表面粗糙度測量原理和方法綜述

1、表面粗糙度測量原理和方法綜述摘要:表面粗糙度是機械加工中描述表面微觀形貌非常重要的一個參數(shù)，表面粗糙度測量技術(shù)是現(xiàn)代精密測試計量技術(shù)的一個重要組成部分。綜述了接觸式和非接觸式兩類測量方法，著重介紹了非接觸式測量中的幾種測量方法的測量原理及其優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞:表面粗糙度;接觸式測量;非接觸式測量Survey of measurement methods for surface roughnessAbstract Surface roughness is an important parameter to reflect the micro-geometry in machine process a

2、nd also an important part of modern precise measurement technique Contact measurement and non contact measurement was summarized in this paper, and the advantages and disadvantages are discussed .Some ideas about its trend are given in the end.Keywords surface roughness contact measurement non conta

3、ct measurement1 引 言 表面粗糙度是機械加工中描述表面微觀形貌最常用的參數(shù)，它反映的是機械零件表面的微觀幾何形狀誤差，隨著機械加工行業(yè)的發(fā)展表面粗糙度測量技術(shù)也得到長足進步，特別是70年代中后期，隨著微電子計算機應(yīng)用的逐步普及和現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)、激光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，使粗糙度測量技術(shù)在機械加工、光學(xué)加工、電子加工等精密加工行業(yè)中的地位顯得愈發(fā)重要。表面粗糙度的測量方法基本上可分為接觸式測量和非接觸式測量兩類:在接觸式測量中主要有比較法、印模法、觸針法等;非接觸測量方式中常用的有光切法、散斑法、像散測定法、光外差法、AFM 、飛光學(xué)傳感器法等。下面就接觸式和非接觸式兩類測量方法分別作介

4、紹與討論。2 接觸式測量接觸式測量就是測量裝置的探測部分直接接觸被測表面，能夠直觀地反映被測表面的信息，但是這類方法不適于那些易磨損剛性強度高的表面。2.1比較法 比較法是車間常用的方法將被測表面對照粗糙度樣板，用手摸靠感覺來判斷被加工表面的粗糙度;也可用肉眼或借助于放大鏡比較顯微鏡比較比較法一般只用于粗糙度評定參數(shù)值較大的情況下，而且容易產(chǎn)生較大的誤差。2.2印模法 利用某些塑性材料作塊狀印模，貼合在被測表面上，取下后在印模上存有被測表面的輪廓形狀，然后對印模的表面進行測量，得出原來零件的表面精糙度對于某些大型零件的內(nèi)表面不便使用儀器測量，可用印模法來間接測量，但這種方法的測量精度不高且過程

5、繁瑣。2.3觸針法 觸針法又稱針描法，它是將一個很尖的觸針(半徑可以做到微米量級的金剛石針尖)垂直安置在被測表面上作橫向移磯觸針將隨著被測表面輪廓形狀作垂直起伏運魂將這種微小位移通過電路轉(zhuǎn)換成電信號并加以放大和運算處理，即可得到工作表面粗糙度參數(shù)值，主要分為電感式壓電式感應(yīng)式等幾種。這種儀器穩(wěn)定性好，示數(shù)客觀可靠，使用方便等優(yōu)點，其垂直分辨力最高可達到幾納米。3非接觸式測量 非接觸式測量就是利用對被測表面形貌沒有影響的手段間接反映被測表面的信息來進行測量的方法，這類方法最大的優(yōu)點就是測量裝置探測部分不與被測表面的直接接觸，保護了測量裝置，同時避免了與測量裝置直接接觸引入的測量誤差。3.1光切法

6、 光切法是利用光切原理來測量表面粗糙度的方法，它將一束平行光帶以一定角度投射與被測表面上，光帶與表面輪廓相交的曲線影像即反映了被測表面的微觀幾何形狀，解決了工件表面微小峰谷深度的測量問題，避免了與被測表面的接觸。由于它采用了光切原理，所以可測表面的輪廓峰谷的最大和最小高度，要受物鏡的景深和鑒別率的限制。峰谷高度超出一定的范圍，就不能在目鏡視場中成清晰的真實圖像而導(dǎo)致無法測量或者測量誤差很大但由于該方法成本低、易于操作，所以還在被廣泛應(yīng)用，如上海光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的9J(BQ)光切法顯微鏡3.2散斑法 測量原理如圖2有單模半導(dǎo)體激光器La發(fā)出的光束經(jīng)透鏡發(fā)散，由分光鏡S分成兩路，一路照射被測表面O,

