КОМПЛЕКСНОЕ УСТРОЙСТВО ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА
METAL SURFACE STATE STUDYING INTEGRATED DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля технологического процесса поверхностной отделочно-упрочняющей обработки, а также при проведении научных исследований и лабораторных работ в учебном процессе.
Известна связь работы выхода электрона (определяемой при измерении контактной разности потенциала поверхности) с механическими свойствами поверхности, проявляемыми, например, в процессах трения и износа (см. Пантелеев К.В., Свистун А.И., Жарин А.Л. Методы измерений работы выхода электрона для контроля состояния поверхностей в процессе трения // Приборы и методы измерений, №2(9), 2014, С. 107-112). После установления этой связи для исследуемого материала обычно требуется выяснить причины, приводящие к изменению контактной разности потенциала (КРП). Для этого проводятся металлографические исследования с помощью других приборов, например, микроскопа.
Однако, при металлографических исследованиях затруднительно точно попасть в область измерения КРП. Кроме того, с образцом исследуемого материала требуется провести определенные манипуляции, которые могут сопровождаться изменением КРП, например, в результате окисления. Указанные моменты снижают информативность установления корреляции КРП и металлографической структуры поверхности материала, а также определяют продолжительность требуемого времени исследования.
Известно устройство реализующее измерение работы выхода электрона методом Кельвина-Зисмана (метод вибрирующего электрода) (см. Илюкович А.М. Техника электрометрии. М.:»Энергия» 1976. с.400, стр. 336-339),  в основе которого лежит динамический конденсатор, обкладки которого выполнены из различных металлов. Один электрод (неподвижный) – представляет собой исследуемый материал, а другой (вибрирующий) – является эталонным металлом, работа выхода электронов из которого известна. Вне зазора металлы гальванически соединены. Суть метода состоит в том, что в зазоре между указанными металлами, образующими плоский конденсатор, возникает электрическое поле, определяемое различием поверхностных потенциалов электродов. Периодическое изменение зазора конденсатора приводит к тому, что напряженность поля в зазоре также изменяется. Это приводит к появлению переменного тока во внешнем проводнике, соединяющем электроды. Частота переменного тока равна частоте колебания вибрирующего электрода. Включив в разрыв цепи конденсатора источник напряжения и, регулируя его, добиваются исчезновения тока при перемещении одного из электродов. Искомую величину контактной разности потенциалов определяют, измеряя напряжение на источнике при нулевом токе конденсатора.
Известна конструкция вибрационного привода с электростатическим возбуждением динамического конденсатора (см. Weissman E., Petersen C., Tarina D. – « J. Physics. Ser. E.»,1968,v.1,p. 426-428). Подвижная обкладка, выполненная виде пластинки слюды, позолоченной с обоих сторон), расположена между двумя неподвижными обкладками. Одна из неподвижных пластин образует с подвижной слюдяной пластинкой исследуемый воздушный зазор. Между второй неподвижной пластины и подвижной слюдяной пластинкой приложено переменное напряжение с собственной частотой свободных колебаний подвижного электрода. Эта конструкция обладает рядом существенных недостатков. Так как колебание эталонного электрода возникает вследствие электростатического взаимодействия, то для этого требуется достаточно большое напряжение. Кроме того, частота возбуждающего напряжения равна частоте полезного сигнала. Это усложняет конструкцию выделения полезного сигнала. Достаточно сложно и дорого изготовить описанную выше слюдяную пластинку и ее крепление. Кроме того, визуальное наблюдение состояния поверхности в области измерения КРП невозможно.
Другим примером устройства динамического конденсатора может служить устройство, основанное на использовании пьезоэлектрического эффекта (см. Пантелеев К.В. Методы и средства измерения контактной разности потенциалов на основе анализа компенсационной зависимости зонда Кельвина. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Минск, 2016. С. 11 рис. 4). В данном устройстве вибрационный привод эталонного электрода выполнен на биморфной пьезоэлектрической пластине. Недостатком этого привода является высокая цена и сложность изготовления биморфной пьезоэлектрической пластины, а также и необходимость достаточно мощного источника возбуждающего напряжения. Кроме того, пьезоэлемент является хрупким элементом, что снижает надежность общей конструкции. В данном устройстве также невозможно визуальное наблюдение состояния поверхности в области измерения КРП.
Наиболее близким аналогом, является (см. SU 1494732 A1, МКИ G01R29/12, опубл. 07.01.1991) устройство для измерения контактной разности потенциалов содержащее электромагнитный вибратор с катушкой индуктивности и подвижным элементом (мембраной) на котором жестко укреплен измерительный зонд, расположенный над поверхностью исследуемого материала. Гармонические колебания зонда возбуждаются в катушке индуктивности посредством сигнала управления, вырабатываемого формирователем. Динамический конденсатор образуется измерительным зондом и измеряемой пластиной. Значение измеряемой величины КРП (контактной разности потенциалов) получается с помощью электронного блока выделения измеряемой величины.
Недостатками данного устройства является отсутствие возможности одновременно с величиной КРП осуществлять оптическое наблюдение состояния поверхности исследуемого материала в области измерения КРП.
Задача предлагаемого изобретения - обеспечение возможности одновременного измерения контактной разности потенциалов (КРП) и оптического наблюдения состояния поверхности.
