RU2158898C1

RU2158898C1 - Method of contact-free test of planeness of surface

Info

Publication number: RU2158898C1
Application number: RU99105326A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Безуглый; О.А. Тарасов; А.А. Федорец
Original assignee: Тюменский государственный университет
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 2000-11-10

Abstract

FIELD: instrumentation, detection of lack of planeness of free surface of liquid. SUBSTANCE: method employs phenomenon of thermal capillary convection induced by thermal action of laser radiation. Information is extracted from interference picture ( thermal capillary response ) of laser beam inducing convection observed on screen placed in cross-section of caustic, that is reflected from free surface of liquid deformed by thermal capillary convection. Planeness of free surface of liquid is tested by deviation of form of thermal capillary response from round one which corresponds to flat free surface. EFFECT: simplified test of planeness of free surface of liquid. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для обнаружения неплоскостности свободной поверхности жидкости. The invention relates to the field of instrumentation and can be used to detect non-flatness of the free surface of the liquid.

Предлагаемый в изобретении способ может быть использован для бесконтактного контроля плоскостности свободной поверхности жидкости с прецизионной точностью в химической и электронной промышленности, физических и химических приборах, а также в космических жидкостных технологиях. The method proposed in the invention can be used for non-contact control of the flatness of the free surface of a liquid with precision accuracy in the chemical and electronic industries, physical and chemical devices, as well as in space liquid technologies.

Известен способ проверки неплоскостности [1], заключающийся в замере точек проверяемой поверхности от вспомогательной плоскости. Способ предполагает механический контакт ножки индикатора с проверяемой поверхностью и поэтому совершенно непригоден для жидкостей. A known method of checking non-flatness [1], which consists in measuring points of the surface to be checked from the auxiliary plane. The method involves mechanical contact of the indicator leg with the surface to be tested and is therefore completely unsuitable for liquids.

Наиболее близкой к предложенному способу является одна из модификаций интерферометрического способа измерения неплоскостности и непрямолинейности поверхностей [2] , где формирователь и отражатель информационного и референтного световых лучей выполнены в виде оптического клина, у которого на переднюю по ходу светового луча поверхность нанесено светоделительное покрытие. Данная модификация интерферометрического способа позволяет контролировать отражающие твердые поверхности шириной до 70 мм с высокой точностью, но применение ее в случае жидких поверхностей проблематично, из-за трудно устранимых в жидкостях микровибраций. Кроме того, к недостаткам следует отнести сложность установки и трудоемкость процесса измерений. Closest to the proposed method is one of the modifications of the interferometric method for measuring non-flatness and indirectness of surfaces [2], where the shaper and reflector of the information and reference light rays are made in the form of an optical wedge with a beam splitting coating applied to the front surface of the light beam. This modification of the interferometric method allows controlling reflective solid surfaces with a width of up to 70 mm with high accuracy, but its use in the case of liquid surfaces is problematic due to microvibrations that are difficult to eliminate in liquids. In addition, the disadvantages include the complexity of the installation and the complexity of the measurement process.

Целью данного изобретения является упрощение схемы и процесса контроля плоскостности свободной поверхности жидкости. The aim of this invention is to simplify the scheme and process of controlling the flatness of the free surface of a liquid.

Поставленная цель достигается путем возбуждения в жидкости лазерным пучком фотоиндуцированной термокапиллярной (ТК) конвекции, вызывающей динамическую деформацию ее свободной поверхности - ТК углубление, а плоскостность или неплоскостность свободной поверхности жидкости определяют из геометрии интерференционной картины - ТК отклика [3], наблюдаемой на экране, помещенном в поперечном сечении каустики отраженного от ТК углубления луча лазера. This goal is achieved by exciting a photoinduced thermocapillary (TK) convection in the liquid with a laser beam, which causes dynamic deformation of its free surface — the TK recess, and the flatness or nonplanarity of the free surface of the liquid is determined from the geometry of the interference pattern — the TK response [3], which is observed on a screen placed in the cross section of the caustic of the laser beam recess reflected from the TC.

Геометрия ТК отклика определяется формой ТК углубления. В свою очередь форма ТК углубления зависит от статической кривизны (статическая кривизна свободной поверхности жидкости обусловлена ее деформацией в результате взаимодействия жидкости с твердыми границами, например стенками сосуда) свободной поверхности жидкости и является результатом суперпозиции динамической кривизны, которая создавалась бы ТК конвекцией в жидкости с плоской свободной поверхностью, и кривизны статически деформированной поверхности жидкости [3]. The geometry of the TC response is determined by the shape of the TC cavity. In turn, the shape of the TC of the depression depends on the static curvature (the static curvature of the free surface of the fluid is caused by its deformation as a result of the interaction of the fluid with solid boundaries, for example the walls of the vessel) of the free surface of the fluid and is the result of a superposition of dynamic curvature that would be created by convection in the fluid with a plane free surface, and the curvature of the statically deformed surface of the liquid [3].

