【doc】用光散射法测量表面粗糙度

1、用光散射法测量表面粗糙度 计量与检测 用光散射法测量表面粗糙度 ,导害 上海交通女学严慎张鄂 随着新材料 ,新工艺的不断涌现 ,人们对 精密机械的质量及结构小型化提出了更严格的 要求 ,从而也提高了对工作表面功能的要求 . 例如:录像机中用金刚石刀具加工的导轮和经 过抛光的录像头 ,和用来贮存信息的磁盘及光 盘的表面质量等 ,这些表面的表面粗糙度必须 控翩在见 =0,01m 左右.由于在精密加工过 程中,刀具的磨损及偶然现象的产生乃不可避 免,单靠控制加工工艺参数很难得到所要求的 表面质量 .所以表面粗糙度的在线或生产现场 的测量及控耕也成为一项重要要求 . 传统的方法是采用触针式仪器来进行表

2、面 粗糙度测量 .然而 ,触针式仪器的不足之处在 于 ;1）触针和被测面相接触 ,造成表面划伤 , 触针磨损 ,2）调整与测量时间较长 ,尤其是测 量小曲率半径曲面 ;8）仪器昂贵 （Talysurf 6 型 ）,对环境要求高 , 无法在生产现场进行 测量,所以.一般认为 ,采用触针式仪器的测 量方法是一种实验室技术 .要克服上述不足 , 就必须发展无损 ,非接触式的快速检测方法 . 常用的方法有气动法 ,电容法 ,电感法和光 学法 .针对表面粗糙度测量来说 ,目前,最引 人注目的是光学方法 . 光波的波长比较短原则上可以实现高精 度测量 .有三种典型的光学方法干涉法激光 触针法和光散射法 .

3、干涉法主要用于测量光学 表面及其它高反射率表面的表面轮廓 （面形 ）, 但要应用于机加工表面是困难的 .激光触针法 目前国内尚处于研究阶段该方法结构复杂要 求仪器剐性好 ,运动精度高 ,对环境要求也很 苛刻 .这两种方法都能获得表面的轮廓 ,实验室 精度都可达到纳米级 .激光散射法是通过对散 射场的统计来表征表面性质的 ,这种方法的主 要特点是;结构简单,对环境要求低 ,操作方 便 ,精度能满足工业检测的需要 ,适台于在生 产现场作质量控制 ,是一种提有实际应用前途 的测量方法 . =,光在租髓襄看散射的基奉原曩 从六十年代开始 ,人们提出了多种理论来 描述光在粗糙表面的散射 ,但是 ,至今还

4、没有一 种理论能适用于整个工程表面粗植度范围 .其 主要原因是被测表面种类繁多 ,性质各异 ,很难 找到统一的边界条件 .目前比较常用的有两种 描述方法 ,即衍射模型和微小镜面模型 .前者 适用于描述光在中等或比较光 -滑表面的散射 . 后者适用于光在较粗糙表面的散射 . 1.衍射模型 衍射模型的基本思想是 :当一束光入射到 被测表面的一个区域上 .由于表面是粗糙的 , 反射光向空间各个方向散射 ,形成一个散射 场,场中某点的场强是被测面上各面元波睁衍 射积分在该点的迭加 .Beekmann首先从 Helmholtz 积分出发 ,在 Kirehhoff 衍射近 似条件下 ,确定了在镜反射方向上

5、和偏离镜反 射方向上的散射光的平均强度 .他的结论为测 量远场散射光来估算表面粗糙度的方法提供了 理论根据 . 如图 l 所示 ,当一束单位强度准直单色光 束入射到粗糙表面时 .散射光向空间各个方向 ij 4/W/f/fw/f| 玎了 X 圈1 散射,如果表面的自相关函数为归一化的高斯 函数 ,表面高度变化符合高斯分布 ,对这样的 维随机表面 ,散射光的分布为 : I(02)=e-I【8inc 警 em】(1) .Ju 其中:T 为表面相干长度 为表面被测区域长度 , 旱(sin0一 sin0); 为入射光波长 ; 旱 (删 l+c): F;1+co8(0l+0:)l/cos01c0E +co

6、8O2 Rq=圭 J:Z2()d.为均方根 , 粗糙度 Z()为表面轮廓 . 当考虑高精度表面时 ,(R)1I(1) 可简 化为: I(0z)=e-I8inc +e. 当考虑较租糙表面时 ,(R).1;有 e(-V 棚(3) 上述三式给出了散射光分布与月和的 关系 .它是目前应用最广泛的一种理论描述 . 2.微小镜面模型 微小镜面模型是适用于描述光在较租糙表 面的散射 .它是基于担糙表面由一系勋微小镜 面组成 ,光在每个镜面上的反射遵守几何光学 中的平面反射定律 .这样就可以在轮廓角 6 的 分布尸 (6)与散射光的分布 (0.)之间建立起 紧密的关系 . =t X+ 一 X 图2 为了简化描

7、述 ,假设图 2 中的表面是一维 随机表面.图中,6为轮廓角,Ax 为一个小镜 面在轴上投影的宽度 .L 为入射平行光的宽 度,中为入射光的光通量 .如图 2 所示,照射到轮 廓角为 b66.-I-6 的轮廓上的光通量是 t 中=芈 Axf(4)_t 轮廓角 6 的概率密度分布定义为 ; 尸(6)=1_,/6(6 足够小,LL 足够大) P(b)Ab; 中=中尸(6)Ab(6) 如果材料的反射系数为月 ,那么在反射角 0 0 0:十 0 范围内的反射光通量为 : 中=R?中(6) 但定入射光是垂矗入射的 ,青 =.dO= 6.将 (6)式写成微分形式 : 6d/do=.RP(b) 夸 :K=?

8、K, ()=dr/d0z 有.f(7) L0:= (7)式建立了散射光空间分布 ,(0)与表面轮 廓角分布之间的关系它适用于当表面起伏量 远远大于入射光波长 ,衍射效应可以忽略下的 条件. 三 ,裹薯瞿 I 蠢度光散射法 测量方案的具体实现 根据光在粗糙表面的散射原理 ,内外 已经研究开发了多种测量表面粗糙度的仪器和 装置 ,但是已经报道的商品化仪器只有两种 . 即国内根据程路 .桉环比原理研制的仪器 , 及国外 Brodmann 等人研制的仪器 (由 Roden sock公司生产 ).本文分析介绍镜反射率法 . 核一环比法及 Brodmanni 去三种比较典型 的仪器和装置 t.镜反射率法

9、镜反射率法是基于 Beckmann 理论的多 种方法中的一种 .当考虑高精度表面时 ,前面 所述的(1)式可简化为 (2)式,对镜反射光来 说:=0J,V=0.V=苹 e0s0I,F:1, L,这样可以得到镜反射光 ,: ,.:I(O2):e 一 (B1)(8) 在上面推导中 .入射光强度假设为单位强 度 .如果入射光强为 ,.在不考虑吸收的情 况下(0.=0=0,垂直入射 ): 一(睾)】(.) 其他漫散射光 ,1-exp一(睾娜(16) 定义 P=,./I为镜反射率 ,0为镜反射光与 漫反射光之比 , 0:/Id=/(i 一,)=P/(1一 P) 图3 图 3 是利用镜反射率法来溯量高精度

10、平 面和球面粗糙度的装置简图 .图中 ,为入射 激光柬;LJ,L2.厶,厶为透镜 ;BS 为半 透半反板 ,S1.S:为小孔光栏 ;D,D 为光 电探测器 .在图 8 中.入射到被铡面的光线都 和被测面垂直 ,镜反射光 ,原路返回 .经 S. 后由 D-接收,而 D 是用来探测入射光强 , 的.这样 .很容易获得镜反射率 P.本文作者利 用该法则量钢球表面粗糙度巳取得了一定成 效. 这种方法结构简单 ,对环境要求低 ,适合 于在生产现场附近作快速质量控制 :不足之处 是见 lOOnm 后灵敏度迅速下降 . 2.核环比法 用.核环比参数来表征表面租糙度的 方法适台于铡量高精度研磨型表面 .图 4

11、 为核 如圈,(f=1,2,)为第 i 个光敏元接收 K 到的光能 (共有个光敏元 ).取 Sv 与执作为 统计特征参数 : 图4 环比法测量装置的简图 . 图中,I 为入射激光束 ,在被测表面发生 散射 .光核 部分(I)在远场由 D 接收 . 散射光环部分 (,)由 D:接收 ,核环比 K=I,L. 在使用该方法时 ,既要根据程路模 型结合具体情况确定合适的光核与光环的尺 寸,同时必须保证 D,D: 的灵敏度和线性是 致的. 最新的核环比测量装置以半导体激光 器作为光源 ,并采用了经过补偿的对数放大 器,这样可以使精度稳定在 1小级以上 .该方 法的测量范围为 R0.01gm0.32gm.