Сущность изобретения заключается в том, что комплексное устройство исследования состояния поверхности металла, содержащее заземленный металлический стол для размещения измеряемой пластины, вибрирующий измерительный зонд, узел электромеханической связи измерительного зонда с электронным блоком выделения измеряемой величины контактной разности потенциала при этом вибрирующий измерительный зонд выполнен в виде диска с отверстием в центре, а в устройство введена оптическая система и видеокамера, расположенные напротив отверстия в измерительном зонде, оптическая система содержит, расположенные на оптической оси, совпадающей с центром отверстия в вибрирующем электроде и объективом видеокамеры, добавочную линзу, а напротив упомянутого отверстия находится светоделительный блок с осветителем, расположенные между добавочной линзой и видеокамерой, соединенной с блоком представления визуальной информации, а значение контактной разности потенциалов определяется с помощью электронного блока выделения измеряемой величины одновременно с оптическим наблюдением поверхности.
Техническим результатом комплексного устройства явилось повышение информативности исследования поверхности материала и снижение времени исследования за счет того, что в комплексном устройстве исследования состояния поверхности металла содержащее заземленный металлический стол для размещения измеряемой пластины, вибрирующий измерительный зонд, узел электромеханической связи измерительного зонда с электронным блоком выделения измеряемой величины контактной разности потенциала, вибрирующий измерительный зонд выполнен виде диска с отверстием в центре, а в устройство введена оптическая система и видеокамера, расположенные напротив отверстия в измерительном зонде, оптическая система содержит, расположенные на оптической оси системы, добавочную линзу, а между упомянутой линзой и видеокамерой соединенной с блоком представления визуальной информации, а значение КРП определяется с помощью электронного блока выделения измеряемой величины  одновременно с оптическим наблюдением поверхности.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлено комплексное устройство исследования состояния поверхности металла.
Комплексное устройство исследования состояния поверхности металла содержит заземленный металлический стол 1 для размещения измеряемой пластины 2, вибрирующий измерительный зонд 3, узел электромеханической связи 4 вибрирующего измерительного зонда 3 с электронным блоком 5 выделения измеряемой величины контактной разности потенциала, вибрирующий измерительный зонд 3 выполнен виде диска с отверстием 6 в центре, а в устройство введена оптическая система 7 содержит, расположенные на оптической оси 8 системы видеокамеру 9, добавочную линзу 10,  светоделительный блок 11 расположенные напротив отверстия 6. Освещение поверхности металла осуществляется источником света 12, а упомянутая видеокамера 9 соединена с блоком представления визуальной информации 13. Значение контактной разности потенциала определяется с помощью электронного блока выделения измеряемой величины 5 одновременно с оптическим наблюдением поверхности.
Комплексное устройство исследования состояния поверхности металла работает следующим образом: на заземленный металлический стол 1 помещается измеряемая пластина 2 контролируемой поверхностью вниз, вибрирующий измерительный зонд 3 с узлом электромеханической связи 4 подводятся к контролируемой поверхности на необходимое расстояние (обычно это 0,2 – 0.3 мм). Наличие контактной разности потенциалов между материалом зонда 3 и измеряемой пластины 2 приводит к возникновению переменного электрического поля, которое компенсируется средствами электронного блока 5, выдающего информацию о значение величины контактной разности потенциалов. Одновременно, через отверстие 6 в вибрирующем измерительном зонде 3  оптическая система 7, состоящая из расположенных на одной оптической оси 8 видеокамеры 9, добавочной линзы 10 и светоделительного блока 11 формирует оптическое изображение поверхности измеряемой пластины через отверстие 8. Освещение поверхности осуществляется источником света 12 через светоделительный блок 11, представляющий собой прозрачный куб с полупрозрачной внутренней поверхностью, который расщепляет световой поток на две части, одна из которых падает нормально на поверхности изучаемой пластины, освещая ее. Отраженный от поверхности световой поток проходит через полупрозрачную внутреннюю поверхность и попадает на видеокамеру 9. Добавочная линза 10 обеспечивает необходимое увеличение и представления резкого изображения поверхности блоком представления визуальной информации 13.
В соответствии с законами электростатики наличие небольшого отверстия в центре вибрирующего измерительного зонда 3 не влияет на величину измеряемой контактной разности потенциалов.
Предлагаемая конструкция комплексного устройства обеспечивает повышение информативности исследования поверхности материала и снижение времени исследования.
При измерении контактной разности потенциалов методом Кельвина вибрирующий измерительный электрод расположен в непосредственной близи к поверхности измеряемой пластины, поэтому отверстие в измерительном электроде играет роль ширмы и процессы дифракции света на нем пренебрежимо малы. Отверстие диаметром 2 мм вполне достаточно для наблюдения поверхности измеряемой пластины с увеличением не менее 30÷60. Надежное измерение КРП возможно при общем диаметре вибрирующего электрода 4÷5 мм. Таким образом в предлагаемом комплексном устройстве вибрирующий электрод будет представлять собой шайбу с наружным диаметром 4÷5 мм и отверстием диаметром 2 мм.
В силу очевидности возможности реализации, расчет оптической системы здесь не приводится.