【doc】用光散射法測(cè)量表面粗糙度

1、用光散射法測(cè)量表面粗糙度 計(jì)量與檢測(cè) 用光散射法測(cè)量表面粗糙度 ,導(dǎo)害 上海交通女學(xué)嚴(yán)慎張鄂 隨著新材料 ,新工藝的不斷涌現(xiàn) ,人們對(duì) 精密機(jī)械的質(zhì)量及結(jié)構(gòu)小型化提出了更嚴(yán)格的 要求 ,從而也提高了對(duì)工作表面功能的要求 . 例如:錄像機(jī)中用金剛石刀具加工的導(dǎo)輪和經(jīng) 過(guò)拋光的錄像頭 ,和用來(lái)貯存信息的磁盤(pán)及光 盤(pán)的表面質(zhì)量等 ,這些表面的表面粗糙度必須 控翩在見(jiàn) =0,01m 左右.由于在精密加工過(guò) 程中,刀具的磨損及偶然現(xiàn)象的產(chǎn)生乃不可避 免,單靠控制加工工藝參數(shù)很難得到所要求的 表面質(zhì)量 .所以表面粗糙度的在線或生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) 的測(cè)量及控耕也成為一項(xiàng)重要要求 . 傳統(tǒng)的方法是采用觸針式儀器來(lái)進(jìn)行表

2、面 粗糙度測(cè)量 .然而 ,觸針式儀器的不足之處在 于 ;1）觸針和被測(cè)面相接觸 ,造成表面劃傷 , 觸針磨損 ,2）調(diào)整與測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng) ,尤其是測(cè) 量小曲率半徑曲面 ;8）儀器昂貴 （Talysurf 6 型 ）,對(duì)環(huán)境要求高 , 無(wú)法在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行 測(cè)量,所以.一般認(rèn)為 ,采用觸針式儀器的測(cè) 量方法是一種實(shí)驗(yàn)室技術(shù) .要克服上述不足 , 就必須發(fā)展無(wú)損 ,非接觸式的快速檢測(cè)方法 . 常用的方法有氣動(dòng)法 ,電容法 ,電感法和光 學(xué)法 .針對(duì)表面粗糙度測(cè)量來(lái)說(shuō) ,目前,最引 人注目的是光學(xué)方法 . 光波的波長(zhǎng)比較短原則上可以實(shí)現(xiàn)高精 度測(cè)量 .有三種典型的光學(xué)方法干涉法激光 觸針?lè)ê凸馍⑸浞?.

3、干涉法主要用于測(cè)量光學(xué) 表面及其它高反射率表面的表面輪廓 （面形 ）, 但要應(yīng)用于機(jī)加工表面是困難的 .激光觸針?lè)?目前國(guó)內(nèi)尚處于研究階段該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜要 求儀器剮性好 ,運(yùn)動(dòng)精度高 ,對(duì)環(huán)境要求也很 苛刻 .這兩種方法都能獲得表面的輪廓 ,實(shí)驗(yàn)室 精度都可達(dá)到納米級(jí) .激光散射法是通過(guò)對(duì)散 射場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)來(lái)表征表面性質(zhì)的 ,這種方法的主 要特點(diǎn)是;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)環(huán)境要求低 ,操作方 便 ,精度能滿足工業(yè)檢測(cè)的需要 ,適臺(tái)于在生 產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)作質(zhì)量控制 ,是一種提有實(shí)際應(yīng)用前途 的測(cè)量方法 . =,光在租髓襄看散射的基奉原曩 從六十年代開(kāi)始 ,人們提出了多種理論來(lái) 描述光在粗糙表面的散射 ,但是 ,至今還

4、沒(méi)有一 種理論能適用于整個(gè)工程表面粗植度范圍 .其 主要原因是被測(cè)表面種類(lèi)繁多 ,性質(zhì)各異 ,很難 找到統(tǒng)一的邊界條件 .目前比較常用的有兩種 描述方法 ,即衍射模型和微小鏡面模型 .前者 適用于描述光在中等或比較光 -滑表面的散射 . 后者適用于光在較粗糙表面的散射 . 1.衍射模型 衍射模型的基本思想是 :當(dāng)一束光入射到 被測(cè)表面的一個(gè)區(qū)域上 .由于表面是粗糙的 , 反射光向空間各個(gè)方向散射 ,形成一個(gè)散射 場(chǎng),場(chǎng)中某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是被測(cè)面上各面元波睜衍 射積分在該點(diǎn)的迭加 .Beekmann首先從 Helmholtz 積分出發(fā) ,在 Kirehhoff 衍射近 似條件下 ,確定了在鏡反射方向上

