非接触测量物体表面粗糙度的研究

6寻峰值点算法流程

3·2实验过程

实验的目的是为了找出V0和Δ之间的函

数关系,验证理论的可行性。实验主要是分为

三组:

1·利用Rz值很小的块规(工作面近似于

镜面)做测距实验,工作台沿光轴的方向移动,

以得到Δ和V0的关系;

2·用样本1做Rz测量的实验,工作台沿

垂直于光轴方向移动,测出此样本的Rz;

3·用样本2做Rz测量的实验,工作台沿

垂直于光轴方向移动,测出此样本的Rz。

3·3数据处理

将测得的每一组数据用前述算法进行处

理,得到数据曲线图,将所有的V0用实线相

连,峰、谷点用虚线连接,如图7(a、b、c)所示。

根据图7b和图7c所示的数据,按图7a所示Δ

和V0的关系曲线,用查询表(Looking Up

Table)法可分别得到样本1的Rz为0·35mm,

样本2的Rz为7μm;由手册查得粗铣样本的

Rz为>80μm,精铣样本的Rz为20~6·3μm。

图7aΔ和V0的关系曲线图7b样本1的测量曲线(虚

线为峰、谷的连线)

图7c样本2的测量曲线(虚

线为峰和谷的连线)

4结论

在实验的过程中,仍有一定的误差,主要有

以下几个方面对实验的结果产生较大的影响:

1·电路中所选取的元件精度都不够高,以致四

路信号在处理中,各路增益有一定的差异;2·

实验的设备精度也不高,在实验时,由此产生的

系统误差较大。在考虑到实验设备和电路的不

完善的情况,可以认为上述的实验结果是可信

的,实验原理是可行的。在实验的过程中还发

现:被测面与光轴的夹角θ和四像限光探测器

的相对两个像限输出之间的差值有一种近似于

线性的关系。(下转第49页)

46《激光杂志》1999年第20卷第1期LASER JOURNAL(Vol·20,No 1·1999)些细小结构无法被检测出,以致

高等级的粗糙度无法测量。为了能合理采样到

峰或谷的值,光斑的直径应小于所能测量的轮

廓单峰平均间距S的1/4,即1·5μm,在实际的

测量中,应取光斑直径1μm。

综合上述两点,可看出测量系统对光路的

要求与CD光学头有所区别:景深应比较大,以

适应较粗糙的测量面;在测量面上光斑直径应

小于1μm,这是CD光学头所能达到的。

为了消除测量面倾斜的影响,应在测量中

所使用的算法做些变化。如上所述,当测量面

倾斜时,会导致两个变化:1·V1和V3不等或

V2和V4不等;2·光斑亮度减小。因此可依据

这两点来判断测量面是否和光轴相垂直。

按上述理论,V1=V3且V2=V4时为峰或

谷的信号,但由于各组数据是由A/D器件离散

采样所得,不能保证刚好在峰、谷处采样,所以

应设定一个合理的阈值ε,只要差值小于ε,就

认为是峰、谷点。另外由于总光强的减小,虽然

V1和V3、V2和V4之间的相对值相差很大,但

绝对值却可能相差很小,因此还要判断总光强,

即V1+V2+V3+V4的值是否足够大。经过上

面所述的两个判断,可以将倾斜角度较大时的

数据去除,但会保留一些倾斜角度较小时的数

据,这也会对测量的精度产生影响,因此在V0

的计算方法也应作如下一些修改,经大量的实

验发现,选用如下的计算方法:V0=ln〔(V1+

V3)/(V2+V4)〕,能很好地提高精度。

3测量实验及数据处理

3·1实验装置

将系统分为下面几个模块:工作台;光学模

块;信号处理模块;数字采集模块;中央处理模

块,如图5所示。

工作台作用是夹持被测工件,并能使之沿

指定方向移动。

光学模块如前所述,与CD光学头的结构

相似,只是在性能参数上有所差别。

信号处理模块包括三个部分:光源调制、信

号解调(包括放大)、低通滤波。光源的调制是

将光源加一个正弦信号:

A(t) = A0+ Amsin(ωt) (4)

图5实验装置框图

其中sin(ωt)是调制信号。在四分割光探测器

中,四路输出信号V1′、V2′、V3′、V4′再用sin (ωt)进行乘法解调〔2,3〕。用这种方法得到的信

号能有效的将各种干扰(外界光干扰、电磁噪音等)去除,得到高信噪比的信号V1、V2、V3、V4。数据采集模块将所得的四路模拟信号转换

为数字信号,由计算机进行处理。

系统的核心是中央处理模块,由它实现寻

出峰、谷点,并计算出Rz的功能。寻峰、谷点

的算法如下:

1·读取一组数据(V1、V2、V3、V4);

2·判断光斑的亮度是否足够大;

V1+V2+V3+V4>Φ?

3·不成立,则不是峰、谷,转向1;

4·判断下面的式子是否成立:

|V1-V3|<ε且|V2-V4|<ε;

5·不成立,则不是峰谷,转向1;

6·成立,则为峰、谷;

7·计算V0=ln〔(V1+V3)/(V2+V4)〕;

8·根据V0算出此点的高度(距离);

9·寻找下一峰、谷,转向1。

在实验中用的各种器件如下:二维工作台,

CD光学头, PC-123N型12位AD/DA板,

PC386计算机(软件自己设计),标准粗糙度量

块(样本1为粗铣样本、样本2为精铣样本)。

45《激光杂志》1999年第20卷第1期LASER JOURNAL(Vol·20,No 1·1999)位置不同,在光敏面上所形成的

光斑形状也不同,如图2b、图2c、图2d所示,将

各路信号作差动放大,得到的信号和盘片介面

与物镜焦面之间的相对位置成某一种特定关

系。将V1、V2、V3、V4作如下的处理。

V0= ( V1+ V3)-( V2+ V4) (2)

则V0同盘片表面和物镜焦面之间的距离Δ成

某一函数关系:

Δ= f( V0) (3)

因此可以根据测得的V0,经适当的处理将之反

馈给驱动机构,以调整盘片和焦面之间的相对

位置。

图2光探测器的工作原理

2·2表面粗糙度测量原理

图3实际测量面和光轴的相互关系

本研究利用CD机激光头上述V0和Δ之

间的对应关系,及照射点直径为微米量级这一

特点进行表面粗糙度测量。在粗糙度的测量

中,工件表面并非象光盘盘片那样是很好的反

射平面,而是成峰谷状,因此光学系统的光轴和

被测面的理想面相垂直时,实际轮廓只有在峰、

谷点处是沿光轴返回光电探测器的,如图3所

示。因此测得的数据受下面两点因素影响:

1被测面与光轴的垂直度;

2焦面上光斑的大小。

其中影响最大的就是垂直度。