便携式激光表面粗糙度测量仪

　　1　前　言

　　随着对工件表面质量要求的不断提高,表面粗糙度测量已成为控制和改进工件表面质量的必要条件。利用光学原理测量表面粗糙度的方法很多,诸如光点变位法、光波干涉法(包括双光束和多光束干涉法)、微分法、外差法、临界角法、反射光能法即反射散射比法等。作者研制的LRM-Ⅱ型便携式激光表面粗糙度测量仪基本原理也就是反射散射比法,但又与类似原理的核环比法有着很大的区别,由于从光路结构、光电转换和处理上的优化研究,使得仪器能作为计量测试仪器而运用于生产现场,它的试用和与传统触针式轮廓仪的比对均证实了它的优越性。

　　2　工作原理

　　2·1　测量机理

　　如图1所示,当一束激光以一定角度照射到粗糙表面后,除一部分光被试件所吸收外,另一部分被反射和散射,从几何光学的观点来讲,散射光对应于漫反射,反射光与散射光的强弱与被测粗糙度的大小有关〔1〕。对大多数表面来说,散射光强度角分布为正态型如图1所示,而且其形状特征与表面材料和入射光强度无关,因此表面散射光强度角分布与表面粗糙度之间有一定的对应关系〔2,3〕。为简便起见,用正态分布的特征值来表征散射光强度角分布〔4〕,称之为光学散射特征值Sn:

式中,为第i单元的归一化光强值,Ii为第i单元的光强值;为i个单元光强的平均值;k为比例系数;n为光电转换阵列单元数。

　　只要测得散射光带各位置的光强值,则可由计算机求出对应光学散射特征值Sn。仪器采用表面粗糙度标准样块,对应测出各自的Sn值,分段进行回归曲线拟合建立Sn-Ra定标曲线,对被测试件测出Sn值,以插值查表的方式最后求得表面粗糙度主要参数Ra值。

　　2·2　仪器构成

　　如图2所示,半导体激光器1发出激光(功率3mW、峰值波长785nm),经准直光纤2对椭圆激光束进行处理〔5〕,由测量透镜3将激光会聚到试件4表面成一定直径的光斑(可调0·5~2mm),被粗糙表面调制的激光束所形成的散射带(包括反射中心光斑及其一侧的散射光带———半散射光带)返回测量透镜3成为近似的平行光带,它经平面反射镜5反射,由柱面镜6会聚后,由多单元光电转换器7接收;在单片微机的控制下,与半散射光带光能分布相对应的电信号依次通过多路模拟开关8和微信号放大器9,并且经由A/D转换器10将它们转化为数字信号供单片机11的CPU计算处理,最后由显示器12数字显示或由微型打印机13打印出被测试件的主要表面粗糙度参数值Ra等。

　　3　测量

　　3·1　测量精度测试

　　由于此类光学测量仪没有可作为依据的现行检测标准,只有用与触针式轮廓仪进行比对测试来评价便携式激光表面粗糙度测量仪(LRM—Ⅱ)性能,以航空航天部304所研制的三块粗糙度样块作比对测试。86—276标称值Ra=0·050μm;86—435,Ra=0·020μm;86—427,Ra=0·010μm。与几个单位进行比对的结果见表1: