加工表面形貌测量理论_方法及评价
表面形貌光学法测量技术
表面形貌光学法测量技术The Optical Means Used in Measuring Surface Microtopography冯 斌 王建华(西安工业学院光电测试技术研究所,陕西西安710032)摘 要:介绍了在表面微观形貌测量中常用的光学测量方法,分析了它们各自的原理和优缺点,最后对光学法表面微观形貌测量技术的发展作了简要评述。
关键词:表面微观形貌;光学方法;测量 对表面微观形貌的测量,从传统的机械触针式测量已发展到今天的利用各种原理实现的非接触式测量。
目前的非接触式形貌测量方法所依据的原理主要是光、声、电或是某两种的结合,其中光学方法在非接触式形貌测量中的应用最为广泛。
以下将对各种光学方法作进一步的分析,侧重在光探针法。
1 光学探针法探针测量技术是用针描法进行测量或瞄准的一种技术,光学探针就是把聚焦光束当做探针,然后利用不同的光学原理来检测被测表面形貌相对于聚焦光学系统的微小间距变化。
光探针又有几何光学探针和物理光学探针之分,利用成像原理来检测表面形貌的光学探针称之为几何光学探针;利用干涉原理的光学探针称之为物理光学探针。
1.1 物理光学探针1.1.1 外差干涉光学探针光外差干涉技术是一种较成熟、较完善的高精度测试技术,该方法利用两只具有微小频率差的相干光束的一束作为测量光束经显微物镜聚焦在被测表面上,另一束则作为参考光束保持光程不变,物体表面高度变化引起参考光束与测量光束光程差发生变化,通过相位比较,可获得表面微观高度。
光外差干涉中的光源除了常用的双频激光光源有纵向赛曼、横向赛曼He-Ne激光器,双纵模He-Ne激光器外,还有利用声光调制原理的移频双频光源。
光学外差干涉法均涉及两个光点,一个为测量光斑,另一个为参考光斑。
根据测量光斑和参考光斑的分布可以分为同轴和不同轴两种类型。
同轴型外差干涉轮廓仪在测量表面上形成的是两个中心重合但大小不同的光斑,大光斑作为参考光斑,小光斑常作为测量光斑。
机械加工表面形貌分形特征的计算方法
） 为二 进 正 ） 线性 张 成 在 ） 的直 和 （ 用
（） ２
定 义 ２ 设 是 集合 ｛
（ Ｒ）中的 闭包 。 尺）能 分解 成 Ｌ（
轮 廓的均 方 根高度 、 方差 、 态 、 偏 峰态 、 斜率 和峰顶 曲率 等 。但 是这些 参 数都 依 赖 于标度 长度 和测量
技 术 ， 同 一 表 面 用 不 同 分 辨 率 的 仪 器 ， 同 的标 对 不
学 分 析 方 法 。小 波 变换 在 分 析 奇 异 信 号 时 比
表 面 形 貌 的 分 形 特 征 方 面 ， 渡 变 换 具 有 广 阔 的 小 实 用 前 景
它导 出参 数 。 一 表征表 面 的特 征 惟 确定 分 形维数 和其 它表 面分 形参 数是 表征 表 面形 貌 分形 特征 的关键 问题 常 用于 计算 分形 维
数 的 方 法 主 要 有 盒 子 法 ］尺 码 法 、 方 法 、 、 差
本 文 提 出 用 小 渡 变 换 评 价 表 面 形 貌 的 分 形 特
征 ， 用 Ｄａ ｂ ｃ ｉｓ小渡 计 算 了 ｗ —Ｍ 函数 和 采 ｕ ｅｈｅ Ｍ Ｂ函 数 的 分 形维 数 ， 计算 结 果 均 优 于 其 它 ７ 种算 法 ， 同时 对 核态 池 沸 腾实 验 板 表 面 的粗 糙 度 轮廓 曲线 进 行 了分形评 定 。 研究结 果表 明 ， 评 价 在
像 处理 、医学 和机械 工程 等领 域迅速 得 到了广 泛 应用 陈 庆 虎等 ［．］ 小波 变换提取 表 面粗糙 度 １ １用 ｃ１ 评 定基 准线 或 面和 表面 奇异 特征 ，均获 得理想 的
效果 。
貌分 形 特 征及 其 描述 的 研 究 引起 了广 泛 的关 注 ，
表面粗糙度的评定参数
• 选择原则：一般按五个取样长度来确定。 4．轮廓中线m：是评定表面粗糙度数值的基准线。具有几
何轮廓形状与被测表面几何形状一致，并将被测轮廓加 以划分的线。类型有： • （1）最小二乘中线：
使轮廓上各点的轮廓偏转距y（在测量方向上轮廓上 的点至基准线的距离）的平方和为最小的基准线。
准面1相接触，基准面采用光学玻璃制成的平面或圆弧面，并相对被测表面或工作台面定
位，从而使传感器运行的轨迹依赖于这个参考基准面，根据被测表面的外形作直线或某一 曲率的圆弧线运动。这时触针所描绘的将是包括粗糙度、波纹度相形状误差在内的实际表 面轮廓图形。这种方法对拖动传感器运行的驱动机构(导轨)没有严格要求。
Ry y p max yv max
表面粗糙度的三个水平参数： 轮廓微观不平度的平均间距Sm 轮廓单峰平
均间距S 轮廓支承长度率tp
图4-4 表面粗糙度的水平参数
4．轮廓微观不平度的平均间距Sm
❖ 含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度Sm (图4-4），称为轮廓微观不平度间距。
Sm
1 n
直线，寻头
• 上下位移量非常小加固9—14(a)所示。但若轮廓哆距增大PS头的垂盲位移变化亦将随着增大，直到 它完全和触
• 针同步地作上下运动，如图L14(b)．＜c)所示，此时圆弧形导头显然E个适用。
•
由于e6针和导头不可能在表面的同一点上接触(不能同袖)，因此综合其结果*除了幅度变化LJ
外，还取决于
实际轮廓图
横向实际轮廓图
2．取样长度l：用于判别和测量表面粗糙度时所规定的一段基
准线长度。 • 量取方向：它在轮廓总的走向上。 • 目的：限制和削弱表面波度对表面粗糙度测量结果的影响
第五章 表面粗糙度与检测
5
2、表面粗糙度评定方向、基准、评定长度： ⑴ 横向轮廓：与实际表面加工纹理方向垂直的轮廓。
6
⑵ 基准线：评定表面粗糙度参数值大小的参考线。
GB/T1031-2009规定：以轮廓最小二乘中线——取样长度内， 使被测轮廓上各点偏距平方和为最小的基准线，按最小二乘法拟定。 分 为：粗糙度轮廓中线、波纹度轮廓中线和原始轮廓中线
1 8
★ 表面粗糙度表面特征的经济加工方法：
★ 粗加工非结合面： Ra＞10 ★ 半精加工结合面：
10＞Ra＞2.5
★ 精加工结合面、工作面：
2.5＞Ra＞1.25
★ 精加工配合面：
1.25＞Ra＞0.32
★ 精密配合面：
0.32＞Ra＞0.08
★ 镜面：
1 9
0.04＞Ra＞0.01
★ 轴、孔表面粗糙度大小推荐值：
① 最大轮廓峰高Rp ③ 轮廓最大高度Rz ：Rz=Rp+Rv
1 0