5、和偏離鏡反 射方向上的散射光的平均強(qiáng)度 .他的結(jié)論為測(cè) 量遠(yuǎn)場(chǎng)散射光來(lái)估算表面粗糙度的方法提供了 理論根據(jù) . 如圖 l 所示 ,當(dāng)一束單位強(qiáng)度準(zhǔn)直單色光 束入射到粗糙表面時(shí) .散射光向空間各個(gè)方向 ij 4/W/f/fw/f| 玎了 X 圈1 散射,如果表面的自相關(guān)函數(shù)為歸一化的高斯 函數(shù) ,表面高度變化符合高斯分布 ,對(duì)這樣的 維隨機(jī)表面 ,散射光的分布為 : I(02)=e-I【8inc 警 em】(1) .Ju 其中:T 為表面相干長(zhǎng)度 為表面被測(cè)區(qū)域長(zhǎng)度 , 旱(sin0一 sin0); 為入射光波長(zhǎng) ; 旱 (刪 l+c): F;1+co8(0l+0:)l/cos01c0E +co

6、8O2 Rq=圭 J:Z2()d.為均方根 , 粗糙度 Z()為表面輪廓 . 當(dāng)考慮高精度表面時(shí) ,(R)1I(1) 可簡(jiǎn) 化為: I(0z)=e-I8inc +e. 當(dāng)考慮較租糙表面時(shí) ,(R).1;有 e(-V 棚(3) 上述三式給出了散射光分布與月和的 關(guān)系 .它是目前應(yīng)用最廣泛的一種理論描述 . 2.微小鏡面模型 微小鏡面模型是適用于描述光在較租糙表 面的散射 .它是基于擔(dān)糙表面由一系勛微小鏡 面組成 ,光在每個(gè)鏡面上的反射遵守幾何光學(xué) 中的平面反射定律 .這樣就可以在輪廓角 6 的 分布尸 (6)與散射光的分布 (0.)之間建立起 緊密的關(guān)系 . =t X+ 一 X 圖2 為了簡(jiǎn)化描

7、述 ,假設(shè)圖 2 中的表面是一維 隨機(jī)表面.圖中,6為輪廓角,Ax 為一個(gè)小鏡 面在軸上投影的寬度 .L 為入射平行光的寬 度,中為入射光的光通量 .如圖 2 所示,照射到輪 廓角為 b66.-I-6 的輪廓上的光通量是 t 中=羋 Axf(4)_t 輪廓角 6 的概率密度分布定義為 ; 尸(6)=1_,/6(6 足夠小,LL 足夠大) P(b)Ab; 中=中尸(6)Ab(6) 如果材料的反射系數(shù)為月 ,那么在反射角 0 0 0:十 0 范圍內(nèi)的反射光通量為 : 中=R?中(6) 但定入射光是垂矗入射的 ,青 =.dO= 6.將 (6)式寫(xiě)成微分形式 : 6d/do=.RP(b) 夸 :K=?

8、K, ()=dr/d0z 有.f(7) L0:= (7)式建立了散射光空間分布 ,(0)與表面輪 廓角分布之間的關(guān)系它適用于當(dāng)表面起伏量 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射光波長(zhǎng) ,衍射效應(yīng)可以忽略下的 條件. 三 ,裹薯瞿 I 蠢度光散射法 測(cè)量方案的具體實(shí)現(xiàn) 根據(jù)光在粗糙表面的散射原理 ,內(nèi)外 已經(jīng)研究開(kāi)發(fā)了多種測(cè)量表面粗糙度的儀器和 裝置 ,但是已經(jīng)報(bào)道的商品化儀器只有兩種 . 即國(guó)內(nèi)根據(jù)程路 .桉環(huán)比原理研制的儀器 , 及國(guó)外 Brodmann 等人研制的儀器 (由 Roden sock公司生產(chǎn) ).本文分析介紹鏡反射率法 . 核一環(huán)比法及 Brodmanni 去三種比較典型 的儀器和裝置 t.鏡反射率法

