表面粗糙度测量原理和方法综述

表面粗糙度测量原理与方法综述摘要：表面粗糙度是机械加工描述表面微观形态的重要参数，表面粗糙度测量技术是现代精密测量技术的重要组成部分。 总结了接触式和非接触式两种测量方法，重点介绍了非接触式测量中几种测量方法的测量原理和优缺点。关键词：的表面粗糙度接触式测量非接触测量surveyofmeasurementmethodsforsurfaceroughnessabstractsurfaceroughnessisanimprontpartetpartttorefectthemicro-gementionmetinmentprocessandalsoanimprontprotpatttpat urrements ntandnoncontermationsummarizedinthepaper，andtheadvantagesanddisdvantagesarediscussed.somediasaboutitstrenderverkeywordssurfaceroughnesscontactmeasurementnoncontactmeasurement1引言表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形态的最常用参数，它反映了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有了很大的进步，特别是70年代中后期，随着微电子计算机应用的普及和现代光学技术、激光应用技术的发展，在机械加工、光学加工、电子加工等精密加工行业表面粗糙度的测量方法基本分为接触式测量和非接触式测量两种：种，在接触式测量中以比较法、印模法、触针法等为主的非接触式测量方式中常用的有光削法、散斑法、像散测量法、外差法、AFM、飞行光学传感器法等。 对接触式和非接触式两种测量方法分别进行介绍和探讨。2接触式测量接触式测量是指测量装置的检测部分直接与被检面接触，在视觉上反映被检面的信息的方法，但不适合容易磨损的刚性高的表面。2.1比较法比较法是现场常用的方法，将被检查表面照射到粗糙度模板上，用手触摸的感觉判断被加工表面的粗糙度的用肉眼或放大镜进行的显微镜比较比较法，一般仅在粗糙度评价参数的值大的情况下使用，容易产生大的误差。2.2印章法使用一部分塑料材料制作块状印模，粘贴在被检面上，取下后，在印模上留下被检面的轮廓形状，测定印模的表面，结果原来的部件的表面粗糙度，在一部分大型部件的内表面上使用设备测定不方便，可以用印模法间接测定，但是该方法的测定精度不高，工艺2.3触针法触针法也称为针描绘法，是将锐利的触针(半径为微米级的金刚石的针尖)垂直放置在被检测表面并使其横向移动的触针，根据被检测表面的轮廓形状，作为垂直起伏运动灵魂，通过电路将该微小位移转换为电信号，并施加放大和运算处理，由此得到作业表面粗糙度参数值该仪器具有稳定性好、客观可靠、使用方便等优点，垂直分辨率可达到最高数纳米。3非接触测量非接触测量是用不影响被测量表面形态的手段间接反映被测量表面的信息进行测量的方法，该方法的最大优点是，通过测量装置的检测部分不与被测量表面直接接触，保护测量装置，避免与测量装置直接接触导入的测量误差。3.1光切割法光切割法是利用光切割原理测量表面粗糙度的方法，将平行光带以一定角度投影到被测面上，光带与表面轮廓相交的曲线图像反映了被测面的微观几何形状，解决了工件表面微小波谷深度的测量问题，避免了与被测面的接触。 由于采用了截光原理，可测量的表面轮廓谷的最大和最小高度受物镜的景深和辨别率的限制。 