② 最大轮廓谷深Rv ④ 轮廓单元平均高度Rc：
RC
1
m
m
Z ti i
1
⑤ 轮廓算术平均偏差Ra
Байду номын сангаас
一个取样长度lr内，被测轮廓线上各点距中线距离的算术平均值
Z
Z1
Z2
算术平均偏差Ra
Ra
Z3
Zi
Zn
x
1 lr Ra Z ( x) dx lr 0
一般应包含五个以上的轮廓峰、谷；
⑷ 评定长度：评定轮廓表面粗糙度所必须的一段表面长度。 标准评定长度ln：一般按五个取样长度确定ln＝5lr ；被测表面比较均匀 时，可选ln＜5lr；若均匀性差，则选ln＞5lr。
实验一：面形的三维干涉测量及评价(PV值与RMS值)
实验一：面形的三维干涉测量及评价（PV 值与RMS 值）
一、实验目的：
1. 了解表面三维形貌的高精度实时测量原理
2. 实测一个平面光学零件的表面形貌
3. 对评价指标PV ，RMS 的定义有所掌握
二、实验原理：
本实验采用数字干涉测量原理进行，本实验与实验二的不同是测量中采用了扫描技术，因而可以实现面形的三维测量。
高精度光学平面零件的面形精度可用下列二个评价指标，如下图所示。
1． PV 值−−是表面形貌的最大峰谷值
2． RMS 值−−是表面形貌的均方根值，RMS 的定义是：
1
2
-±
=∑N v
RMS
式中T x v i -=，x i −−单次测值，
N
x
T i
∑=
，N −−重复测定次数。
三、实验光路
1－激光器 3,5－定向孔 6,7,9,16－反射镜 8－物镜 10－准直透镜 14－分光棱镜 18－带压电陶瓷的组合工作台 20－成像透镜 22－可调光阑 23－光电接收器 24－导轨
四、实验步骤：
1．扩束
2．将工作台16，18上的平面反射镜换成曲面或台阶面（其干涉条纹的形状与反射面面形有对应定量关系）
3．调整CCD23在轨道上的位置，使干涉条纹清晰，锁定23
4．调节可调光阑22孔径位置，滤除寄生干涉光
5．测量程序操作见软件操作说明书
五、实验记录
被测工件：平面镜。
材料表面性质的表征与评价
材料表面性质的表征与评价随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料表面性质的研究越来越重视。
表面性质的表征与评价是研究该领域的必要前提。
材料表面性质的表征与评价方法较多，如下面所述。
一、表面形貌的表征表面形貌是材料表面性质中重要的组成部分，常用的评价方法包括扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等。
SEM先对样品进行氧化或镀金处理，然后根据电子束所引起的样品表面反射或散射来获得表面形貌信息的方法。
SEM操作简单，成像清晰，能够获得材料表面的微结构和形貌信息，如表面粗糙度、表面形态等。
AFM通过探针扫描被测样品表面来获取高精度的3D拓扑图像。
AFM在表面形貌检测方面具有高分辨率、无需特殊准备等优点，尤其适用于纳米和超微区域的测量。
二、表面化学成分的表征表面化学成分是表征材料表面性质的重要参数，能够影响材料特性。
常用的表面化学成分表征方法有光电子能谱(EPS)、X射线光电子能谱(XPS)、热重分析(TGA)等。
EPS主要是通过照射样品来促使样品发射电子，测定电子的能量分布，从而分析样品表面的成分和电子结构。
XPS是借助X射线对材料表面进行轰击，然后测定X射线光电子的能量，根据不同化合价分析表面原子能级电子的核心电子层能量，以实现表面成分的分析。
XPS具有化能和元素灵敏度高、表面元素组成分析能力强的特点。
TGA则是根据热导定律，将样品加热至一定温度区间内，测量样品重量和温度，以分析样品中各种成分的含量以及热分解动力学参数等信息。
三、表面电学性质的表征材料表面电学性质是指材料表面对电场或电势的响应情况。
表面电学性质的表征方法较多，主要包括表面电势(mV)、电容、电阻率等。
表面电势是材料表面或表面与电解质或空气接触时所具有的电势，反映材料表面电荷分布的差异。
表面电势可通过电位计或Zeta电位测试仪进行测量。
电容是衡量电容器两个导体之间存储电荷多少的物理量，可直接反映材料表面电学特性。
电容可以通过交流电桥法进行测量。
表面微观形貌的测量及其表征
重庆大学硕士学位论文
中文摘要
摘
要
一个制件表面的微观几何形貌特性在很大程度上影响着它的许多技术性能 和使用功能， 而近年来科技的发展对各种纳米器件表面精度提出了越来越高要求， 如对半导体掩膜、磁盘等均已提出粗糙度的均方根小于 1nm 的表面要求，这给 科研人员提出了纳米级表面的测量和表征的问题。扫描隧道显微镜（STM）作为 一种基于量子隧道效益的新型高分辨率显微镜，是纳米测量学的基本工具，其在 表面形貌研究、生命科学及纳米制造等领域都有较广的应用。扫描隧道显微镜为 人们在纳米尺度上去研究表面提供了有力的工具。因此，研究扫描隧道显微镜在 表面形貌检测上的应用以及表面形貌的表征的研究具有重大的意义。 本文以 STM IPC-205B 型扫描隧道显微镜为测量工具，对其在微观表面形貌 检测上的应用进行了研究并开发了相应的程序。对表面形貌评价表征理论进行了 研究，对 motif 形貌表征方法进行了研究探讨。本文的主要研究内容如下： （1）对扫描隧道显微镜原理进行了分析，分析其优缺点及其应用领域。分析 了 STM IPC-205B 型扫描隧道显微镜各主要部分的性能，对其采集的数据格式进 行了分析，并针对不同的数据格式提出了针对粗糙度分析的不同数据处理方法。 同时针对 STM IPC-205B 型扫描隧道显微镜的特点，提出在进行粗糙度分析之前 对采集的表面新貌数据进行一定的滤波处理，以减少噪声的影响。 （2） 阐述了传统的基于轮廓中线的粗糙度提取理论， 并研究了基于形貌中面 的三维粗糙度评价理论。并利用所编写的程序对扫描隧道显微镜采集的数据进行 二、三维的粗糙度分析，得到的结果显示从统计学看，三维粗糙度评价更具有稳 健性。 （3）对二维 motif 方法进行了阐述，并对目前三维 motif 方法的发展进行了 研究。 对 Barre´ 的基于分水岭算法的三维 motif 方法进行了研究， 并提出了的三维 motif 合并的具体方法和准则。对三维 motif 方法的进行了实例应用，展示了其独 到之处。 （4）采用 Visual C++6.0 为编程软件，开发针对 STM IPC-205B 型机的粗糙 度分析软件，包含基于轮廓中线二维粗糙度评价、基于形貌中面的三维粗糙度评 价、二维及三维 motif 方法，以及数据处理功能。 关键词：扫描隧道显微镜，表面形貌，粗糙度，波纹度，motif 方法