9、鏡反射率法是基于 Beckmann 理論的多 種方法中的一種 .當(dāng)考慮高精度表面時(shí) ,前面 所述的(1)式可簡(jiǎn)化為 (2)式,對(duì)鏡反射光來(lái) 說(shuō):=0J,V=0.V=蘋(píng) e0s0I,F:1, L,這樣可以得到鏡反射光 ,: ,.:I(O2):e 一 (B1)(8) 在上面推導(dǎo)中 .入射光強(qiáng)度假設(shè)為單位強(qiáng) 度 .如果入射光強(qiáng)為 ,.在不考慮吸收的情 況下(0.=0=0,垂直入射 ): 一(睪)】(.) 其他漫散射光 ,1-exp一(睪娜(16) 定義 P=,./I為鏡反射率 ,0為鏡反射光與 漫反射光之比 , 0:/Id=/(i 一,)=P/(1一 P) 圖3 圖 3 是利用鏡反射率法來(lái)溯量高精度

10、平 面和球面粗糙度的裝置簡(jiǎn)圖 .圖中 ,為入射 激光柬;LJ,L2.厶,厶為透鏡 ;BS 為半 透半反板 ,S1.S:為小孔光欄 ;D,D 為光 電探測(cè)器 .在圖 8 中.入射到被鍘面的光線都 和被測(cè)面垂直 ,鏡反射光 ,原路返回 .經(jīng) S. 后由 D-接收,而 D 是用來(lái)探測(cè)入射光強(qiáng) , 的.這樣 .很容易獲得鏡反射率 P.本文作者利 用該法則量鋼球表面粗糙度巳取得了一定成 效. 這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,對(duì)環(huán)境要求低 ,適合 于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)附近作快速質(zhì)量控制 :不足之處 是見(jiàn) lOOnm 后靈敏度迅速下降 . 2.核環(huán)比法 用.核環(huán)比參數(shù)來(lái)表征表面租糙度的 方法適臺(tái)于鍘量高精度研磨型表面 .圖 4

11、 為核 如圈,(f=1,2,)為第 i 個(gè)光敏元接收 K 到的光能 (共有個(gè)光敏元 ).取 Sv 與執(zhí)作為 統(tǒng)計(jì)特征參數(shù) : 圖4 環(huán)比法測(cè)量裝置的簡(jiǎn)圖 . 圖中,I 為入射激光束 ,在被測(cè)表面發(fā)生 散射 .光核 部分(I)在遠(yuǎn)場(chǎng)由 D 接收 . 散射光環(huán)部分 (,)由 D:接收 ,核環(huán)比 K=I,L. 在使用該方法時(shí) ,既要根據(jù)程路模 型結(jié)合具體情況確定合適的光核與光環(huán)的尺 寸,同時(shí)必須保證 D,D: 的靈敏度和線性是 致的. 最新的核環(huán)比測(cè)量裝置以半導(dǎo)體激光 器作為光源 ,并采用了經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)放大 器,這樣可以使精度穩(wěn)定在 1小級(jí)以上 .該方 法的測(cè)量范圍為 R0.01gm0.32gm.

12、 8.Brodmann法 由 Brodmann 等人研制的儀器是一種帶有 專用計(jì)算機(jī)的較復(fù)雜的系統(tǒng) .這類(lèi)儀器已經(jīng)成 功地應(yīng)用于多種在線檢測(cè)領(lǐng)域 .圖 5 為該系統(tǒng) 的簡(jiǎn)圖. 宙5 發(fā)光管(LED)發(fā)出的光經(jīng) L2 準(zhǔn)直后,再 經(jīng)半透半度板 BS和透鏡 L 投射到設(shè)測(cè)表面 上.散射光徑厶后再由 Bs 反射揖射到光電 二級(jí)管陣列上 ,所刊得的光散射分布經(jīng)計(jì)算機(jī) 處理后 ,求得表征表面粗糙度的特征參數(shù) . K.(ii)P.(11) B=KfiPf(12) 其中 :=iP. P.=Iig/,心 是一個(gè)與幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) ,是信 號(hào)修正權(quán)系數(shù) .使用適當(dāng)?shù)?g(f=1,2, ,) 有利于提高系統(tǒng)的動(dòng)

