專利名稱：表面粗糙度檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量領(lǐng)域，尤其涉及基于光學散射的表面粗糙度檢測裝置。
背景技術(shù)：
表面粗糙度是用于描述表面微觀形貌最常用的參數(shù)，它反映了工件表面 的微觀幾何形狀誤差。在精密加工和制造行業(yè)，隨著對加工零件表面質(zhì)量的 要求越來越高，零件表面粗糙度的精確測量顯得尤其重要。
機械觸針式的測量方法是將一幾微米寬的金剛石觸針垂直放置在被測表 面并作橫向的移動。觸針隨著表面的輪廓形狀作垂直起伏運動，將這微小位 移轉(zhuǎn)換成電信號并加以處理，由此得到表面粗糙度值。這種方法的測量準確 度較差，且對振動非常敏感，測量過程中也不可避免地會劃傷表面，另外， 測量速度也較慢，無法實現(xiàn)在線、全場測量。
干涉法采用的是雙光束邁克耳遜干涉測量原理，大致可以分為亮度干涉 和光譜干涉兩種。亮度干涉要求光源是準單色光，而且干涉儀兩臂的光程差 必須小于相干長度。若表面粗糙度變化不是很明顯，則千涉條紋可見度也不 會有很大的變化。光譜干涉是在頻域內(nèi)通過觀察疊置光譜區(qū)光譜調(diào)制的變化 來實現(xiàn)表面粗糙度的測量。要求的光源無需是準單色光，而且光程差可以遠 遠大于相干長度，但當表面粗糙度值與光波長在同一數(shù)量級時，測量效果會 較差。干涉法只能對平面進行測量，而且測量速度較慢，對振動也較敏感， 儀器的成本較高，且只在對溫度、潔凈度要求較高的實驗條件下才可使用， 不利于產(chǎn)品化。
原子力顯微技術(shù)(AFM)和掃描隧道顯微技術(shù)(STM)是表面粗糙度測量的高 端技術(shù)。它將一微小探針(約10nm)接近被測表面至納米級距離范圍時，根據(jù)
量子力學理論，在這微小間隙內(nèi)由于針尖尖端原子與表面原子間產(chǎn)生原子力。 通過在掃描時控制該原子力的恒定，針尖在原子力的作用下在垂直于表面的 方向起伏運動。對這種起伏運動進行一定的處理，便可獲得表面粗糙度信息。
AFM要求測量工件無需導電，而STM要求工件導電，而且其垂直和水平方向的 測量范圍小。雖AFM和STM高度方向和水平方向的分辨力可以達到納米級， 但它們對振動和環(huán)境比較敏感，只能應用在實驗室中，而且儀器成本也比較
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角分辨散射法和全積分散射法是將一束相干或非相干激光入射到被測表 面，根據(jù)散射光強的角分布或全部散射光強的積分來對表面粗糙度進行評定。 通常它們是在不同散射角位置放置一個或多個獨立的探測器來對散射光場進 行取樣，并以此對整個散射模式進行假設(shè)，而這些假設(shè)通常是不充分、不準 確的，這將直接影響到粗糙度的測量準確度。另外，中國專利92216674中公 開了一種激光表面粗糙度檢查儀，如圖l所示。它以半導體激光作為光源，由 光電二極管陣列接收激光入射到被測表面后的反射及散射光能，由于光電二 極管陣列是放置在與反射光相垂直的位置，未被光電二極管吸收的反射光將 會重新入射到被測表面而發(fā)生多次反射，這無疑會對測量帶來誤差。為了避 免發(fā)生多次反射，通常需要在探測裝置中加入黑色、精密而昂貴的光疊合和 吸收裝置，這無疑又增加了儀器的制作成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種表面粗糙度檢測裝置，該裝置測量準確度高、 速度快、重復性高，可對不同加工方法、不同材料的平面、柱面、內(nèi)孔面粗 糙度進行在線、非接觸測量。
本發(fā)明提供一種表面粗糙度的檢測裝置，包括光源單元和光電探測器， 光源單元發(fā)出光照射被測表面，光電探測器探測由被測表面反射的光得到檢 測信號，被測表面與檢測裝置的光軸和光電探測器位于同一平面內(nèi)，被測表
面以與所述光軸成第一角度放置，光電探測器以與所述光軸成第二角度放置， 以防光從光電探測器反射回被測表面。
所述第一角度為10°-20°。
所述第二角度為5°-10°。
所述光源單元包括激光器、孔徑光闌、準直透鏡和會聚透鏡，激光器發(fā) 出的光經(jīng)過孔徑光闌，準直透鏡，會聚透鏡后入射到被測表面。 所述激光器采用低功率脈沖調(diào)制式可見光激光二極管。
所述表面粗糙度的檢測裝置還包括DSP，對激光器進行控制從測量信號中 減去背景噪聲。
所述光電探測器是由多個探測單元組成的光電探測單元陣列。 所述會聚透鏡的焦點位于所述光電探測器的第i個探測單元上， i二((f聚-00聚)Xsin2a —TPXsinP )/(dXsinP )
