表面粗糙度测量原理和方法综述

表面粗糙度测量原理和方法综述摘要:表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌非常重要的一个参数，表面粗 糙度测量技术是现代精密测试计量技术的一个重要组成部分。综述了接触式和非 接触式两类测量方法，着重介绍了非接触式测量中的几种测量方法的测量原理及 其优缺点。关键词:表面粗糙度;接触式测量;非接触式测量Survey of measurement methods for surface roughnessAbstractsurface rough ness is an importa nt parameter to reflect the micro-geometry in machine process and also an important part of modern precise measurement tech nique Con tact measureme nt and non con tact measureme nt was summarized in this paper, and the adva ntages and disadva ntages are discussed .Some ideas about its trend are give n in the end.Keywordssurface rough ness con tact measureme nt non con tact measureme nt 1引言表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌最常用的参数，它反映的是机械零件表面的微观几何形状误差，随着机械加工行业的发展表面粗糙度测量技术也 得到长足进步，特别是70年代中后期，随着微电子计算机应用的逐步普及和现 代光学技术、激光应用技术的发展，使粗糙度测量技术在机械加工、光学加工、 电子加工等精密加工行业中的地位显得愈发重要。表面粗糙度的测量方法基本上可分为接触式测量和非接触式测量两类：在接触式测量中主要有比较法、印模法、触针法等 ；非接触测量方式中常用的有光切 法、散斑法、像散测定法、光外差法、AFM、飞光学传感器法等。下面就接触式和非接触式两类测量方法分别作介绍与讨论。2接触式测量接触式测量就是测量装置的探测部分直接接触被测表面，能够直观地反映被 测表面的信息，但是这类方法不适于那些易磨损刚性强度高的表面。2.1比较法比较法是车间常用的方法将被测表面对照粗糙度样板，用手摸靠感觉来判断 被加工表面的粗糙度；也可用肉眼或借助于放大镜比较显微镜比较比较法一般只 用于粗糙度评定参数值较大的情况下，而且容易产生较大的误差。2.2印模法利用某些塑性材料作块状印模，贴合在被测表面上，取下后在印模上存有被 测表面的轮廓形状，然后对印模的表面进行测量，得出原来零件的表面精糙度对 于某些大型零件的内表面不便使用仪器测量，可用印模法来间接测量，但这种方法的测量精度不高且过程繁琐。2.3触针法触针法又称针描法，它是将一个很尖的触针（半径可以做到微米量级的金刚 石针尖）垂直安置在被测表面上作横向移矶触针将随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运魂将这种微小位移通过电路转换成电信号并加以放大和运算处理， 即可得 到工作表面粗糙度参数值，主要分为电感式压电式感应式等几种。 这种仪器稳定 性好，示数客观可靠，使用方便等优点，其垂直分辨力最高可达到几纳米。3非接触式测量非接触式测量就是利用对被测表面形貌没有影响的手段间接反映被测表面 的信息来进行测量的方法，这类方法最大的优点就是测量装置探测部分不与被测 表面的直接接触，保护了测量装置，同时避免了与测量装置直接接触引入的测量 误差。3.1光切法光切法是利用光切原理来测量表面粗糙度的方法，它将一束平行光带以一定 角度投射与被测表面上，光带与表面轮廓相交的曲线影像即反映了被测表面的微 观几何形状，解决了工件表面微小峰谷深度的测量问题，避免了与被测表面的接 触。由于它采用了光切原理，所以可测表面的轮廓峰谷的最大和最小高度， 要受 物镜的景深和鉴别率的限制。峰谷高度超出一定的范围，就不能在目镜视场中成 清晰的真实图像而导致无法测量或者测量误差很大但由于该方法成本低、易于操作，所以还在被广泛应用，如上海光学仪器厂生产的9J（BQ光切法显微镜3.2散斑法测量原理如图2有单模半导体激光器La发出的光束经透镜发散，由分光镜S 分成两路，一路照射被测表面 0,另一路通过S射到平面反射镜M返回，作为参 考光与被测表面返回的散射光重新在 S汇合发生干涉，采用CCD摄像机记录干 涉图样，并存储到计算机中。