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、
6 页
第
表面微观形貌的评价参数： 表面微观形貌的评价参数：表面粗糙度
评定表面粗糙度时， 评定表面粗糙度时，通常从高度方向和水平方向来规定 适当的参数: 适当的参数 轮廓算术平均偏差Ra ： 轮廓算术平均偏差 微观不平度10点高度 ： 微观不平度 点高度Rz： 点高度 1．与高度特征有关的参数 ． 轮廓最大高度Ry： 轮廓最大高度 ： 轮廓均方根偏差Rq： 轮廓均方根偏差 ：…. 轮廓微观不平度平均间距Sm： 轮廓微观不平度平均间距 ： 2．与间距特征有关的参数 ． 评定方法 轮廓的单峰平均间距S： 轮廓的单峰平均间距 ：…..
β
第
光切法测量原理
22 页
分划板 狭逢
h'
图4—3 双管显微镜光学系统图
第
2、双管显微镜
23 页
第
三、干涉法及干涉显微镜
8补偿镜 光阑 反射镜
24 页
目镜 滤色片
b λ H= × (4 − 4) a 2
第
四、触针法（针描法） 触针法（针描法）
25 页
1．测量原理：它是一种接触式测量方法，是利用仪器的测针与 ．测量原理：它是一种接触式测量方法， 被测表面相接触并使测针沿其表面轻轻划过以测量表面粗糙度的 一种测量法。 一种测量法。
第 41 页
参考信号与测量信号进行比相， 参考信号与测量信号进行比相， 相位差： 得相位差：
∆φ =
4π
λ
∆h
测量光斑直径可达1um 测量光斑直径可达 参考光斑直径0.05-3mm 参考光斑直径 垂直方向分辨率1nm 垂直方向分辨率
取样长度
第
三、激光数字散斑轮廓测量
可测表面形貌 位移、应变、 位移、应变、振动
4 页
通常，波距小于 通常，波距小于1mm的属于表面 的属于表面 粗糙度，波距在1—10mm的属于 粗糙度，波距在 的属于 表面波度，波距大于10mm的属 表面波度，波距大于 的属 于形状误差。 于形状误差。
第
表面几何形状误差
5 页
波距小于1mm 波距小于 波距在1—10mm 波距在 波距大于10mm 波距大于
1 n Sm = ∑Smi n i=1
第
轮廓的单峰平均间距 S
新标准： 新标准： RS
13 页
在取样长度l内 轮廓的单峰间距 的平均值 的平均值。 在取样长度 内，轮廓的单峰间距Si的平均值。 Si是指两个相邻单峰的最高点之间沿中线方向上的距离。 是指两个相邻单峰的最高点之间沿中线方向上的距离。 是指两个相邻单峰的最高点之间沿中线方向上的距离
新标准： 新标准： RC
9 页
在取样长度l内 五个最大的轮廓峰高 在取样长度 内，五个最大的轮廓峰高ypi的平均值与五个最大的 轮廓谷深y 的平均值之和。 轮廓谷深 vi的平均值之和。
Rc
用公式表示为
1 Rz = ∑ypi + ∑yvi 5 i=1 i=1
5 5
第 10 页
新标准： 新标准：轮廓单元的平均高度
第四章 表面粗糙度及 表面微观形貌测量
华侨大学机电学院 2006.秋季 2006.秋季
第
主 要 内 容
• • • • • §0 表面粗糙度概述 §1 表面粗糙度的常规测量方法 §2 表面轮廓的非接触测量方法 §3 纳米表面形貌分析 §4 膜层厚度的测量
2 页
第
引例
3 页
第
表面粗糙度的定义
被加工零件表面产生的微小峰谷的高低程度 被加工零件表面产生的微小峰谷的高低程度 和间距状况称为表面粗程度 称为表面粗程度， 和间距状况称为表面粗程度，它是一种微观几何 形状误差，也称为微观不平度。 形状误差，也称为微观不平度。
影响准确 度的因素 主要是触 主要是触 针形状和 针形状和 测量力。 测量力。
第 26 页
表面粗糙度的测量基准线原则上要求与被测表面的理想形状 一致，但在实际测量中难以实现。 一致，但在实际测量中难以实现。比较常见的是利用与传感 器壳体安装成一体的导头建立相对测量基准。 器壳体安装成一体的导头建立相对测量基准。
