基于激光散射原理的表面粗糙度方法研究

图４ 平磨加工Ｓｎ—Ｒａ关系曲线
，诒＝（１．２５＋０．９５Ｓ几）×１ ０－３
（５）
经过实验验证，该曲线是可靠的。图４为平磨加
工表面粗糙度Ｓ几一砌关系曲线，Ｓ几和舶不再——
对应，它们呈对数关系。对于端铣、平铣、刨加工、车
外圆等加工方法，它们也有各自的对应曲线。
不同加工方法的零件，光散射特征值Ｓ几和表面
该光路结构简单，容易调整，能轻易地调整入射 光束的入射角度，在光路中加入扩束镜还可以方便 地调整照在工件上的光斑。整个光路呈对称分布，并 且采用了滤光片滤光，可使经被测工件表面散射后 的测量光束因偏振分光镜的阻拦而无法返回激光
图３ 研磨加工Ｓｎ—Ｒａ关系曲线
（下转第４９页）
３４现代显示Ａｄｖ柚ｃｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ
Ｅ—ｍａｉｌ：Ｌ×ｐ一７３＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍｏ
琉
对专门试件或专用生产线使用，如轴承制造行业、汽 车产业等１８】。
４ 结论
基于激光散射原理的表面粗糙度测量方法结构 简单，调试方便，对测量环境的要求低。由于是非接 触测量、测量速度快、抗干扰性强，因此测量系统结 果稳定可靠，可重复性好。该测量方法还可实现对内 孔、凹槽、大型叶轮、轴承滚道表面等一些复杂形状 表面的非接触实时在线检测，在在线检测领域具有 相当大的发展潜力。
电接收器阵列的各光敏单元也是离散的。这时Ｓ值 应该用离散的散射光特征值Ｓ几来表示
ｎ
ｓｎ＝Ｊ（２艺（？』Ｊ只
（４）
ｉ＝１
ｎ
ｎ
式中，尸净‘／∑‘，百∑僻，Ｋ是光学常数，ｎ为
『＝１
Ｉ＝，
ＣＣＤ光敏单元数，＾为第ｆ单元的光强。 Ｓ几用于描述被测表面的散射光分布情况，称为
“光散射特征值”，可作为光散射法测量表面粗糙度
１光散射理论
１．１ 光在粗糙表面的散射现象 当～束光以一定的角度入射到粗糙物体表面
时，根据光的几何原理，光线会被物体散射和反射， 散射光和反射光的强弱与物体的表面粗糙程度有 关。反射光集中在一个很小的面积上，形成一个光 斑；散射光分布在反射光斑的周围，形成由许多光点 组成的光带。若物体表面比较光滑，反射光斑的光能 比较强，散射光带比较窄；反之，若物体表面比较粗 糙，反射光斑的光能比较弱，散射光带则比较宽。这 一现象定性地说明了散射光能的强弱和物体表面的 粗糙程度有关１３ｌ。本文通过研究散射光的光能分布定 量地得到物体表面粗糙度的信息。
ｂｅａｍ ｐａｔｈ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｒｅｃｏｒｄ ｓｃａｔｔｅ ｒ．ｎｇ Ｉｉｇｈｔ ｆｉｅＩｄ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｕｇｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｂｙ ＩＩｎｅａｒ ａｒｒａｙ ＣＣＤ。
Ｗｅ ｇｅｔ ＯｐｔｉｃａＩ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｖａＩｕｅ Ｓｎ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｂｅｔｔｅｒ
１．２表面粗糙度特征值Ｓｎ 理论和实践都证明，散射光分布曲线的形状与
表面粗糙度有关。以光散射理论为基础，利用光散射 特征值法测量表面粗糙度。其原理是由于物体表面 不是理想的光滑表面，所以当一束光照射到物体表
面上时，除一部分光被反射外，另一部分光被散射，
形成一束离散光。研究表明，由被测物体表面反射、
散射的离散光的强度呈高斯分布，其概率分布函数
３２ 现代显示Ａｄｖ蛐ｏｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ
万方数据
Ｍａｙ．２０ｌｌ，总第１２４期
收稿日期：２０１１—０３—２９
王伦升，于连栋：基于激光散射原理的表面粗糙度测量方法研究
ｊ辫
引言
工件的表面粗糙度是评定工件表面质量的一个 重要指标，它是决定工件性能和质量的重要参数。科 学技术的日新月异，加工精度的不断提高，新技术、 新材料、新工艺的出现对工件表面粗糙度的检测提 出了越来越高的要求。同时摩擦与磨损过程的研究、 工艺过程的分析、面接触状态的探讨等，都要求对表 面微观几何形状给出定量的描述川。传统的接触式测 量方法容易划伤工件表面，测量速度低，而且受测针 半径限制影响其测量范围，不适合在线检测。
ＡｂＳｔｒａＣｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｏｎ—Ｉ｜ｎｅ ｎｌｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｂａｓｅｄ
ｏｎ Ｂｅｃｋｍａｎｎ’ｓ ｔｈｅｏｒｙ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓｃａｔｔｅ ｒ．ｎｇ ｏｆ Ｉｉｇｈｔ．Ｗｅ ｕｓｅ ａ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｔｏ ｆｏｒｍ ａ ｔｅＩｅｃｅｎｔ ｒ．ｃ
源构成远心光路，通过线阵ｃｃＤ记录粗糙物体表面的散射光场。计算机分析处理得到表面粗糙度
特征值Ｓｎ，在较大的范围内表面粗糙度Ｒａ和Ｓｎ有很好的对应关系。该测量方法结构简单、精度高、
速度快，可以对不同加工方法的工件表面粗糙度实现非接触实时检测，在工件的在线检测方面有很
好的发展前景。
关键词：表面粗糙度；散射；光散射特征值：在线检测
表２平磨试件
１只ａ
０．１
Ｏ．２
Ｏ．４
Ｏ．８
ｓｎ
５０
６５
７７
８７
根据表１和表２的数据绘制出Ｓｎ与肋的关 系曲线，如图３、图４所示。
图３为研磨加工表面粗糙度Ｓ几一鼢关系曲线， 它们之间具有很好的对应关系，对表１的数据进行 一元线性回归曲线拟合，得到Ｓ几和开ａ关系：
飞 Ｓ
ｏ Ｈ ｏ
∞ ｏ ｏ
∞ ｏ ｏ
图２ 实验装置图
中图分类号：ＴＨ７４１
文献标识码：Ｂ
Ａ ＲｅｓｅａｒＣｈ Ｏｆ ｔｈｅ Ｓｕｒｆａｃｅ ＲＯｕｇｈｎｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ＴｅＣｈｎｉｑｕｅ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ ｔｈｅ ＬａＳｅｒ ＳＣａｔｔｅ ｒ－ｎｇ
ＷＡＮＧ Ｌｕｎ—ｓｈｅｎｇ，Ｗ Ｌｉａｎ—ｄｏｎｇ
（Ｓｃｈ００１ ０ｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｏｐｔｏ—ｅＩｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅ ｒＩｎｇ，Ｈｅｆｅｉ ＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ Ａｎｈｕｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
３测试结果讨论
图１ 光路布局
零件加工方法很多，有研磨、平磨、端铣、平铣、
刨加工、车外圆等。本次实验研究中，我们用研磨、平 磨两组表面粗糙度标准样板实验，研究Ｓ几与Ｒａ的 关系。实验测得研磨试件、平磨试件的对应关系如表 １和表２所示。
表１研磨试件
来自百度文库
只台
０．０１２
０．０２５
０．０５
０．１
ｓｎ
１ｌ
２５
５１
１０４
而采用光学非接触的测量方法可以弥补触针式 测量仪器的不足，常见的光学测量方法有光散射法、 光学散斑法、聚焦法、干涉测量法等幢】。光学法测量表 面粗糙度以被测表面的光学效应为基础，光源发射 的光波通过光学系统平行或发散或会聚入射到被测 件表面，被测件表面的反射光波反映了被测件的表 面形状，反射光波的光学信息由各种类型的光电传 感器和后处理电路予以接收、转换、运算、显示、记录 等。本文采用基于激光散射原理的表面粗糙度测量 方法，可实现对高精度零件表面粗糙度的无损检测 和非接触在线快速检测，具有较高的经济价值。
粗糙度值砌有不同的对应关系。相同的开ａ，其Ｓ几
值可能相差很大，这是由于Ｓ几值和加工方法相关。 Ｓｎ是微观垂直参数和水平参数的综合反映。
以上分析表明，表面粗糙度小于０．１Ⅳｍ的表
面，砌和Ｓｎ有着很好的线性关系；表面粗糙度大于
０．１Ⅳｍ的表面，砌和Ｓ几呈对数关系。这说明激光
散射法更适合做精细表面的检测，同时光散射检测
如图１所示，我们采用稳定度较高的半导体激 光器为光源，该激光器的峰值波长为７８０ｎｍ，输出 功率为３ｍＷ。激光器发出的光经过准直和滤光后， 通过测量透镜入射到被测工件表面，反射光和散射
万方数据
Ｍａｙ．加１１，总第１２４期
现代显示ＡｄＶ蚰。甜肼刚时 ３３
王伦升．于连栋：基于激光散射原理的表面粗糙度测量方法研究
粗糙度所固有的特性对加工方法差异敏感，更适合
参考文献 【１１胡凤兰，董丽君，高为国．利用激光散射原理测量零件的
表面粗糙度【Ｃ】．湖南工程学院学报，２００６，１６（４）：３９—４１． 【２１ ＴＩＺＩＡＮＩ Ｈ Ｊ．ＯｐｔｊｃａＩ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ
【Ｊ １．０ｐｔｉｃａＩ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ ＥＩｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．１ ９８９，２ １《４）： ２５３—２８２． 【３】邱瑜，王世华．用激光散射法非接触在线检测表面粗糙 度【Ｊ】．工具技术，２０００，３４（４）：３６—３８． 【４】于吴．散射法表面粗糙度测量的数学模型分析【Ｃ】．长春 理工大学学报，２００６，２９（１）：１０９—１１２． 【５】徐壤，徐继麟，周肇飞．内表面粗糙度在线测量仪【Ｊ】．激 光杂志，２００２，２３（２）：５２—５４．