第一节表面粗糙度的评定参数
❖ 1．L 2 表面粗糙度测量的基本原则
❖
(1)测量方向
❖ 按现行标准所定义的各种粗糙度评定参数，是基于轮廓法确定数值，是在被测表面的法向截面上的 实际轮廓上进行测量的结果。由于垂直于被测表面的法向截面存在各种不同的测量方向．所以规定在垂 直于加工纹理力向的d向截面(参R图g”8)测得的结果，称作横向轮廊的表面粗糙度数值(d)；在平行于加 工纹理方向的5向截面上所作的测量，称为纵向轮廓的粗糙度数值(6)。试验表明，大多数的切削加工表
2．表面粗糙度：是一种微观几何形状误差又称微观不平度。 3．表面粗糙度的产生原因：在加工过程中，刀具和零件表面
间产生磨擦、高频振动及切削时在工作表面上留下的微观 痕迹。
二．表面粗糙度的影响
❖ 表面粗糙度对机器零件的使用性能有着重要的影响，主要表 现在：
1．对摩擦和磨损的影响 2．对配合性的影响 3．对接触刚度的影响 4．对疲劳强度的影响 5．对抗腐蚀性的影响 6．对结合密封性的影响 ❖ 此外表面粗糙度还影响检验零件时的测量不确定度、零件外
1、轮廓算术平均偏差Ra
在取样长度L内，轮廓偏转距绝对值的算术平均值。
用公式表示为：
1l
Ra L 0 y(x) dx
Ra
1 n
n i 1
yi
Rz
图4-3 表面粗糙度的高度参数
2．微观不平度十点高度
❖ 在取样长度内五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮
廓谷深的平均值之和，如图4-3所示。用公式表示为：
§4－1 表面粗糙度的评定参数
主要内容：
1、主要术语及定义 取样长度L 评定长度L
n
轮廓中线m 2、6个评定参数
3个基本、3个附加 3、一般规定
重点： 3个基本评定参数
表面微观形貌的测量及其表征
I
重庆大学硕士学位论文
英文摘要
ABSTRACT
The surface of an accessory influence on its performance directly, and the development of technology calls for a more and more precise surface of a nano-accessory. For example, the surface of semi-conductor film and magnetic disc call for a RMS roughness that less than 1nm. All this requirements bring forward the thesis of nano-survey and its token. As a new kind microscope with a high resolution which
重庆大学硕士学位论文
中文摘要
摘
要
一个制件表面的微观几何形貌特性在很大程度上影响着它的许多技术性能 和使用功能， 而近年来科技的发展对各种纳米器件表面精度提出了越来越高要求， 如对半导体掩膜、磁盘等均已提出粗糙度的均方根小于 1nm 的表面要求，这给 科研人员提出了纳米级表面的测量和表征的问题。扫描隧道显微镜（STM）作为 一种基于量子隧道效益的新型高分辨率显微镜，是纳米测量学的基本工具，其在 表面形貌研究、生命科学及纳米制造等领域都有较广的应用。扫描隧道显微镜为 人们在纳米尺度上去研究表面提供了有力的工具。因此，研究扫描隧道显微镜在 表面形貌检测上的应用以及表面形貌的表征的研究具有重大的意义。 本文以 STM IPC-205B 型扫描隧道显微镜为测量工具，对其在微观表面形貌 检测上的应用进行了研究并开发了相应的程序。对表面形貌评价表征理论进行了 研究，对 motif 形貌表征方法进行了研究探讨。本文的主要研究内容如下： （1）对扫描隧道显微镜原理进行了分析，分析其优缺点及其应用领域。分析 了 STM IPC-205B 型扫描隧道显微镜各主要部分的性能，对其采集的数据格式进 行了分析，并针对不同的数据格式提出了针对粗糙度分析的不同数据处理方法。 同时针对 STM IPC-205B 型扫描隧道显微镜的特点，提出在进行粗糙度分析之前 对采集的表面新貌数据进行一定的滤波处理，以减少噪声的影响。 （2） 阐述了传统的基于轮廓中线的粗糙度提取理论， 并研究了基于形貌中面 的三维粗糙度评价理论。并利用所编写的程序对扫描隧道显微镜采集的数据进行 二、三维的粗糙度分析，得到的结果显示从统计学看，三维粗糙度评价更具有稳 健性。 （3）对二维 motif 方法进行了阐述，并对目前三维 motif 方法的发展进行了 研究。 对 Barre´ 的基于分水岭算法的三维 motif 方法进行了研究， 并提出了的三维 motif 合并的具体方法和准则。对三维 motif 方法的进行了实例应用，展示了其独 到之处。 （4）采用 Visual C++6.0 为编程软件，开发针对 STM IPC-205B 型机的粗糙 度分析软件，包含基于轮廓中线二维粗糙度评价、基于形貌中面的三维粗糙度评 价、二维及三维 motif 方法，以及数据处理功能。 关键词：扫描隧道显微镜，表面形貌，粗糙度，波纹度，motif 方法
三维微纳结构的光刻及其表面形貌测量方法的研究
三维微纳结构的光刻及其表面形貌测量方法的研究微纳结构在现代科学技术发展中占据着非常重要的地位,它具备体积小、重量轻以及易集成等优点,对于系统的微型化、节能以及稳定性的提升都有非常大的促进作用。
在微系统的研究中,三维微纳结构器件以其独特的表面形貌以及功能特性受到了广泛的关注。
然而,由于三维微纳结构特征尺寸极小,表面形貌复杂,其在制备过程中面临着诸多难题。
为此,本文主要围绕三维微纳结构的高精度、高效率的加工与检测开展了如下相关研究。
首先,在三维微纳结构的加工方面,我们在DMD无掩模光刻的基础之上提出了单像素灰度调控三维光刻方法。
该方法比起传统的分层叠加曝光方法而言省略了不必要的切片操作,只需单次曝光,因此实现起来更加简单、高效。
另外由于调控像素点数量足够多,因此该方法能实现很高的调控精度。
在此方法基础之上,我们提出了基于灰度标定的非线性补偿方法,利用灰度与曝光深度之间的标定曲线,实现了高精度的三维微纳结构加工。
这种方法能够有效避免光刻过程中的非线性效应给加工带来的不确定性,主要避免了因计算而引入的非线性误差。
除此之外,在光刻胶的显影过程中,由于显影不均匀的影响,光刻胶上的微纳结构表面会存在一些微小的高低起伏变化,该变化会对器件的表面功能特性造成一些消极影响。
为此我们采用了适当热熔的表面形貌优化方法,通过分析光刻胶表面在不同热熔温度以及时间下的变化趋势,确定出最佳的热熔温度和时间方案,在确保光刻胶表面形变最小的前提下尽量提升微纳结构的表面粗糙度。
实验结果表明,这种基于DMD单步无掩模灰度光刻的加工方法以及基于热熔的表面形貌优化方法在实现高精度的三维微纳结构表面形貌控制以及表面形貌优化方面具备很大的应用价值。
其次,在三维微纳结构表面形貌检测方面,我们在白光干涉空间频域算法的基础之上,围绕着测量精度与测量稳定性两个方面进行了相关研究。
我们利用空间频域算法从干涉信号中同时提取出了相干形貌和相位形貌两种测量结果,其中相干形貌精度较低,却不包含2π相位模糊,相位形貌精度较高,但是包含2π模糊问题。
第二章 表面形貌和表面性质
二、摩擦表面性质
1、表面张力、表面能和接触角
(1)表面张力 ：在水内部的一个水分子受周围水分子的作 用力的合力为零，但在表面的一个水分子却不如此。因上 层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸 引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指 向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这 种收缩力称为表面张力。即液体受到拉向内部力的作用， 使其表面积收缩和凝聚，这种力叫表面张力。
材料的表面形貌是指其几何形状的详细 图形，着重研究表面微凸体高度的变化， 表面形貌由形状公差、波纹度和表面粗 糙度组成。
表面粗糙度+波纹度+形状公差=实际表面形貌
波高：相邻波形波峰与波谷之间的垂直距离 波距：相邻波形波峰或波谷之间的水平距离。
(1)表面粗糙度：波距小(小于1 mm)，波高低，是 材料表面的微观几何形状误差。工程上通常采用 表面粗糙度表征表面的形貌参数。
2.与摩擦磨损关系密切：表面粗糙度的 特征对接触表面的压力分布、接触变形 程度、分子吸引力的大小、以及摩擦阻 力和摩擦成因等有决定性的影响。
二. 表面粗糙度的评定参数
高度特征参数:沿着垂直于中心线的方法测
量的。包括：
(1)轮廓算术平均偏差 Ra (2)微观不平度十点平均高度Rz (3)轮廓最大高度Ry
数中Ra、Rz、Ry 选取，只有当用高度参数不能满
足表面功能要求时，才选取附加参数。
2.表面粗糙度的评定参数-间距特征参数
(1)轮廓微观不平度的平均间距Sm：在取样长度内，
轮廓微观不平间距的平均值。轮廓微观不平间距 指含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中心线的
长度Smi。该参数反应了表面不规则起伏的波长或
的小元件表面)，常选用 Ry ，对于应力集中而导致披露破 坏比较敏感的表面，在选取参数Ra 或Rz时刻同时选取Ry 以 控制波谷深度。但Ra 和Rz在一个表面上不能同时选取。 表面粗糙度评定参数： Sm 、Si和tp不能单独使用，只有
机械加工表面质量第三章
机械加工表面质量第三章一、机械加工表面质量的定义机械加工表面质量是指机械加工过程中所得到的工件表面的光滑度、粗糙度和形状偏差等特征的综合表征。
在机械加工过程中，工件表面的质量对于产品的功能和外观有着非常重要的影响。
因此，在机械加工中，必须对工件的表面质量进行严格控制，以保证产品的性能和质量。
机械加工表面质量的评定主要包括以下几个方面：1.光滑度：表面的光滑度是指表面平整度和光泽度的综合评价。
优良的光滑度可以提高工件的表面美观度，并减少与介质之间的摩擦和粘附。
2.粗糙度：表面的粗糙度是指表面上微小凹凸的高度和间距。
粗糙度对于工件的摩擦、磨损和密封性能有着重要的影响。
粗糙度越小，表面越光滑，摩擦系数越小。
3.形状偏差：形状偏差主要包括平面度、直线度、圆度和轮廓度等。
形状偏差反映了工件表面轮廓与理想轮廓之间的偏离程度。
形状偏差对于工件的密封性能、装配性能和运动精度有着重要的影响。
二、机械加工表面质量的评定方法机械加工表面质量的评定方法主要包括两种：检验法和测量法。
2.1 检验法检验法是通过肉眼或放大镜观察工件表面的外观和质量特征进行评定。
这种方法简单直观，适用于工件表面质量要求不高的情况。
常见的检验法包括目视检查、放大镜检查和样品比对检验等。
2.2 测量法测量法是利用各种测量仪器对工件表面的光滑度、粗糙度和形状偏差等进行定量测量和评定。
测量法具有高精度、高灵敏度的特点，适用于对工件表面质量要求较高的情况。
常见的测量方法包括光学测量、机械测量和电子测量等。
2.2.1 光学测量光学测量是利用光学仪器进行工件表面质量的测量和评定。
常见的光学测量方法有：•白光干涉法：利用白光的干涉原理测量工件表面的形状偏差。
•投影仪测量法：利用投影仪进行工件表面形状偏差的测量。
•激光扫描法：利用激光扫描仪对工件表面进行扫描，获取工件表面形状的三维信息。
2.2.2 机械测量机械测量是利用机械仪器对工件表面质量进行测量和评定。
常见的机械测量方法有：•宏观测量法：利用尺子、卡尺等测量工具对工件表面的尺寸、平面度等进行测量。
表面微观测量
二：测量方法及仪器
在表面形貌测量中，一种是针尖和表面之间的接触 测量，另一种是非接触方法，传感器和物体之间没有任 何接触，通过光学技术获得表面形貌信息。 接触方法的机械原理比较简单，采用跟随表面粗糙 轮廓的针尖的垂直运动被放大和数字化，来获得轮廓有 用的粗糙度参数，以确定的步长扫描并采集平行的轮廓 就可得到三维形貌。对于光学方法，情况较复杂。基于 不同的光学物理现象，已经研究了干涉外差显微镜、散 焦和共焦显微镜、用单色相干光束反射的粗糙度漫射、 各种相移显微镜和投影条纹等方法。这些方法中大多数 都是选择几个离散的表面图像，结合在一起形成三维图 像。各种方法的垂直和水平方向的分辨力是不相同的。 用于3D表面分析的最广泛使用的是机械触针、扫描探针 和聚焦探测干涉仪。
三>光学技术
其主要利用光的干涉原理检测系统、聚焦 检测系统两种。具体的原理和方法在这里 就不详细介绍。
三：应用及及展望
一>应用： 在STM/AFM的使用中，通过仔细操作探 针，可以移动单个原子，实现单个原子在 结构上的重新安排，纳米尺度写字的例子 已证实了这种现象。 表面非接触测量中的光学系统已经大 大地增加了其应用范围，例如，研究工程 软表面、生物、医学领域以及避免损坏的 光学表面等。