Наиболее наглядно это можно показать на примере цилиндрического мениска, который образуется между двумя плоскопараллельными границами расположенными симметрично относительно ТК углубления. В этом случае ТК отклик можно характеризовать двумя диаметрами: диаметр D_i соответствует неограниченному зеркалу жидкости и остается постоянным при фиксированной толщине слоя, а диаметр D_b - ограниченному зеркалу и зависит от радиуса статической кривизны свободной поверхности. При вогнутом мениске D_b растет с уменьшением радиуса кривизны (фиг. 1, фото 1-2), при выпуклом - убывает с ростом радиуса кривизны мениска (фиг. 1, фото 4-5). Только в случае плоской поверхности жидкости диаметры D_b и D_i равны и ТК отклик является кругом (фиг. 1, фото 3). Величину и знак одномерной статической кривизны удобно определять через коэффициент K:
K=D_b/D_i-1.This can be shown most clearly by the example of a cylindrical meniscus, which is formed between two plane-parallel boundaries located symmetrically with respect to the TC cavity. In this case, the TC response can be characterized by two diameters: the diameter D _i corresponds to an unlimited liquid mirror and remains constant at a fixed layer thickness, and the diameter D _b corresponds to a limited mirror and depends on the radius of the static curvature of the free surface. With a concave meniscus, D _b increases with decreasing radius of curvature (Fig. 1, photos 1-2), with a convex meniscus it decreases with increasing radius of curvature of the meniscus (Fig. 1, photos 4-5). Only in the case of a flat surface of the liquid, the diameters D _b and D _i are equal and the TC response is a circle (Fig. 1, photo 3). The magnitude and sign of one-dimensional static curvature is conveniently determined through the coefficient K:
K = D _b / D _i -1.

Если поверхность жидкости вогнутая К > 0, выпуклая К < 0, при плоской поверхности К = 0. If the surface of the liquid is concave K> 0, convex K <0, with a flat surface K = 0.

Экспериментальная оценка чувствительности ТК отклика к кривизне свободной поверхности жидкости, выполненная для одномерного случая показала, что еще хорошо наблюдаемая деформация ТК отклика (К = 0,18) соответствует кривизне свободной поверхности жидкости с радиусом более 6,5 м. Высокая чувствительность ТК отклика положена в основу предлагаемого способа контроля плоскостности свободной поверхности жидкости. An experimental assessment of the sensitivity of the TC response to the curvature of the free surface of the liquid, performed for the one-dimensional case, showed that the still well-observed deformation of the TC response (K = 0.18) corresponds to the curvature of the free surface of the liquid with a radius of more than 6.5 m. High sensitivity of the TC response is set in the basis of the proposed method for controlling the flatness of the free surface of the liquid.

Принципиальная схема способа показана на фиг.2. Здесь 1 - контролируемая поверхность жидкости, 2 - ТК углубление, 3 - лазер, излучение которого хорошо поглощается жидкостью, 4 - экран. Schematic diagram of the method shown in figure 2. Here 1 is the controlled surface of the liquid, 2 is the TC cavity, 3 is a laser whose radiation is well absorbed by the liquid, 4 is the screen.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Плоскостность свободной поверхности жидкости контролируют по отклонению формы ТК отклика от круглой, которая соответствует плоской свободной поверхности. Контроль в нескольких точках поверхности исключает возможную ошибку, связанную с тем, что пучок лазера может попасть в центр сферического мениска (в этом случае ТК отклик остается круглым, а влияние статической кривизны выражается в изменении его диаметра). The essence of the proposed method is as follows. The flatness of the free surface of the liquid is controlled by the deviation of the shape of the TC response from the round, which corresponds to a flat free surface. Monitoring at several points on the surface eliminates the possible error associated with the fact that the laser beam can hit the center of the spherical meniscus (in this case, the TC response remains round, and the influence of static curvature is expressed in a change in its diameter).

Свойства жидкости (главным образом вязкость и коэффициент поглощения) и толщина ее слоя влияют на интенсивность конвективного процесса. В результате, для разных жидкостей или при разной толщине слоя одной и той же жидкости при фиксированной мощности индуцирующего лазерного пучка размеры ТК отклика могут заметно отличаться. Но при этом параметры отклика, определяемые кривизной свободной поверхности жидкости, сохраняют свойство подобия [3]. The properties of the liquid (mainly viscosity and absorption coefficient) and the thickness of its layer affect the intensity of the convective process. As a result, for different liquids or for different layer thicknesses of the same liquid at a fixed power of the inducing laser beam, the dimensions of the TC response can noticeably differ. But at the same time, the response parameters determined by the curvature of the free surface of the liquid retain the similarity property [3].

Таким образом, предлагаемый способ обладает следующими преимуществами. Оптическая схема способа предельно простота, надежна и не требует точной юстировки. Способ позволяет обнаруживать у свободной поверхности жидкости произвольной площади наличие статической кривизны с радиусом более 6,5 метров. Thus, the proposed method has the following advantages. The optical scheme of the method is extremely simple, reliable and does not require precise adjustment. The method allows to detect at the free surface of a liquid of arbitrary area the presence of static curvature with a radius of more than 6.5 meters.

Литература
1. А.с. N 381863, G 01 В 5/28, 1973, БИ N 22.Literature
1. A.S. N 381863, G 01 B 5/28, 1973, BI N 22.

2. А.с. N 875209, G 01 В 9/02, G 01 В 11/24, 1981, БИ N 39. 2. A.S. N 875209, G 01 B 9/02, G 01 B 11/24, 1981, BI N 39.

3. Безуглый Б.А. Канд. диссертация. М.: МГУ, 1983, c.228- 235. 3. Bezugly B.A. Cand. thesis. M.: Moscow State University, 1983, p. 228-235.

Claims

A method of non-contact control of the flatness of a surface, including the operations of illuminating an object and forming an interference pattern in light reflected from the object, according to which the flatness of the object is judged, characterized in that a convective vortex is excited by laser radiation to control the flatness of the free surface of the liquid, causing dynamic deformation its free surface in the form of an axisymmetric recess, and the flatness of the free surface of the liquid is controlled by shape deviation interference pattern observed on a screen placed in a cross section of the caustic reflected from the recess of the laser beam from a round shape corresponding to the flat free surface of the liquid.