7、另一路通過S射到平面反射鏡M返回，作為參考光與被測表面返回的散射光重新在S匯合發(fā)生干涉，采用CCD攝像機記錄干涉圖樣，并存儲到計算機中。參考鏡M與一個壓電陶瓷(PZT)相連，PZT由計算機控制，能使參考鏡M產(chǎn)生一個微小位移W（x，y）將發(fā)生變化。由于相位差是與輪廓深度(即光程差)對應(yīng)的，因此可根據(jù)W（x，y）確定各點的粗糙度激光散班圖一般反映了被激光照射表面的微觀結(jié)構(gòu)情況，但要從中直接得出表面參數(shù)的信息是非常困難的，特別在用單色光照明粗糙表面時，由于非常粗糙表面所形成的散斑并不完全由粗糙度決定，因此用散斑測量表面粗糙度時，只在一定的范圍內(nèi)合適在某些情況下，由于表面過于光滑而無法用電子散斑干涉儀

8、進行測量，而有時也有可能由于表面過于粗糙而無法測量，故此時可用銀灰色的噴漆作為輔助手段，其形狀差條紋的靈敏度可高達10m。 3.3像散測定法 圖3為其測量原理物體表面上被照射著的光B通過物鏡成像于位置Qx當(dāng)光點與物鏡距離(光軸方向)變到A或者C時，則成像位置也會分別移至Px或Sx若從處于中間并垂直于光軸的面上來觀察其光束，就可發(fā)現(xiàn)光束的直徑也隨之變化也就是可以檢測光束直徑的變化量來判斷成像的位置在物鏡后面插入一塊只能在Y軸方向聚束的柱面透鏡Y軸方面的成像將往前移至Py，Qy，Sy以后光束便發(fā)散由于X軸，Y軸方向上成像位置的不同，光束成橢圓狀，如圖4所示，故光點遠離物鏡時，則為長軸在Y軸上的橢圓

9、;相反，靠近物鏡時，則為長軸在X軸上的橢圓，用象限光電探測器(四等分光電二極管)作傳感器，光束經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后再放大和計算，可獲得與被測表面微小變位量相對應(yīng)的輸出信號，這種方法分辨力可達到納米級別，但測量范圍較小。3.4光外差干涉法 常見的干涉顯微鏡分兩種形式，我國這兩種形式的產(chǎn)品型號分別為6J和6JA型(如上海光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的6JA(JBS)，光外差干涉法就是在此基礎(chǔ)上提出的一種新方法。 圖5是光外差法的原理圖。由He-Ne激光器1發(fā)出的激光被分光鏡2分成兩路:一路透射經(jīng)聲光調(diào)制器凡一級衍射光頻率增加f 2= 40MHZ、經(jīng)反射鏡4擴束系統(tǒng)8由透鏡會聚到物鏡14的后焦點上，經(jīng)14后成為平行光照射

10、到被測面15上，作為參考光束;另一路由分光鏡2反射經(jīng)聲光調(diào)制器5一級衍射光頻增加f 1= 41MHZ、經(jīng)反射鏡6擴束系統(tǒng)7分光鏡12，由物鏡14會聚在樣品表面，作為測量光束，測量光斑的大小由物鏡14的參數(shù)決定。透過分光鏡12的測量光束與被分光鏡12反射的參考光束產(chǎn)生拍波;由探測器13接收，產(chǎn)生參考信號，而從被測面返回的兩束光由分光鏡10反射進入探測器12產(chǎn)生測量信號將探測器11、13接收到的測量與參考信號送入相位計進行比相，于是可測得表面輪廓高度值從理論推導(dǎo)中可以看到，干涉儀二臂不共路部分的相位差通過比相，其影響被消除，這對提高儀器的抗干擾能力，提高信噪比十分有私該測量裝置的缺點是用了兩個價格

11、昂貴的聲光調(diào)制器，不利于產(chǎn)品化。3.5 A FM法A FM的工作原理如圖6所示當(dāng)將一個對微弱力極其敏感的微懸臂一端固定，另一端帶有一微小探針(約10nm)接近被測試樣至納米級距離范圍時，根據(jù)量子力學(xué)理論，在這個微小間隙內(nèi)由于針尖尖端原子與樣品表面原子間產(chǎn)生極微弱的原子排斥力。由驅(qū)動控制系統(tǒng)控制X, Y,Z三維壓電陶瓷微位移工作臺帶動其上的被測樣品逼近探針并使探針相對掃描被測樣品。通過在掃描時控制該原子力的恒定，帶有針尖的微懸臂在掃描被測樣品時由于受針尖與樣品表面原子間的作用力的作用而在垂直于樣品表面的方向起伏運魂利用微懸臂彎曲檢測系統(tǒng)可測得微懸臂對應(yīng)于各掃描點位置的彎曲變化，從而可以獲得樣品表面形貌的三維信息，其高度方向和水平方向的分辨力可分別達到0.1nm和1nm。3.6光學(xué)傳感器法光學(xué)傳感器法是在光學(xué)三角測距法的原理上提出來的，其工作原理如圖7所示裝置主要有兩部分構(gòu)成，有兩個位置敏感探測器(P