腑的数学模型。用已知表面粗糙度参数的试件作为
表面粗糙度标准样块，测得对应的Ｓｎ值，即可建立
光散射特征值和表面粗糙度（Ｓｎ一舶）关系曲线，从
而实现利用光散射特征值法测量工件表面粗糙度。
２测量原理及方案
整个测量系统由光源、光学测量系统、光电转换 和计算机数据处理系统组成。半导体激光器发出的 光束经过准直聚焦后照射到被测工件表面，光束会 发生反射和散射，用线阵ＣＣＤ接收工件表面的反射 光斑和散射光斑，计算机采集数据并计算出光散射 特征值Ｓｎ，再换算成所需要的表面粗糙度评定参 数，通过显示仪器显示出表面粗糙度参数砌。
光经平面镜反射后用线阵ＣＣＤ接收。光束经ＣＣＤ 光电转换后，通过数据采集送入计算机进行数据处 理。实验装置如图２所示。
技 术 交 流
器，从而避免了光束反射回光的影响。 由于被测工件表面可能会存在切屑、油膜等污
染，这将对测量结果产生不可估计的影响。所以在测 量前耍先对工件表面进行预处理，实验前用酒精或 汽油清洗表面：如果是在线检测，可设计高压喷气装 置，利用压缩空气的特性，将高压气流用软管接于测 量锥头上，使高压气流与测量光路同轴，用与测量光 路同轴的高压气流喷吹被测表面，使其达到测量要 求的清洁度。
【４】潘志刚，陈艺鸣．丝网绷网形变【Ｊ】．丝网印刷，１９９５ ５．２４—３１．
【５】裴桂范．网距——网印质量控制的关键【Ｊ】．丝网印刷，
２００３，（４）：１３—１５．
作者简介：雷晓平（１９７３一），男，１９９７年毕业于郑州
工业大学，工学学士，现就职于太原风华信息装备股 茂
羹 份有限公司，从事电子专用设备的研制与开发工作，
万方数据
Ｍａｙ．加１ｌ，总第１２４期
雷晓平等：贴附网版的网距分析
参考文献 【１】应根裕．平板显示技术【Ｍ】．北京：人民邮电出版社，２００３． 【２】范志新．液晶器件工艺基础【Ｍ１．北京：邮电大学出版社，
２０００．
【３】宋钰新，金声．丝网印版的张力及其相关性【Ｊ】．丝网印刷，
１９９９．１．１６—１７．
Ｐ（咖）‘４】为
ｆⅥ捏
Ｐｔ审）＝ｌｉ审）７｜ ｎｌ｛令ｋｊ巾
Ｉ、１
誉攀繁蛩姆黎鎏誊雾蒸纛 式中，咖为散射角，ｆ《妒）为散射角所对应的散射
光强度。分布曲线的方差Ｓ为
Ｓ：ｌ’晴Ｐ（巾｛（巾一虿ｆ ｄ审
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式中，万为平均值
鬻
万＝Ｊ Ｐｆ币Ｊｄ咖
（３）
Ｊ—Ｔｒ亿
在实际测量系统中，是用ＣＣＤ接收反射光信
号。由于测量孔径的限制，实际测量系统不可能也没 必要接收整个空间（一Ｔｒ／２，丌／２）的散射光，同时光
ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｒａ ａｎｄ Ｓｎ ｉｎ ａ Ｉａｒｇｅｒ ｍｅａｓｍｉｎｇ ｒａｎｇｅ。Ｔｈｊｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈＯｄ ０ｆ ｓｉｍｐ Ｊｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｊｓｊｏｎ，ｆａｓｔ ｓｐｅｅｄ，ｗｈｊｃｈ ｃａｎ ｒｅａＩｉｚｅ ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｄ ０ｎ—Ｉｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔＯ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｎｌｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ ｈａｓ ａ ９００ｄ ｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒＯｓｐｅｃｔ Ｏｎ ｌｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗＯｒｋｐｉｅｃｅ． ＫｅｙｗＯｒｄｓ： ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ： ｓｃａｔｔｅｒ： ＯｐｔｉｃａＩ ｓｃａｔｔｅ ｒ．ｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｖａｌｕｅ： ｏｎ ＩＩｎｅ ｍｅａＳＵｒｅｍｅｎｔ
王伦升，于连栋：基于激光散射原理的表面粗糙度测量方法研究 文章编号：１００６—６２６８（２０１ １）０５—００３２—０４
鼓 基于激光散射原理的表面粗糙度
术
交
流
测量方法研究
王伦升。于连栋 （合肥工业大学仪器科学与光电工程学院。安徽合肥２３０００９）
摘要：文章基于Ｂｅｃｋｍａｆｕｌ散射模型，提出一种表面粗糙度的在线测量方法。以半导体激光器为光