触针方法的比较：
它们之间的差异来源于位移的产生方式不同。 在传统的触针方法中，X Y和Z向的移动是由机械装 置提供的，典型误差有弹性和热变形、寻找位置的 不确定性、各机械零件的线性缺陷等。在原子尺度 系统中，因为压电驱动响应的滞后和小的扫描区域 尺寸（约1平方微米），那么探针水平和垂直的相 对运动，可以被很精确地监控。 在传统的触针系统中： 第一，通过针尖施加的压力使粗糙度 “变平”。 第二，由于针尖半径的存在，掩盖了 表面的孔洞。
表面粗糙度的评定参数
评定轮廓所必须的一段长度，它包括一个或数个取样长 度。
❖ 目的： 为充分合理地反映某一表面的粗糙度特征。
Hale Waihona Puke （加工表面有着不同程度的不均匀性）。
❖ 选择原则：一般按五个取样长度来确定。
4．轮廓中线m：是评定表面粗糙度数值的基准线。具有几 何轮廓形状与被测表面几何形状一致，并将被测轮廓加 以划分的线。类型有：
❖ 15．1 测量方法综述 ❖ 对加工表面质量的评定，除了用视觉和触觉进行定性地比较检验的方
法以外，并逐步实现了用数值确定表面粗糙度参数值的定量测量。从本 世纪30年代陆续提出了测量粗糙度的方法原理和仪器以来，已发展了一 系列利用光学、机械、电气原理的表面粗糙度专用测量仪器，其基本结 构模式如图9—7所示。 ❖ 粗糙度测量方法主要是以不同类型的传感器所反映的测量原理来分类的。 表9—l 4列出了各类转换形式的传感器。运算装置包括信号放大器、滤 波器和各种型式的计算处理(如信号变换、模数转换、时控、数字计算等) 装置。输出设备包括指针式电量表、记录器、光电输出器、电传打字机、 磁带输出器、Tv显示屏、绘图仪等。其中，传感器是基本组成部分，在 取得表面测量信号以后，亦可用人工进行计算处理给出结果。
13
2．微观不平度十点高度
❖ 在取样长度内五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮
廓谷深的平均值之和，如图4-3所示。用公式表示为：
5
5
ypi yvi
Rz i1
i1
5
❖ 在取样长度内，也可从平行于轮廓中线m的任意一根线算起， 计算被测轮廓的五个最高点（峰）到五个最低点（谷）之间 的平均距离
Rz
= (h2h4...h10)(h1h3...h9) 5
编辑ppt
第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量
1 m RC = ∑ Z ti m i =1
RC =
(h2 + h4 ......h10 ) − (h1 + h3 .......h9 ) 5
第
轮廓最大高度 Ry
新标准： 新标准： Rz
11 页
为在取样长度l内 轮廓的峰顶线与谷底线之间距离。 为在取样长度 内，轮廓的峰顶线与谷底线之间距离。 峰顶线与谷底线分别指在取样长度内，平行于中线且通过轮廓 峰顶线与谷底线分别指在取样长度内，平行于中线且通过轮廓 中线 的最高点和最低点的线。 的最高点和最低点的线。
第
2、电动轮廓仪
27 页
显示
触针法电信号处理工作原理
第
台式电动轮廓仪的结构
28 页
基座： 基座：1+7 驱动箱： 驱动箱：6 传感器：9 传感器： 电器箱： 电器箱：3 记录器： 记录器：10
12-V形块 形块
第 29 页
典型电动轮廓仪介绍 P99
第
五、印 模 法
大型零件的内表面
30 页
印模法的原理： 印模法的原理： 利用某些塑性材料作块状印模，贴合在被测表面上， 利用某些塑性材料作块状印模，贴合在被测表面上，取下 在印模上存有被测表面的轮廓形状， 后，在印模上存有被测表面的轮廓形状，然后对印模的表面进 行测量，得出原来零件的表面粗糙度。 行测量，得出原来零件的表面粗糙度。 常用的印模材料有： 常用的印模材料有： 川蜡、石蜡、赛璐珞和低熔点合金等。 川蜡、石蜡、赛璐珞和低熔点合金等。
第
表面微观形貌测量的意义 表面微观形貌测量的意义 (P93) 微观形貌 1、影响零件的使用性能 、 2、监测工艺过程状态 、 3、改善表面质量 、 4、与纳米技术、生物技术等学科相互影响 、与纳米技术、
粗糙度检测方法及评定
粗糙度检测方法及评定
一、粗糙度检测方法 1、用视觉来检测粗糙度：通过肉眼观察，直接观察工件表面的形貌，来判断其粗糙度。
这是一种简单、实用的方法。
2、用比较法检测粗糙度：将试件与一般平整的参考物体做比较，根据不同类型和尺寸的参考物体，来判断试件表面的粗糙度。
3、用量化法检测粗糙度：将表面粗糙度量化，以规定的尺寸和形状的金刚石弹头或砂轮装置，来测量试件表面的粗糙度。
4、用激光扫描技术检测粗糙度：用激光扫描仪来检测工件表面的粗糙度，它能够快速、准确的测量工件表面的精细尺寸。
二、粗糙度评定 1、粗糙度评定要根据粗糙度的标准来进行，主要有三种：粗糙度数值、粗糙度等级和粗糙度范围。
2、粗糙度数值：根据工件表面的粗糙度，用数字表示，来判断工件表面的粗糙程度。
3、粗糙度等级：将粗糙度分为几个等级，来判断工件表面的粗糙度。
4、粗糙度范围：将粗糙度的标准规定在一定的范围内，来判断工件表面的粗糙度。
5、粗糙度评价：根据粗糙度的标准，对工件表面的粗糙度进行评价，从而得出结论。
6、粗糙度分析：根据粗糙度的标准，分析工件表面的粗糙度，从而得出最优的粗糙度设定。
总之，粗糙度检测方法及评定，是一种对工件表面粗糙度进行检测和评定的方法，主要使用视觉比较法、量化
法和激光扫描技术，以及根据粗糙度的标准，来进行粗糙度评定、评价和分析。
这种方法可以检测出试件表面的粗糙度，从而得出准确的结论，提高产品质量，满足生产要求。
光学仪器的表面形貌测量技术原理与应用
光学仪器的表面形貌测量技术原理与应用1. 背景光学仪器的表面形貌测量技术是一种重要的非接触式测量技术，广泛应用于光学元件、光学镜头、光学镜片等光学仪器的制造和质量控制过程中该技术通过对光学表面形貌的精确测量，可以评估光学元件的表面质量、光学性能和加工质量，从而确保光学仪器的性能和可靠性本文将介绍光学仪器的表面形貌测量技术原理及其在实际应用中的重要性2. 表面形貌测量技术原理光学仪器的表面形貌测量技术基于光学原理，通过对光学表面的干涉、散射、反射等光学现象的测量，获取光学表面的形貌信息常见的表面形貌测量技术包括干涉测量法、散射测量法和反射测量法等2.1 干涉测量法干涉测量法是光学表面形貌测量中最常用的方法之一该方法通过将光学表面与参考面之间的干涉条纹进行测量，从而获取表面形貌的信息干涉测量法的原理是利用干涉仪将入射光分为两束，一束通过被测光学表面，另一束通过参考面，两束光在光路中相遇形成干涉条纹通过测量干涉条纹的分布、间距和形状等参数，可以得到光学表面的形貌信息2.2 散射测量法散射测量法是通过测量光线照射到光学表面后产生的散射光分布，从而获取表面形貌信息的方法散射测量法包括光散射截面测量法和光散射强度分布测量法等通过测量散射光的强度和分布，可以得到光学表面的粗糙度、沟壑深度等形貌信息2.3 反射测量法反射测量法是通过测量光线照射到光学表面后产生的反射光分布，从而获取表面形貌信息的方法反射测量法包括光反射率测量法和光反射强度分布测量法等通过测量反射光的强度和分布，可以得到光学表面的形貌信息3. 表面形貌测量技术应用表面形貌测量技术在光学仪器的制造和质量控制过程中具有重要作用，主要应用于以下几个方面：3.1 光学元件表面质量评估通过表面形貌测量技术，可以对光学元件的表面质量进行精确评估这对于确保光学仪器的性能和可靠性至关重要通过测量光学元件表面的粗糙度、沟壑深度等形貌参数，可以评估光学元件的加工质量和光学性能3.2 光学元件装夹和调整表面形貌测量技术可以帮助光学元件的装夹和调整过程通过测量光学元件表面的形貌信息，可以确定光学元件的位置和姿态，从而实现精确装夹和调整3.3 光学系统整体性能评估表面形貌测量技术还可以用于评估光学系统的整体性能通过测量光学系统各个元件的表面形貌信息，可以评估光学系统的像差、分辨力等性能指标，从而确保光学系统的性能达到设计要求4. 总结光学仪器的表面形貌测量技术是一种重要的非接触式测量技术，通过对光学表面的干涉、散射、反射等光学现象的测量，可以获取光学表面的形貌信息该技术在光学仪器的制造和质量控制过程中具有重要作用，可以评估光学元件的表面质量、光学性能和加工质量，确保光学仪器的性能和可靠性随着科技的不断发展，表面形貌测量技术在光学仪器领域的应用将越来越广泛，为光学仪器的制造和质量控制提供更加精确和高效的方法1. 背景光学仪器的表面形貌测量技术是一种重要的非接触式测量技术，广泛应用于光学元件、光学镜头、光学镜片等光学仪器的制造和质量控制过程中该技术通过对光学表面形貌的精确测量，可以评估光学元件的表面质量、光学性能和加工质量，从而确保光学仪器的性能和可靠性本文将介绍光学仪器的表面形貌测量技术原理及其在实际应用中的重要性2. 表面形貌测量技术原理光学仪器的表面形貌测量技术基于光学原理，通过对光学表面的干涉、散射、反射等光学现象的测量，获取光学表面的形貌信息常见的表面形貌测量技术包括干涉测量法、散射测量法和反射测量法等2.1 干涉测量法干涉测量法是光学表面形貌测量中最常用的方法之一该方法通过将光学表面与参考面之间的干涉条纹进行测量，从而获取表面形貌的信息干涉测量法的原理是利用干涉仪将入射光分为两束，一束通过被测光学表面，另一束通过参考面，两束光在光路中相遇形成干涉条纹通过测量干涉条纹的分布、间距和形状等参数，可以得到光学表面的形貌信息2.2 散射测量法散射测量法是通过测量光线照射到光学表面后产生的散射光分布，从而获取表面形貌信息的方法散射测量法包括光散射截面测量法和光散射强度分布测量法等通过测量散射光的强度和分布，可以得到光学表面的粗糙度、沟壑深度等形貌信息2.3 反射测量法反射测量法是通过测量光线照射到光学表面后产生的反射光分布，从而获取表面形貌信息的方法反射测量法包括光反射率测量法和光反射强度分布测量法等通过测量反射光的强度和分布，可以得到光学表面的形貌信息3. 表面形貌测量技术应用表面形貌测量技术在光学仪器的制造和质量控制过程中具有重要作用，主要应用于以下几个方面：3.1 光学元件表面质量评估通过表面形貌测量技术，可以对光学元件的表面质量进行精确评估这对于确保光学仪器的性能和可靠性至关重要通过测量光学元件表面的粗糙度、沟壑深度等形貌参数，可以评估光学元件的加工质量和光学性能3.2 光学元件装夹和调整表面形貌测量技术可以帮助光学元件的装夹和调整过程通过测量光学元件表面的形貌信息，可以确定光学元件的位置和姿态，从而实现精确装夹和调整3.3 光学系统整体性能评估表面形貌测量技术还可以用于评估光学系统的整体性能通过测量光学系统各个元件的表面形貌信息，可以评估光学系统的像差、分辨力等性能指标，从而确保光学系统的性能达到设计要求4. 总结光学仪器的表面形貌测量技术是一种重要的非接触式测量技术，通过对光学表面的干涉、散射、反射等光学现象的测量，可以获取光学表面的形貌信息该技术在光学仪器的制造和质量控制过程中具有重要作用，可以评估光学元件的表面质量、光学性能和加工质量，确保光学仪器的性能和可靠性随着科技的不断发展，表面形貌测量技术在光学仪器领域的应用将越来越广泛，为光学仪器的制造和质量控制提供更加精确和高效的方法光学仪器的表面形貌测量技术应用场合及注意事项应用场合1.光学元件制造和质量控制：在光学元件的生产过程中，表面形貌测量技术被广泛应用于评估光学元件的表面质量，确保其满足高精度的加工要求这对于生产高质量的光学镜头、镜片等元件至关重要2.光学系统装配和调试：在光学系统的装配过程中，通过表面形貌测量技术可以精确地确定光学元件的位置和姿态，以实现最佳的系统性能这对于天文望远镜、显微镜、激光器等光学系统的精确装配和调试尤为重要3.光学元件表面修复和再加工：在光学元件的表面修复和再加工过程中，表面形貌测量技术可以用于评估修复效果，确保表面质量符合规定标准这对于提高光学元件的使用寿命和性能具有重要意义4.光学材料研究和开发：在光学新材料的研究和开发过程中，表面形貌测量技术可以用于评估材料的表面特性，为材料的优化和改性提供重要数据支持5.光学仪器性能评估和优化：通过表面形貌测量技术，可以全面评估光学仪器的性能，包括像差、分辨力等指标这有助于发现潜在的性能瓶颈，为光学仪器的优化和改进提供依据6.质量控制和工艺改进：表面形貌测量技术可以用于监测光学加工过程中的表面质量变化，有助于及时发现和解决加工过程中的问题，提高生产效率和产品质量注意事项1.测量精度和稳定性：在使用表面形貌测量技术时，要确保测量系统的精度和稳定性，避免测量误差对结果产生影响这包括定期校准测量设备，确保其满足高精度的测量要求2.环境控制：光学仪器的表面形貌测量对环境条件较为敏感，因此在测量过程中要注意控制环境温度、湿度、灰尘等因素，以减少外部因素对测量结果的影响3.样品制备和装夹：在测量过程中，要确保光学元件的样品制备和装夹正确无误，避免对光学表面造成二次损伤或测量误差对于不同材质和形状的光学元件，要选择合适的样品制备和装夹方法4.数据处理和分析：表面形貌测量技术得到的数据需要进行有效的处理和分析，以提取有用的形貌信息要熟悉数据处理软件和算法，确保正确解读测量结果5.设备维护和保养：定期对表面形貌测量设备进行维护和保养，确保其始终保持良好的工作状态这包括清洁光学系统、检查机械部件、更换磨损的部件等6.人员培训和技能提升：表面形貌测量技术涉及到专业知识和操作技能，要加强对相关人员的培训和技能提升，确保他们能够熟练地操作设备和正确解读测量结果7.安全操作：在使用表面形貌测量设备时，要遵守安全操作规程，避免发生意外事故这包括正确使用设备、避免接触高温或尖锐部件、确保实验室安全等通过遵循以上注意事项，可以确保光学仪器的表面形貌测量技术在实际应用中取得准确、可靠的结果，为光学仪器的制造和质量控制提供有力支持。