12、 8.Brodmann法 由 Brodmann 等人研制的仪器是一种带有 专用计算机的较复杂的系统 .这类仪器已经成 功地应用于多种在线检测领域 .图 5 为该系统 的简图. 宙5 发光管(LED)发出的光经 L2 准直后,再 经半透半度板 BS和透镜 L 投射到设测表面 上.散射光径厶后再由 Bs 反射揖射到光电 二级管阵列上 ,所刊得的光散射分布经计算机 处理后 ,求得表征表面粗糙度的特征参数 . K.(ii)P.(11) B=KfiPf(12) 其中 :=iP. P.=Iig/,心 是一个与几何结构有关的常数 ,是信 号修正权系数 .使用适当的 g(f=1,2, ,) 有利于提高系统的动

13、态范围 ,这是 Brodmann 法的一大特点 .S在 Ro0.O1m 】 gm时 和月 .有很好的相关关系 .这种仪器也可应用 于曲面粗糙度测量 .由于每次铡量只需 40ms. 所以可应用于一般的在线测量 .另外 ,该系统 采用了特殊设计的镜头 ,测量值对测头与被测 面之间的相对移动 ( 2mm)不敏感 .因而 大大提高了其实用性 . 四,结柬语 光散射法测量表面粗糙度的优点是非接 触,无损 ,快速和可以实现在线检测 .已经发 展的装置和仪器都是通过对散射场的测量来获 得表征表面粗糙度的统计参数 ,故又可称之为 是特征参数法 .另外这些方法都要经过标定 . 目前光散射法需要解决的问题主要有以

14、下几 点:1,引入适当的统计参数和散射场信号的 处理,补偿技术 ,以提高测量的动恋范围和灵 敏度 ,2,用计算机进行综翕分析 ,实现对不 同材料 ,不同加工工艺的表面进行谭 4量,3. 为减小体积 ,提高光源的稳定性 .应采用半导 体激光器 ,高强度发光管取代 He-Ne 激光器 等传统光源 .可以设想随 旨研究的深入 ,光散 射法将成为表面粗糙度在线测量的一种主要方 法. 激光定位光栅检拍机的应用 上海市计量技术研究所徐惠琴 激光定位光栅检拍机是国内第一台用于检 测计量长光栅和拍摄计量长光栅的精密仪器 1982 年获国家计量科学技术进步四等奖 , 1985 年被国家计量局定为全国光栅认证仪器

15、 . 1988 年通过国家技术监督机构的检定 .其应用 范日较广 ,可以检测 O10O0 毫米内不屈规格 . 不同形状的精密玻璃光栅尺及光栅传感器的线 值精度, 该检拍机除了拥有仪器本体和专用电子计 算机外 ,还配有多种附加装置 ,能开展多种测 试服务 .如光栅信号直流电平和相位变动最的 测试 ;拍摄高精度的光栅只 ,高精度的感应同 步器及感应同步器的母板等 .以下作一简要介 绍. .计量嗣试 1.检测计量长光栅 目前 ,对计量长光栅的检测有两种方法 ; 是采用检测线纹尺的方法 ,亦即用光电显微 镜动态瞄准光栅刻线的中心作为定位 .得到被 检光栅线纹间隔的相邻误差和积累误差 .这种 方法虽然简

16、单但与实际应用不相符合 .二是采 用莫尔条纹法 ,就是将二块光栅作相对运动丽 产生的黑自条纹 ,即奠尔条纹 ,由光敏元件接 收并把它转换成电信号 .一般用面积为 10 毫米 10毫米四等分的普通硅光电池作为接收元 件.如图 1 所示. 图1 安装于仪器像温罩外的 6伏 16瓦的自 炽灯发出的自光 .经准直透镜成平行光束 , 再由反射镜四次反射照明被光栅尺和指示光 栅 .调整光栅之间的夹角和间隙 .以获得选 定的宽度和对比度良好的莫尔条绞 ,并为四 相硅光电池接收 ,送八差分放大器 ,从而得 到相位差为 90.的两路信号输入剜专用计 算机中 ,对激光测长干涉条纹进行开门计 数 .这种检测方法适用于栅线长的光栅尺 ,对 于目前宴际使用的大多为 5 毫米左右的光栅栅 线,其检测精度不能得到保证 .为此 ,要采用 裂相法 .即:将面积为 2 毫米 x