetyn kalibrointi funktion (K) mukaisella arvolla, minkä avulla kehitetään Fogra-KAM-mittaluvut.

4. Laite jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukaisen 25 menetelmän toteuttamiseksi liikkuvan materiaalin pinnanlaadun määrittämiseksi, jossa laitteessa on optinen hete-rodyneyksikkö (10), valoanturi (20) ja valoanturiin (20) liitetty signaalinkäsittely-yksikkö (40), tunnettu siitä, että signaalinkäsittely-yksikkö (40) sisältää etu- 30 vahvistimen (41) ja etuvahvistimeen (41) liitetty vahvistukseltaan säädettävä vahvistin (43), jolloin tarpeen mukaan etuvahvistimen (41) ja vahvistukseltaan säädettävän vahvistimen (43) väliin on kytketty selektiivinen vahvistin (42), vahvistukseltaan säädettävän vahvistimen (43) 35 ulostulo on liitetty komparaattoriin (47), jolloin edel- li 17 75051 leen komparaattorin (47) ulostuloon liittyy monostabiili multivibraattori (48) ja edelleen on varattu monostabiilin multivibraattorin (48) ulostulosignaalin leveyttä mittaa-va kronometri (49) ja mahdollisesti toinen tulkintayksik-5 kö (50).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että vahvistukseltaan säädettävän vahvistimen (43) ulostuloon on liitetty tasasuuntaaja (44), tasasuuntaajan (44) ulostuloon integraattori (45), inte- 10 graattorin ulostuloon virhesignaalivahvistin (46) ja vahvistukseltaan säädettävän vahvistimen (43) asetussignaa-lisisääntuloon on liitetty virhesignaalivahvistimen (46) ulostulo.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laite, 15 tunnettu siitä, että on varattu komparaattori (47), jolla on muutettava vertailutaso (Uk) sekä ajan suhteen jälleen palautettava monostabiili multivibraattori (48), jolla on muutettava paluuaika (T). 18 75051