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一,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一6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.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2ij\///b\椭一一4"//'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,对这样的一维随机表面,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/cos01[c0E+co8O2]}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-I[8inc￡+e.㈤当考虑较租糙表面时,(R).》1;有Ⅲe(-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.=…tfX+—一X图2为了简化描述,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b≤6≤6.-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;∑△L△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)一8一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={?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Rodens~ock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,AL》,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):x[一(睾)】(.)其他漫散射光——4——,^{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)I"图3图3是利用镜反射率法来溯量高精度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:的灵敏度和线性是一致的.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R<0.01gm~0.32gm.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.L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.∑(i—i)P.(11)B=K∑『f—i『Pf(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态范围,这是Brodmann 法的一大特点.S在Ro<0.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.一p一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. 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O～10O0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.一.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;一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x5毫米的硅光助.感谢陶正苏等同志为本文的撰写提供的帮参考文献[1]P.Beckma,{n.eta1..TheScatteringofE1ectromgneticWavesfromRough一6一Surfaces.4Loadon,Pergamon).4l9e3)[2]程路,物程,2749),41978),85l～663[3]RBrodmann,AnnalsoftheCIRP,33(1).(193j).j03一Oe[I]严礁,陶正苏,张鄂I全国机靖量诗试技术及仪器学术讨论会.论文集,最都,1钾8年9月.。