其中f 為會聚透鏡的焦距，OOs為會聚透鏡的中心到光軸與被測表面的 交點的距離，d為探測單元的寬度，a為被測表面以與所述光軸間的第一角 度，P為光電探測器以與所述光軸之間的第二角度，P點是探測器延長線與 表面延長線的交點，T點是探測器前端端點，TP是探測器的T點到P點的距離。
所述光電探測器包括35個探測單元。
所述會聚透鏡焦點落在所述探測器的第1-第9個探測單元之間。 由此本發(fā)明的有益效果是既避免了反射光對測量結(jié)果的影響，又減少
了吸收裝置而降低成本。此外，本發(fā)明的表面粗糙度檢測裝置還具有以下優(yōu)
點和特點
1、 通過移動被測表面，可實現(xiàn)多區(qū)域測量，以覆蓋更大的測量區(qū)域；
2、 裝置結(jié)構(gòu)簡單，儀器體積小、重量輕、便于攜帶，且制作成本低；
3、 一旦建立了某種加工方法的校正模型，就無需再作校正，便可對采用 該加工方法加工而成的各種材料的表面進行粗糙度的測量；
4、 測量速度快，只需0.5秒便可完成測量，非常適用于加工現(xiàn)場的在線
5、 屬于非接觸測量，不會損傷測量表面；
6、 對被測表面的形狀沒有特別要求，可對平面、柱面、內(nèi)孔面等進行測
7、 對振動、環(huán)境溫度變化不敏感，具有較高的重復性。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部
分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中
圖l是現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明一個實施例的表面粗糙度檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖3是顯示本發(fā)明一個實施例的平移被測表面前后鏡面反射點位置變化 的示意圖4是顯示本發(fā)明一個實施例的表面粗糙度檢測裝置正確校準位置的示 意圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的Ra特征值的計算流程圖； 圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的建立校正方程的示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實 施例和附圖，對本發(fā)明實施例做進一步詳細說明。在此，本發(fā)明的示意性實 施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
參照圖2到圖4，描述根據(jù)本發(fā)明實施例的基于光學散射的表面粗糙度檢 測裝置。該表面粗糙度檢測裝置包括光源單元和光電探測器6。被測表面5以 與檢測裝置的光軸8成a角放置，光電探測器6以與所述光軸成P角放置。 被測表面5、探測器6和光軸8處于同一水平平面內(nèi)。探測器6為由35個探測單元組成的光電探測單元陣列。光源單元包括激光器1，激光器1發(fā)出的光
經(jīng)過孔徑光闌2，準直透鏡3，會聚透鏡4后入射到被測表面5上，經(jīng)被測表 面5反射，最后聚焦到探測器6的A點上，A點即是會聚透鏡4的焦點。因表 面粗糙度的存在，在發(fā)生鏡面反射的同時，還在各個方向發(fā)生散射，探測器6 記錄鏡面反射光強信號及各個角度的散射光強信號。通過電流/電壓轉(zhuǎn)換將電 流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號、經(jīng)過信號放大、A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號處理器(DSP Digital signal processor)的數(shù)據(jù)處理，最終獲得入射光在所述表面形成 的光斑區(qū)域的平均粗糙度Ra值并加以顯示。Ra是評定表面質(zhì)量的粗糙度參數(shù) 之一。
Ra為取樣長度內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值，可近似用公式表示為 WJ11]1^,1，其中n是取樣長度內(nèi)用于計算的離散點數(shù)，yi是各離散點基于中
線的表面輪廓偏距。相關(guān)理論表明表面輪廓偏距越大，散射光強也就越強， 散射光強與輪廓偏距的平方呈正比，因而該裝置以所述探測器記錄的散射光 強的平方根的算術(shù)平均值來計算用于表述表面粗糙度的參數(shù)Ra特征值。對
于同一加工方法、粗糙度值已知的不同樣塊，通過對它們的真實Ra值與分別 按照上述方法計算出來的Ra特征值之間的回歸分析，建立能很好表述兩者關(guān) 系的校正方程，通常采用二次多項式校正方程。在進行Ra測量過程中，對于 粗糙度值未知的樣塊，根據(jù)其測量得到的Ra特征值及校正曲線，確定其Ra 值。
增大入射角有助于提高裝置的測量范圍，檢測裝置中a值取10°-20°。 另外，為了避免未能被探測器6吸收的反射光再次入射到所述表面而發(fā)生多 次反射，檢測裝置中P值取5°-10°。如圖1中所示，探測器6未能吸收的反 射光再次發(fā)生反射時，反射光束7并不能在所述表面發(fā)生多次反射，這樣就 無需在檢測裝置中加入光疊合和吸收裝置。
為了從測量信號中減去背景信號和噪聲，激光器采用低功率脈沖調(diào)制式
可見光激光二極管，并由數(shù)字信號處理器(DSP Digital signal processor) 來實現(xiàn)光源的控制。
在鏡面反射方向0. 5°-5°的立體角范圍內(nèi)的散射光強及其分布，為粗糙度 測量提供了非常重要的信息，因此，將探測器6在會聚透鏡4的焦點位置+2 到會聚透鏡4的焦點位置+26范圍記錄的散射光強信號用于Ra值的計算。同 時為了減少光源波動、表面材料反射率不同對測量結(jié)果的影響，以探測器6 在會聚透鏡4的焦點位置記錄的鏡面反射光強信號對所有參與計算的散射光 強信號進行歸一化。
因探測器6是具有35個探測單元的探測單元陣列。假定會聚透鏡4的焦 點位于第9個探測單元處，根據(jù)前面所述，11-35探測單元所記錄的散射光強 信號用于Ra值的計算?？梢坏弁哥R4的焦點位置大于9，要求參與計算 的探測單元將超出所述探測器的極限，為此必須通過移動微調(diào)被測表面5所 在的平移臺，使得所述會聚透鏡焦點落在所述探測器的第1-第9個探測單元 之間，只有這樣才能保證測量有效。如圖3所示，當被測表面5處于01點時， 會聚透鏡4的焦點位于探測器6的A'點，而當將被測表面5平移到02點時， 會聚透鏡4的c焦點將會平移至A"點。
參見圖2，雖然本實施例中，探測器設(shè)定為具有35個探測單元。但可以 根據(jù)實際需要改變探測單元的數(shù)量，而會聚透鏡焦點的位置可以根據(jù)以下內(nèi) 容確定。
假設(shè)會聚透鏡的中心為0s，焦距為fs，探測單元的寬度為d。光軸8與 被測表面5的交點為0，與探測器6的延長線的交點為P，探測器6的一端為 T。會聚焦點A到光軸8的高為H點。
因為A點是會聚透鏡4的焦點，則0A=f聚-OO聚，在AA0H中， AH二0AXsin2a 二(f聚-00聚)Xsin2a 。
設(shè)A點位于第i個探測單元上。在AAHP中，AP=AT+TP=iXd+TP， AH二AP X sin P = (i X d+TP) X sinp 。
因此，(f聚-00聚)Xsin2a =(iXd+TP) XsinP ，貝U i= ((f聚-OO聚)X sin2 a -TPX sin P ) / (dX sin P )
其中P點是探測器延長線與表面延長線的交點，T點是探測器前端端點， TP是探測器的T點到P點的距離，為已知值。OOs是隨著不斷微調(diào)被測表面5 所在平移臺而不斷變化的，但一旦A點位置確定后，則OOg即為一已知值。
為了能測得散射模式主導方向上的散射光強，測量前需進行校準，正確 校準位置如圖4所示。光軸8和探測器6在被測表面5的投影都應與被測表 面的粗糙度(或紋理)方向9或主要分布方向垂直。
參照圖5，描述Ra特征值的計算方法。開始測量前，首先將被測表面5 放置在正確校準的位置。首先DSP發(fā)送"1"到光源控制電路，打開激光器， 所述探測單元陣列記錄各個角度散射光強及鏡面反射光強信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、 放大等處理，獲取測量信號M。然后DSP發(fā)送"0"到光源控制電路，關(guān)閉激 光器，檢測裝置測量背景信號B，最終獲取所需的真實信號T(T=M-B)。掃描 所述探測器各單元的真實信號，確定所述會聚透鏡焦點在所述探測單元陣列 中的位置k。判斷k是否大于9，若是，則平移被測表面，改變所述會聚透鏡 焦點在所述探測器中的位置，直至l<k^9。計算所有探測單元相對于所述表 面法線的散射角(ei)及其散射寬度(wi)，并以cos(ei)， wi對相應探測單
元的真實信號Ti進行修正，進而獲得修正信號Ci。以相鄰于所述會聚透鏡焦 點位置的修正信號來計算歸一化因子f=Ck+l+Ck+Ck-l，對Ci進行歸一化， 獲得的歸一化信號Ni。將k+2-k+26共計25個探測單元的歸一化信號用于Ra
特征值的計算
<formula>formula see original document page 11</formula>
下面參照圖6，描述建立校正方程的過程。左側(cè)的列表列出了不同標準樣 塊的真實Ra值與分別測量得到的Ra特征值，右側(cè)繪出的是校正曲線，圖的 底部是校正方程的參數(shù)。如果校正過程中所囊括的真實粗糙度值范圍較寬， 可以考慮分段進行校正。假定校正方程為Ra二aX(Ra特征值)2+bX(Ra特征 值)+c，其中a為校正方程二次項的校正系數(shù)，b為校正方程一次項的校正 系數(shù)，c為校正方程的常數(shù)項。a、 b、 c的值可由圖6的建立校正方程程序界 面，根據(jù)輸入的標準樣塊的真實Ra值和Ra特征值，通過曲線擬合得到，分 別填在程序界面底部的編輯框內(nèi)。對于粗糙度值未知的樣塊，若測得其Ra特 征值為R,則該樣塊的Ra值二 aXR2+bXR+c。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了 進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已， 并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任 何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種表面粗糙度的檢測裝置，包括光源單元和光電探測器，光源單元發(fā)出光照射被測表面，光電探測器探測由被測表面反射的光得到檢測信號，其特征在于被測表面與檢測檢測裝置的光軸和光電探測器位于同一平面內(nèi)，被測表面以與所述光軸成第一角度放置，光電探測器以與所述光軸成第二角度放置，以防光從光電探測器反射回被測表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述第一角度為10°-20°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述第二角度為5°-10°。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述光源單元包括激光器、 孔徑光闌、準直透鏡和會聚透鏡，激光器發(fā)出的光經(jīng)過孔徑光闌，準直透鏡， 會聚透鏡后入射到被測表面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述激光器采用低功率脈 沖調(diào)制式可見光激光二極管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，還包括數(shù)字信號處理器，對激光器進行控制從測量信號中減去背景噪聲。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于所述光電探測器是由多個 探測單元組成的光電探測單元陣列。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述會聚透鏡的焦點位于所述光電探測器的第i個探測單元上，i= ((f聚—00聚)X sin2 a —TPX sin 6 ) / (dX sin 3 )其中f s為會聚透鏡的焦距，00《為會聚透鏡的中心到光軸與被測表面的 交點的距離，d為探測單元的寬度，a為被測表面以與所述光軸間的第一角 度，3為光電探測器以與所述光軸之間的第二角度，P點是探測器延長線與 表面延長線的交點，T點是探測器前端端點，TP是探測器的T點到P點的距 離。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述光電探測器包括35個探測單元。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述會聚透鏡焦點落在所述光探測單元的第1-第9個探測單元之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種表面粗糙度的檢測裝置，包括光源單元和光電探測器，光源單元發(fā)出光照射被測表面，光電探測器探測由被測表面反射的光得到檢測信號，被測表面與檢測裝置的光軸和光電探測器位于同一平面內(nèi)，被測表面以與所述光軸成第一角度放置，光電探測器以與所述光軸成第二角度放置，以防光從光電探測器反射回被測表面。本發(fā)明的表面粗糙度檢測裝置，既避免了反射光對測量結(jié)果的影響，又減少了吸收裝置而降低成本。
文檔編號G01B11/30GK101363725SQ20081022365
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者李俊國, 李粉蘭, 段海峰, 許祖茂, 郝建國 申請人:北京時代之峰科技有限公司