参考镜 M与一个压电陶瓷（PZT相连，PZT由计算 机控制，能使参考镜M产生一个微小位移 W（x，y）将发生变化。由于相位差是与 轮廓深度（即光程差）对应的，因此可根据 W（X，y）确定各点的粗糙度激光散班图一般反映了被激光照射表面的微观结构情况，但要从中直接得出表面参数的信息是非常困难的，特别在用单色光照明粗糙表面时，由于非常粗糙 表面所形成的散斑并不完全由粗糙度决定， 因此用散斑测量表面粗糙度时，只在 一定的范围内合适在某些情况下，由于表面过于光滑而无法用电子散斑干涉仪进 行测量，而有时也有可能由于表面过于粗糙而无法测量，故此时可用银灰色的喷漆作为辅助手段，其形状差条纹的灵敏度可高达10卩m。讨2用冋丨川叩|：上读掩柱断选橈光电.楹席、曲3惊肋法的側址愧趴13.3像散测定法图3为其测量原理物体表面上被照射着的光B通过物镜成像于位置 Q当光点与物镜距离（光轴方向）变到A或者C时，则成像位置也会分别移至 Px或Sx若 从处于中间并垂直于光轴的面上来观察其光束，就可发现光束的直径也随之变化也就是可以检测光束直径的变化量来判断成像的位置在物镜后面插入一块只能 在丫轴方向聚束的柱面透镜丫轴方面的成像将往前移至 Py, Qy, Sy以后光束便 发散由于X轴，丫轴方向上成像位置的不同，光束成椭圆状，如图4所示，故光点远离物镜时，则为长轴在 丫轴上的椭圆；相反，靠近物镜时，则为长轴在 X轴 上的椭圆，用象限光电探测器（四等分光电二极管）作传感器，光束经光电转换后 再放大和计算，可获得与被测表面微小变位量相对应的输出信号，这种方法分辨 力可达到纳米级别，但测量范围较小。3.4光外差干涉法常见的干涉显微镜分两种形式，我国这两种形式的产品型号分别为 6J和6JA 型（如上海光学仪器厂生产的 6JA（JBS）光外差干涉法就是在此基础上提出的一 种新方法。图5是光外差法的原理图。由He-Ne激光器1发出的激光被分光镜2分成两 路:一路透射经声光调制器凡一级衍射光频率增加f 2= 40MHZ、经反射镜4扩束系统8由透镜会聚到物镜14的后焦点上，经14后成为平行光照射到被测面15 上，作为参考光束;另一路由分光镜2反射经声光调制器5 一级衍射光频增加f仁 41MHZ、经反射镜6扩束系统7分光镜12,由物镜14会聚在样品表面，作为测 量光束，测量光斑的大小由物镜14的参数决定。透过分光镜12的测量光束与被分光镜12反射的参考光束产生拍波；由探测 器13接收，产生参考信号，而从被测面返回的两束光由分光镜 10反射进入探测 器12产生测量信号将探测器11、13接收到的测量与参考信号送入相位计进行比 相，于是可测得表面轮廓高度值从理论推导中可以看到，干涉仪二臂不共路部分的相位差通过比相，其影响被消除，这对提高仪器的抗干扰能力，提高信噪比十 分有私该测量装置的缺点是用了两个价格昂贵的声光调制器，不利于产品化。3.5 A FM 法A FM的工作原理如图6所示当将一个对微弱力极其敏感的微悬臂一端固定， 另一端带有一微小探针（约10nm）接近被测试样至纳米级距离范围时，根据量子 力学理论，在这个微小间隙内由于针尖尖端原子与样品表面原子间产生极微弱的 原子排斥力。由驱动控制系统控制 X, Y,Z三维压电陶瓷微位移工作台带动其上的 被测样品逼近探针并使探针相对扫描被测样品。通过在扫描时控制该原子力的恒 定，带有针尖的微悬臂在扫描被测样品时由于受针尖与样品表面原子间的作用力 的作用而在垂直于样品表面的方向起伏运魂利用微悬臂弯曲检测系统可测得微悬臂对应于各扫描点位置的弯曲变化，从而可以获得样品表面形貌的三维信息, 其高度方向和水平方向的分辨力可分别达到 0.1 nm和1nm。ftSiri?1±皑由瓷工作总/趨抓传惑器JZ負FM績鮒林样囲三醴压电闸63.6光学传感器法光学传感器法是在光学三角测距法的原理上提出来的，其工作原理如图7所示装置主要有两部分构成，有两个位置敏感探测器（PSD和激光器组成的对称三角测距器及两个光电二极管组成的光传感器由PSD探测到携带被测物体表面信息的光信号，输出两路信号（Td和Td ）;光电二极管探测到的光信号后输出一路 模拟电压信号（SC2 ），然后利用PSD和光电二极管探测到的信号与被测物表面粗糙 度的关系就可以确定被测物体表面的粗糙度该方法采用技术较成熟的光学三角 法，比较容易实现，但是测量精度不高。H 7此学&髒胖汰