加工表面形貌测量理论、方法及评价
最 早的 表面 测量 是通过 目测或 用手触摸 试 件与 标 准样件 比较 来进 行 ， ０ 纪 ２ ～３ 年 代 ， ２世 ０ ０ 世界 上 不 少工业 国家 开始 采用三 角符 号的组 合来 表示 不 同
精度 的加工 表面 。 ０ 代后 各 国的二 维粗糙 度 参数 ４年 才开 始标 准化 ， 些 先进 的工业 国 家还制 造 出 了轮 一
维普资讯
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林
摘
訇 似
莹 ， 岚 王
加工表 面形貌测量理论 、方法及评价
滨 ， 新雁 ， 黄 魏
（ 天津大学 机械工程学 院， 天津 ３ ０ ７ ） ０ ０ ２
要：随着精密、 超精密及纳米级加工技术的发展 ， 工件表面的微观几何结构及表面形貌特性 的检 对 测 提出了越 来越 高的要求 ， 传统的二维表面测 量 ， 评定方法发展较为成熟 ， 已经不 能满足 现 但
代计量技术的需 要。 三维的测量 ， 评定方法 则是 目前 国内外研究的重点 。 本文就表面测量方法 、
理论及评价指标 等进行了论述。
关键词 ：表面形貌 ；测量方法 ；评价 ；表面表征 ；加工
中国分类号 ：Ｔ ７ Ｐ２ ３ 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１ ０ ～ １ ４ ２ ０） ８ ０ １ －０ ９ ０３（０６０－ ０４ ４ ０
性 ，耐 腐蚀性 ，密封 性 等 ，而且 对零 件装 备 后设备 的 整体工 作性 能 ，使用 寿命 ，振 动 与噪 声有 很大影
响 。因此 如何 测量 ，标 定 ，评 价表 面形 貌成 为 了国 内外科 学家 们研究 的重 要课 题 。
随着计 算机 技 术 ，机 电一体 化技 术 的发 展 ，出现 了
其 对有 关 表面 粗糙 度 的 表面 参数 等 术 语作 了规定 ， 分为 ３ 部分 ，共 ２ 个 参数 术语 。１６ 年 我 国上海 个 ７ ９８
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式中：ｘ 为轮廓坐标；Ｚ（ｘ）为轮廓高度；Ａ 为尺 寸常数；Ｄ 为分形维数；ｎ 为与轮廓的最低截至频
最小二乘多项式拟合法，最小二乘多项式拟合 法评定表面形貌的原理是将被测表面表示为一多项 式函数，利用最小二乘原理确定多项式系数，从而 给出评定基准。由于多项是阶次越高，运算时间越 长，且可能丢失表面粗糙度的有用信息，因此对于 一般的正态分布表面，只需采用二次多项式即可满 足条件。但最小二乘多项式拟合是对表面低频信号 的一种近似拟合，受函数形式和多项式阶次的限制， 拟合效果难以保证，且不适用于三维表面功能的评 定，对于多次加工生成的表面也很难确定合适的基 准面。
表面形貌评定的核心在于特征信号的无失真提 取和对使用性能的量化评定，国内外学者在这一方 面做了大量的工作，提出了许多分离与重构的方法。 随着计算机技术，机电一体化技术的发展，出现了 最小二乘多项式拟合法，滤波法，分形法，Ｍｏｔｉｆ法， 功能参数集法等各种评定理论与方法，并取得了显 著的进展。下面将分别进行介绍：
随着国内工业化的发展，我国对表面粗糙度的 研究和标准化也越来越被科技和工业界重视。我国 等效采用国际标准化组织（ＩＳＯ）有关的国际标准制 订了 ＧＢ３５０５－１９８３《表面粗糙度术语表面及其参数》 其对有关表面粗糙度的表面参数等术语作了规定， 分为 ３ 个部分，共 ２７个参数术语。１９６８年我国上海 光学仪器厂生产出６Ｊ型干涉显微镜，１９８８年底中科 院化学所研制成功具有原子级分辨率的 ＡＦＭ。目前， 国内仍有大量的科学家致力于这方面的研究工作。
收稿日期：２００６－０３－２２ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０４７５１１４）；天津市科技发展计划项目支持 作者简介：林滨，天津大学机械工程学院。
【１４】 第 ２８ 卷 第 ８ 期 ２００６－０８
制造业自动化
观形貌由不同波长的谐波叠加而成时才能采用高斯 滤波法。而实际上大多数工程表面不仅包含特定频 率正弦波，还包括几乎无频率周期的特征信号。由 于傅立叶变换引起的边界效应，使其无法充分利用 测量信息，表面缺陷也会引起滤波基准的变形。小 波滤波则是采用小波变换将原始信号分解到不同的 尺度空间，在不同尺度上分离和提取各种表面元素， 具有良好的时频局域化性能。目前已提出了用于三 维表面评定的第一代和第二代线性相移小波滤波理 论与方法。小波滤波克服了传统滤波方法的缺陷， 但由于小波的分解次数由分解波长和采样间距决定， 对于不同精度的工作表面，分解波距和采样间距不 同。因此其分解次数要视具体情况而定。此外，小 波分析的有效性还受到小波基的限制。
代计量技术的需要。三维的测量，评定方法则是目前国内外研究的重点。本文就表面测量方法、
理论及评价指标等进行了论述。
关键词：表面形貌；测量方法；评价；表面表征；加工
中图分类号：ＴＰ２７３
文献标识码：Ｂ 文章编号：１００９－０１３４（２００６）０８－００１４－０４
０ 引言
１ 测量理论
表面形貌是指零件在加工过程中因诸多因素综 合作用而残留在零件表面的各种不同形貌和尺寸的 微观几何形态。表面形貌不仅直接影响零件的耐磨 性，耐腐蚀性，密封性等，而且对零件装备后设备 的整体工作性能，使用寿命，振动与噪声有很大影 响。因此如何测量，标定，评价表面形貌成为了国 内外科学家们研究的重要课题。
定特征信息的小波分量尺度；（３）从原始表面形貌 中合理提取粗糙度，形状误差和波纹度等特征信息。 这种复合评定法能综合提取表面形貌中的粗糙度， 形状，波纹度等特征信息，理解工程表面宏观功能 特性。