13、態(tài)范圍 ,這是 Brodmann 法的一大特點(diǎn) .S在 Ro0.O1m 】 gm時(shí) 和月 .有很好的相關(guān)關(guān)系 .這種儀器也可應(yīng)用 于曲面粗糙度測(cè)量 .由于每次鍘量只需 40ms. 所以可應(yīng)用于一般的在線測(cè)量 .另外 ,該系統(tǒng) 采用了特殊設(shè)計(jì)的鏡頭 ,測(cè)量值對(duì)測(cè)頭與被測(cè) 面之間的相對(duì)移動(dòng) ( 2mm)不敏感 .因而 大大提高了其實(shí)用性 . 四,結(jié)柬語(yǔ) 光散射法測(cè)量表面粗糙度的優(yōu)點(diǎn)是非接 觸,無(wú)損 ,快速和可以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè) .已經(jīng)發(fā) 展的裝置和儀器都是通過(guò)對(duì)散射場(chǎng)的測(cè)量來(lái)獲 得表征表面粗糙度的統(tǒng)計(jì)參數(shù) ,故又可稱之為 是特征參數(shù)法 .另外這些方法都要經(jīng)過(guò)標(biāo)定 . 目前光散射法需要解決的問(wèn)題主要有以

14、下幾 點(diǎn):1,引入適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)參數(shù)和散射場(chǎng)信號(hào)的 處理,補(bǔ)償技術(shù) ,以提高測(cè)量的動(dòng)戀范圍和靈 敏度 ,2,用計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜翕分析 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)不 同材料 ,不同加工工藝的表面進(jìn)行譚 4量,3. 為減小體積 ,提高光源的穩(wěn)定性 .應(yīng)采用半導(dǎo) 體激光器 ,高強(qiáng)度發(fā)光管取代 He-Ne 激光器 等傳統(tǒng)光源 .可以設(shè)想隨 旨研究的深入 ,光散 射法將成為表面粗糙度在線測(cè)量的一種主要方 法. 激光定位光柵檢拍機(jī)的應(yīng)用 上海市計(jì)量技術(shù)研究所徐惠琴 激光定位光柵檢拍機(jī)是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)用于檢 測(cè)計(jì)量長(zhǎng)光柵和拍攝計(jì)量長(zhǎng)光柵的精密儀器 1982 年獲國(guó)家計(jì)量科學(xué)技術(shù)進(jìn)步四等獎(jiǎng) , 1985 年被國(guó)家計(jì)量局定為全國(guó)光柵認(rèn)證儀器

15、 . 1988 年通過(guò)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)的檢定 .其應(yīng)用 范日較廣 ,可以檢測(cè) O10O0 毫米內(nèi)不屈規(guī)格 . 不同形狀的精密玻璃光柵尺及光柵傳感器的線 值精度, 該檢拍機(jī)除了擁有儀器本體和專用電子計(jì) 算機(jī)外 ,還配有多種附加裝置 ,能開(kāi)展多種測(cè) 試服務(wù) .如光柵信號(hào)直流電平和相位變動(dòng)最的 測(cè)試 ;拍攝高精度的光柵只 ,高精度的感應(yīng)同 步器及感應(yīng)同步器的母板等 .以下作一簡(jiǎn)要介 紹. .計(jì)量嗣試 1.檢測(cè)計(jì)量長(zhǎng)光柵 目前 ,對(duì)計(jì)量長(zhǎng)光柵的檢測(cè)有兩種方法 ; 是采用檢測(cè)線紋尺的方法 ,亦即用光電顯微 鏡動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)光柵刻線的中心作為定位 .得到被 檢光柵線紋間隔的相鄰誤差和積累誤差 .這種 方法雖然簡(jiǎn)

16、單但與實(shí)際應(yīng)用不相符合 .二是采 用莫爾條紋法 ,就是將二塊光柵作相對(duì)運(yùn)動(dòng)麗 產(chǎn)生的黑自條紋 ,即奠爾條紋 ,由光敏元件接 收并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào) .一般用面積為 10 毫米 10毫米四等分的普通硅光電池作為接收元 件.如圖 1 所示. 圖1 安裝于儀器像溫罩外的 6伏 16瓦的自 熾燈發(fā)出的自光 .經(jīng)準(zhǔn)直透鏡成平行光束 , 再由反射鏡四次反射照明被光柵尺和指示光 柵 .調(diào)整光柵之間的夾角和間隙 .以獲得選 定的寬度和對(duì)比度良好的莫爾條絞 ,并為四 相硅光電池接收 ,送八差分放大器 ,從而得 到相位差為 90.的兩路信號(hào)輸入剜專用計(jì) 算機(jī)中 ,對(duì)激光測(cè)長(zhǎng)干涉條紋進(jìn)行開(kāi)門(mén)計(jì) 數(shù) .這種檢測(cè)方法適用于柵線長(zhǎng)的光柵尺 ,對(duì) 于目前宴際使用的大多為 5 毫米左右的光柵柵 線,其檢測(cè)精度不能得到保證 .為此 ,要采用 裂相法 .即:將面積為 2 毫米 x