检测精度:1微米 测量范围： 微米， 传感器 检测精度 微米，测量范围：毫米级
第
2、临界角法探针 、
理论基础：当入射角大于临界角时为全反射， 理论基础：当入射角大于临界角时为全反射，反射光强等于入 射光强；当入射角小于临界角时就会有一部分光透过表面，反 射光强；当入射角小于临界角时就会有一部分光透过表面， 射光强下降。 射光强下降。
用公式表示为：
Ry = ypmax + yvmax
第
轮廓微观不平度平均间距 Sm
新标准： 新标准：RS m
12 页
为在取样长度l内 轮廓微观不平度的间距 的平均值。 为在取样长度 内，轮廓微观不平度的间距Smi的平均值。 的平均值 Smi是指含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷在中线上的一段长度。 是指含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷在中线上的一段长度。 是指含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷在中线上的一段长度
物面
第
＊二、外差（双频激光）干涉式轮廓测量 外差（双频激光）
光源 分光镜
频 f0 率
40 页
声光调制器
增 f 2 = 40MHz 频 参 光 考 束
声光调制器
增 f1 = 41M 频 Hz 测 光 量 束
扩束系统
测量 信号 扩束系统 反射镜 参考信号： 参考信号：两束光线都没有到达物面 测量信号： 测量信号：两束光线都经物面反射 被测面 分光镜 参考 信号
第
三角法粗糙度探头光学原理
36 页
两个半导体激光器，采用分时工作 两个半导体激光器，采用分时工作 分时
工件
位置敏感探测器
Z
I
第
一维位置探测器原理示意图 一维位置探测器原理示意图 位置探测器
光电流
37 页
I1 = I0 I2 = I0
L− Xa 2L L+ Xa 2L
I1 L − X a = I2 L + X a
7 页
第
轮廓算术平均偏差 Ra
在取样长度内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值 取样长度内 被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值 轮廓中线 的平均值. 的平均值 评定长度＝ 取样长度 评定长度＝5取样长度
8 页
用公式表示为：
1 l Ra = ∫ y dx l 0
第
微观不平度10点高度 微观不平度 点高度 Rz
M的 移, 位 使 涉 各 产 的 移 δ(x, y) 干 场 点 生 相 ： 与 廓 度 相 应 轮 深 H 对
记录干涉条纹 分光镜 反射镜 压电陶瓷 透镜（发散） 透镜（发散）
42 页
激光器
被测表面
第
表面粗糙度测量方法
一、比 较 法 二、光 切 法
43 页
常规测量方法
三、干涉法 四、触 针 法 五、印 模 法
、 一、光学探针 1、激光三角法探针 2、临界角法探针 、
非接触测量方法
二、外差干涉式轮廓测量 三、激光数字散斑轮廓测量
第
§1 表面粗糙度的常规测量方法 一、比 较 法
对表面粗糙度的评价，主要分为定性和定量两种评定方法， 对表面粗糙度的评价，主要分为定性和定量两种评定方法， 定性 两种评定方法 定性评定是将待测表面和已知表面光洁度级别的 是将待测表面和已知表面光洁度级别的标准样板 定性评定是将待测表面和已知表面光洁度级别的标准样板 相比较，通过目估或借助于显微镜以判别其级别。 相比较，通过目估或借助于显微镜以判别其级别。 标准件
32 页
第
1、激光三角法探针 、
s
散射面
33 页
Z与I(输出电压 成比例 与 输出电压 输出电压)成比例
s'
Is sin φ Z= ' s sin θ − I sin (φ +θ )
分辨率表达式： 分辨率表达式：
(4 −5)
探测器 CCD, 位置探测器 PSD
dZ s's sin φ sin θ = 2 ' dI s sin θ − I sin (φ +θ )
[
]
(4 − 6)
第 34 页
第 35 页
PSD( Position Sensitive Device)：（半导体光电）位置传感器 ：（半导体光电 ：（半导体光电） PSD是一种光电测距器件。PSD基于非均匀半导体 半导体“横 半导体 向光电效应”，器件对入射光或粒子达到位置敏感。PSD由 四部分组成：PSD传感器、电子 电子处理元件、半导体激光 激光源、 电子 激光 支架（固定PSD光传感器与激光光源 光源相对位置）。 光源 PSD的主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱响 应范围宽、可靠性高， 处理电路简单、光敏面内无盲区，可 同时检测位置的光强,测量结果与光斑尺寸和 形状无关 。由 于其具有特有的性能，因而能获得目标位置连续变化的信号， 在位置 、位移、距离、角度及其相关量的检测中获得越来越 广泛的应用。
第
§2 表面轮廓的非接触测量方法
一、光学探针
31 页
光学探针是采用透镜聚焦的微小光点取代金钢石针 光学探针是采用透镜聚焦的微小光点取代金钢石针 表面轮廓高度的变化通过检测焦点误差来实现。 尖，表面轮廓高度的变化通过检测焦点误差来实现。 1、激光三角法探针 、 2、临界角法探针 、
第
*非接触式轮廓仪
、 一、光学探针 1、激光三角法探针 2、临界角法探针 、
非接触测量方法
二、外差干涉式轮廓测量 三、激光数字散斑轮廓测量
第 44 页
第四章 表面粗糙度及 表面微观形貌测量
• §1 表面粗糙度的常规测量方法 • §2 表面轮廓的非接触测量方法 • §3 纳米表面形貌分析 • §4 膜层厚度的测量
20 页
样板材料、 样板材料、形成及制造工艺 尽可能与工件相同， 尽可能与工件相同，这样才 便于比较， 便于比较，否则会产生较大 的误差。 的误差。
第
二、光 切 法
1．光切法测量原理 ．
显微镜视场
21 页
45。 h′ h 像
h" S' h" 同理：S = h' = = β 放大倍数 β β h' h" ' h = h cos 45° = cos 45° (4 − 2)
i =1
m
i
ln
=
Ml(c ) ln
第 15 页
在取样长度内：RSm、Rmr(c)与C值按GB/T1031规定选取。
第
表面粗糙度的选用
16 页
第
表面粗糙度的标注
17 页
第
表面粗糙度图样上的标注方法
18 页第Fra bibliotek表面粗糙度测量方法
一、比 较 法 二、光 切 法
19 页
常规测量方法
三、干涉法 四、触 针 法 五、印 模 法
临界角棱镜
38 页
f
A: B: C:
P =P a b P <P a b P >P a b
光敏元件
位移 方向
第
临界角法探针实际系统
39 页
临界角 棱镜
公式4-7 Ｐ102 公式 由Ｅ值反映物面微小高度的变化
半透半反 棱镜
偏振棱镜 光隔离器
λ
4
光源
波片
光斑直径1.6um 光斑直径 垂直方向动态范围3um 垂直方向动态范围 垂直方向分辨率1nm 垂直方向分辨率
1 n S = ∑Si n i=1
第
轮廓支承长度率 Rmr(c)
形状参数(用于控制耐磨性的参数) 轮廓支承长度率： Rmr(c) t p 在水平位置C上(与顶峰相距C且平行于峰顶线),轮廓 的实体材料长度(各段截线长度之和)Ml(c ) 与评定长度 ln 之比。
14 页
Rmr ( c ) =
∑ Ml