Ｍｏｔｉｆ法 Ｍｏｔｉｆ法则是基于地貌学理论，直接采 用表面原始信息，利用合并准则选区中要轮廓特征， 分离表面元素，从而实现对表面功能的综合评价。其 中，二维Ｍｏｔｉｆ的标定参数为：平行于轮廓走向的长 度 ＡＲｉ；垂直于轮廓走向的两个深度 Ｈｊ，Ｈｊ＋１；深度特 征 Ｔ。
量化描述。目前，根据是否与被测表面接触可将表 面轮廓测量方法分为两大类：接触式与非接触式。
接触式，主要是通过针尖和表面之间的接触进 行测量。传统的触针式仪器主要是采用针尖与固定 表面接触，触针的垂直运动通过传感器被转接成电 信号，电信号被放大处理后再通过 Ａ／Ｄ 转换变为数 字信号，用计算机进行分析。由于针尖的尺寸对表 面小孔底部的探测和与表面之间的接触压力有着直 接的影响，针尖太大会引入系统误差，太小会对表 面造成永久性破坏，影响表面分析的准确度，且在 三维测量中其局限性更加明显。因此，引入了原子 尺度的触针技术——扫描探针显微镜（ＳＰＭ）。
图１ 粗糙度Ｍｏｔｉｆ
Ｍｏｔｉｆ法，不采用任何轮廓滤波器，通过设定不 同的阀值可以将波度和表面粗糙度分离开来，强调 大的轮廓峰和谷对表面功能的影响，在评定中选取 重要的轮廓特征，忽略不重要的特征，其参数是基 于Ｍｏｔｉｆ的深度和间隔产生的。Ｍｏｔｉｆ法尤其适合没 有预行程或延迟行程的轮廓，在未知表面和过程上 进行技术分析，与表面的包络面相关的性能研究， 识别粗糙度和波度具有相当接近波长的轮廓，是对 与表面功能密切相关的表面文理结构进行综合评价。 但是Ｍｏｔｉｆ合并的四个条件是来自多年的实践工作 经验，缺乏理论依据，并且三维Ｍｏｔｉｆ法仍没有统一 的定义和合并准则。
扫描探针显微镜（ＳＰＭ）工作原理主要是用探 针在被测工件上进行扫描，由于被测表面因原子排 列而形成的凹凸不平，导致针尖在垂直方向上的变 化而引起在接触区域内的力，电流，电容，热，光 的变化，检测这些不同的变化量就要采用不同系列 的 ＳＰＭ。因此 ＳＰＭ 包括了 ＳＴＭ，ＡＦＭ，ＦＭＭ，ＰＤＭ， ＥＦＭ 等多种扫描显微镜。其中以扫描隧道显微镜 （ＳＴＭ）和原子力显微镜（ＡＦＭ）应用最为广泛。探 针的水平扫描可达 １００µｍ，垂直扫描可达 ４µｍ，可 实现纳米级和超纳米级水平的极限垂直分别率。
目前，在三维测量中主要到了结构光测法，条 纹图形拼接法，ＦＩＲ数字滤波技术，光切法以及ＣＣＤ 传感器测量法等。其中结构光信号测量方法是将结 构光信号投影到待测物体上，接收受面形调制而变 形的结构光信号，从中解调出物面各点的高度。条 纹图形拼接法能解决大平面的干涉测量问题，进行 多次测量，每次仅测量大平面的一部分，并使各部 分稍有重叠，然后将多次测量的结果拼接起来，从 而得到整修平面的面形。这两种方法都存在着一些 难以克服的困难。ＣＣＤ 传感器测量是通过采用电荷 耦合成像的 ＣＣＤ摄像机获取立体图像，利用面积相 关与灰暗度相关性，计算三维表面坐标，图像处理， 从而实现了对三维表面的精确测量，但也存在明显 的随机误差和系统误差，需要进一步研究解决。
功能参数集，在工程应用中，机加工的许多零 件表面需要具有特定的功能特性，如支承性，密封 性和润滑油滞留性等。这就要求我们在实际工程应 用中针对表面的特殊性能设定功能参数集，来有效 的表征零件表面的特殊属性。
其中以基于轮廓支承度率曲线Ｒｋ的功能参数集 最具代表性，该参数集主要用于表征具有高预应力 的表面，如抛光，磨削表面等。轮廓支承长度曲线 ｔ （ｃ）能直观地反映零件表面的耐磨性，对提高承载
制造业自动化
十年，主要包括有差动式聚焦检测，强度检测，临 界角法，像散法，焦点检测法等。聚焦检测系统要 求有一定的光量反射回探测器，因此不能检测透明 的表面。另外在试件表面偶遇陡斜坡时，由于扫描 焦点的丢失，会导致假的凹坑被错误的记录在表面 数据中。激光散射是对试件表面粗糙度所散射的光 强度的探测，通过分析散射线来确定粗糙度参数。 该方法在 ２Ｄ 测量中得到了应用，但在 ３Ｄ 分析中还 未被彻底研究，但它能直接提供 ３Ｄ 表面参数。
ｐ
能力也具有重要的意义。将ｔ （ｃ）曲线分成不同的部 ｐ
分以对应不同的功能区域，从而得到一组参数集： 简约峰高 ＲＰＫ；核心粗糙度深度 ＲＫ；简约谷深 ＲＶＫ； 轮廓支承长度率 Ｍｒ１，Ｍｒ２；存油量 Ｖ０。但是该方法基
第 ２８ 卷 第 ８ 期 ２００－０８ 【１５】
制造业自动化
于实践经验，缺乏理论依据，并且对表征其他的工 程表面时会失去原有的意义。
图３ 功能图
２ 测量方法
自从１９２９年德国的施马尔茨（Ｓｃｈｍａｌｔｚ）首次发 明了表面轮廓记录仪后，人们就一直致力于表面质 量检测技术的研究，从此开始了对表面粗糙度的数
【１６】 第 ２８ 卷 第 ８ 期 ２００６－０８
图 ４ ＳＴＭ 原理示意图
非接触式，光学测量仪器主要是通过光的干涉， 聚焦，散射等方法来对表面进行测量表征，这种非 接触式的光学测量法不仅避免了探针给被测表面带 来的损伤，而且也提高了数据采集的速率。干涉显 微镜可以测量要求纳米级分辨力的表面，其原理是 将以单色光分成两束，一束光路径长度通过压电驱 动监控作为内部参考光；另一束的路径长度随表面 高度的变化而变动作为探测光，通过两束光之间的 干涉作用得到干涉图案。其中应用最广的是相位干 涉仪和扫描差动干涉仪，但干涉仪器只适用用具有 一定反射性的表面。聚焦检测系统已经研究了近二
滤波法，滤波评定方法可在频域内直接对被测 表面原始信号进行分解，而不必将表面形貌表示为 某一具体函数，它所生成的基准轮廓可连续变化， 可实现与表面原始形貌的良好匹配。
模拟滤波计算量大未能得到实际应用，而数字 滤波器的传输性准确，稳定，相位不易失真，且易 于进行编程处理。零相位滤波器最适合用于分离表 面元素（尤其对三维表面评定）。高斯滤波法将随机 理论应用于表面评定，可通过一次滤波过程有效提 取表面粗糙度和波度信息，而不会发生相位失真。 当不相关的形状和转换误差已经被消除，且表面微
１
率相对应；γｎ为轮廓空间频率。 其功率谱为：
式中： 为空间频率，等于轮廓空间波长的倒 数。
分形法提出了只用一个尺度敏感参数——分形 维数 Ｄ表征工程表面的可能性，根据不同的加工工 艺和材料，分形维数也不相同；加工表面越精细，分 形维数Ｄ就越大。但并非所有表面都具有分形特征， 现有的分形数学模型并没有考虑表面的功能特性， 也没有一种方法能唯一确定分形参数。因此分形理 论在实际应用中还有许多工作有待进一步研究。