峰谷高度超过一定范围时，无法在目视视野中实现清晰的真实图像，因此无法测量或测量误差大，但该方法成本低，易于操作，因此被广泛应用于上海光学仪器厂家生产的9J(BQ )截光显微镜3.2散斑法测定原理是，来自图2的单模半导体激光器La的光束通过透镜发散，由分光器s分成两部分，一部分照射到被检测面o，另一部分通过s返回平面镜m，作为参考光从被检测面返回的散射光再次与s合流而发生干涉，由CCD相机记录干涉图案参考镜m与压电陶瓷(PZT )连接，PZT由计算机控制，使参考镜m产生微小位移W(x，y )。 因为相位差与轮廓的深度(即，光路差)相对应，所以可以根据W(x，y )决定各点的粗糙度激光散斑图一般反映激光照射的表面的微观结构，但从其中直接得到表面参数的信息非常困难，特别是用单色光照射粗糙面时，非常粗糙面上形成的散斑并不完全由粗糙度决定，因此在用散斑测量表面粗糙度时有时仅在某种程度的范围内适当，表面过于光滑，有时无法用电子散斑干涉仪测量，有时表面过于粗糙，无法测量，因此，在此情况下，将银灰涂装作为辅助手段，其形状差条纹的灵敏度高达10m。3.3像散测量法图3是表示照射到作为其测定原理物体表面的光b通过物镜在位置Qx成像，当光点与物镜的距离(光轴方向)变化为a或c时，成像位置也分别移动到Px或Sx，当在中间从与光轴垂直的面观察该光束时，光束的直径也变化， 即检测光束直径的变化量，在成像位置仅在y轴方向会聚到物镜后面的柱面透镜y轴上插入成像Py、Qy， 如果移动到Sy，则光束因x轴、y轴方向的成像位置的不同而发散，可知光束成为椭圆状，因此，如图4所示，若光点远离物镜，则成为y轴上的长轴的椭圆，相反，若接近物镜，则长轴为x轴上的椭圆，成为象限光检测器(4等分) 以光作为传感器，对光束进行光电转换后放大计算，则可得到与被测定面的微小位移量对应的输出信号，分辨率为纳米级，测定范围窄。3.4光外差干涉法常见的干涉显微镜分为两种形式，中国两种形式的产品形式分别为6J和6JA型(如上海光学仪器厂生产的6JA(JBS ) )，光外差干涉法是基于此提出的新方法。图5是光外差法的原理图。 从He-Ne激光器1发出的激光通过分光器2，经由声光调制器，一次衍射光的频率增加f 2=40MHZ，经由反射镜4的扩散系统8，通过透镜聚光到物镜14的后焦点，经过14，成为平行光照射到被测定面15， 在成为参考光的另一路径的分色镜2中，经由声光调制器5使一次衍射光的频率增加f 1=41MHZ，经由反射镜6使系统7的分色镜12扩散，并由物镜14会聚在样品表面，作为测定光束，测定光斑的大小成为对称透过分光器12的测定光束和由分光器12反射的参照光束产生差拍，由检测器13接收，生成基准信号，从被检测面返回的两个光由分光器10反射，进入检测器12，生成测定信号，由检测器11、13接收的测定和基准信号发送到相位计进行比较的结果， 从可测量表面轮廓高度值的理论推导出，通过比较来消除干涉仪的两臂的非共同部分的相位差、消除其影响、改善设备的抗噪性、并且极其个人的测量装置的缺点在于使用两个昂贵的声光调制器的产品化。3.5 A FM法fm的工作原理如图6所示，将对微弱的力非常敏感的微小悬臂的一端固定，另一端拿着微小的探针(约10nm )接近从被检测试样到纳米级的距离范围时，根据量子力学理论，在该微小的间隙中在针尖前端原子和试样表面原子之间产生极微弱的原子排斥力驱动控制系统控制x，y，z三维压电陶瓷微位移表，使其上的被测样品接近探针，相对扫描探针。 扫描时通过控制原子能的一定值，带有针尖的微悬臂， 在扫描被测试样品时，由于针尖与试样表面的原子间的力的作用，在与试样表面垂直的方向上起伏的运动灵魂利用微悬臂的弯曲检测系统，能够测量微悬臂的各扫描点位置的弯曲变化，能够得到试样表面形态的三维信息，其高度方向和水平方向的分辨率3.6光学传感器法光学传感器法是光学三角测距法的原理上提出的，其工作原理是图7所示的装置主要由两个部分构成，由两个位置检测器(PSD )、激光器构成的对称三角测距器、以及两