表面粗糙度的光纤传感测量方法

表面粗糙度的光纤传感测量方法

孙俊卿

中国民航学院

摘要：表面粗糙度的光纤传感测量方法，具有非接触、快速和在线测量的优点。测量表面粗糙度的光纤传感嚣可以分为三类：反射型、漫射反射比型和干涉型。本文介绍了这三种传感器的结构和测

量原理。

关键词：表面粗糙度光镶传感毁测量ｉ

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Ｋｅｙｗｏｒ如：￥ｕｒｆａ∞ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ，ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｏｎｓｏｒ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．

１．引言

光纤传感技术在表面粗糙度测量中的应用，为表面粗糙度的非接触、快速和在线测量提供了可能。在光纤传感测量表面粗糙度的研究领域中，光纤传感器的结构和测量原理是研究的焦点之一，国内文献已有许多这方面的报道【１Ｉ－－［６１。但就其测量原理来讲，可分为三类：反射型、漫射反射比型和干涉型。下面介绍这三种光纤传感器的测量原理和结构。

２．反射法

这是一种通过浏量反射光强来测量表面的粗罐度的方法。

根据光散射理论，当一束光以口角入射到被测表面对，如果表面是理想光滑的，入叟竭钐，雌射光在镜反射方向产生全反射，反射角为口‘。如果表面是粗糙的，－ｔ

入射光的一部分或全部产生漫反射并偏离ａ’角Ⅲ。如图１所示：ｆ司

（ａ）光滑表厩（ｂ）粗糙表面封．骏：图ｔ光入射到被测表面的反射和漫反射

图２测量原理

－】４０８－

电子测量与仪器学报２００２年增刊ｈｔｔｐ：／／ｗｗ．ｅｍｃａｇｅ．ｃｏｍ

对于表面不平度的高度和斜率分布为高斯型的条件下，并且Ｒｑ‘“，当光束垂直照射到粗糙表面上时，反射的总光强为【２】

…小竿）２］＋ｃ’卜［一（竿『］｝×｛ｌ

式中，ｃ和Ｃ’为与材料有关的参数（包括反射和吸收损耗）；Ａ为入射光的波长；Ｒ。和△ｇ为表面不平度高度和斜率均方根值：ａ为被测表面漫反射的

入射到光探测器的光锥的平面角。

图２中，利用光纤（或光纤束）置于发射和接收的位置上。

光接收器离被测表面的距离为一常数（ｄ＝ｃｏｎｓｔ）。后面将讨论ｄ

的确定方法。口角不大，而Ｒｑ／曲对于某～工艺（加工方式）

近似为常数，因此可以近似地得到Ｉ。岛曲线，如图３所示。

由曲线可知，被测表面越粗糙，即■越大，光探测器接收到的

能量就越小，即ｌ越小。

图３ｉ。Ｒｑ曲线基于这种测量原理的光纤传感器的结构如图４所示。光｝毛黾一根同轴光纤，其内圈半径为ｎ的圆面积内为传输入射光的光纤束，接恤反射光的光

纤柬分布在半径ｎ和ｒ２之间的环形面积内。光从入射光纤垂直

入射到被测表面，接收光纤在垂直方向上接收反射光，如图２

所示。

这种光纤传感器具有三种不同的结构形式：随机型、同心

性和对半性。图４采用的是同心型结构。采用同心型结构比采

用随机型结构受工作距离变动的影响小，而且这种结构比采用

对半型结构的灵敏度高口Ｊ。

根据反射定律，当光纤探头的末端接触到工件表面时，距图４光纤传摩播的结构

离ｄ为零，光接收器接收到的量为零；当ｄ逐渐增加时，光接收器接收到的能量也逐渐增加；当ｄ增加到一个临界值ｄｏ时，光接收器接收到的能量最大；当ｄ继续增大时，光

接收器接收到的能量会逐渐减小。如图５所示。实际工作时，

把光纤探头固定在ｄｏ附近，可以减小精密加＿ｊ＿＝中因工件尺寸

变化、机床导轨几何误差和主轴部件的震动带来的测量误差，

从而提高测量精度和稳定性ｐＪ。、利用反射型的光纤传感器测量表面粗糙度的光路和电路

比较简单，但光接收器接收到的光强Ｉ不仅与被测件的表面

粗糙度胄ｖ有关，而且与光源的输出功率和被测件的反射系数０有关，因此要求光源的功率稳定性好，而且必须通过对不同

材料的被测件进行大量的测量，得出接收器接收到的光强ＩＪ

？弋一图５卜ｄ曲线

与粗糙度Ｒｑ之间的经验公式或校准曲线，才能由光接收器接收到的光强Ｉ确定被测件的表面粗糙度只ｑ。

电子测量与仪器学报２００２年增刊ｈｔｔｐ：／／ｗｗ．ｅｍｃａｇｅ．ＣＯｍ

３．漫射反射比法

这种方法是采用光强对比的方法来测量表面粗糙度的。假定工件表面的微观不平度的高度分布为高斯型，入射光垂直照射时，反射和漫反射的光强分别为川５１小，ｅｘ一［－（竿卧岫…小孕¨㈤

小Ｈ，斗唧［一㈣卜Ｈ一㈩１㈤

式中：＾一入射光波的波长，Ｒ－一表面的轮廓均方偏差。

出表构如

光纤射光的环的光漫射射系无关数的

√，一ｈｘ“剐

哮删［４ｘＲｅｘｐＪ，ｌ、２ｌ｜＿Ｉ—■ＩＪ（４）

当光源的光波长一定时，漫射反射比Ｇ仅与表面粗糙度的评定参数Ｒｑ有关，若测

面的漫射反射比Ｇ，就可以定出待测表面的粗糙度。

根据上述原理设计的漫射反射比光纤传感器的探头结

图７所示

．目镜歹ｆ反射镜

基于这种测量原理的光纤传感器的结构如图７所示。一０＼ｋ

是一根同轴光纤，其内圈半径为ｎ的圆面积内为传输入，——朱弋———嵴的光纤束，接收反射光的光纤束分布在半径ｒｌ和１＂２之间．１：。、光镜Ｒ

形面积内，其外围ｒ２和ｆ３之间环形区域为接收漫反射光∥７７扔７广、平漭情

纤。采用漫射反射比光纤传感器测量粗糙度，由于取了珥ｌＤ

反射比光强，消去了两入射光的光强Ｉｏ和表面材料的反

一

数，。因此测量结果与入射光的功率及表面的反射系数图６测量原理

’故对光源功率的稳定性要求不高，而且各种不同反射系

材料均可通用。但其光路和电路比利用反射型的光纤传感器测量表面租糙度复杂。

闰７光纤传感器结构图

－１４１０一

图８传感头示意图