表面粗糙度测量

干涉条纹的弯曲。相应部位峰、谷的高度差 h 与干涉条纹弯曲量 a 和干涉条纹间距 b 有关（如图 3-10b
所示），其关系式为：
h= a×λ b2
式中：λ 为测量中的光波波长。本实验就利用测量干涉条纹弯曲量 a 和干涉条纹间距 b 来确定 R z 值
3
和 R y 值。
2. 测量步骤 （1）调整仪器 a 开亮灯泡，转动手柄 10 和 6（见图 3-6），使图 3-6 中的遮光
目镜的固紧螺钉，转动测微目镜，使其中的十字线的水平线与光带轮廓中线（估计方向）平行，锁 紧螺钉，然后转动测微目镜测微器上的刻度套筒，使十字线的水平线在光带最清晰的一边。在取样
长度 l 范围内，，找出 5 个最高峰点和 5 个
最低谷点，并分别用十字线的水平线与之
相切，如图 3-4 所示。读出十个读数 a 1、a 2、 a 3…… a 12,填入表 3-3，并按下式计算出 10
1～0.03 um 表面粗糙度的 R z 值和 R y 值。
a)
b)
图 3-6 6JA 型干涉显微镜的外形图
6JA 型干涉显微镜的外形图如图 3-6 所示。该仪器的
光学系统图如图 3-7 所示，由光源 1 发出的光束，通过聚
光镜 2、4、8（3 是滤色片），经分光镜 9 分成两束。其中
一束经补偿板 10、物镜 11 至被测表面 18 再经 原光路
h 松开图 2-10 中螺母 1b，转动测微目镜 1，使视场中十字线之一与干涉条纹平行，然后拧紧螺
母，此时即可进行具体的测量工作。
（2）测量方法。
在此仪器上，表面粗糙度可以用两种方法测量。
第一种用测微目镜测量：
a 转动测微目镜中与干涉条纹平
行的十字线中的一条线，对准一条干涉
条纹峰顶中心（见图 3-ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0b），这时在测
的粗糙度进行评定。 （二）光切显微镜测表面粗糙度
图 3-1 标准样板
1. 测量仪器及测量原理 光切显微镜的外形如图 3-2 所示，它是采用光切
法原理测量工件表面的微观不平度 Rz 值的。其测量
范围取决于选用的物镜的放大倍数，通常适用于测量
Rz =0.8∼80μm 的表面粗糙度（有时也可用来测量零
件刻线的槽深等）。 光切显微镜的工作原理如图 3-2 所示。
微器上的读数为 N 1。然后再对准相邻
的另一条干涉条纹峰顶中心，读数为
N 2。（ N 1- N 2）即为干涉条纹间距 b 。 b 对准一条干涉条纹峰顶中心读数 N 1 后，
图 3-10 干涉条纹图
移动十字线对准同一条干涉条纹谷底中心，读数为 N3。（ N 1- N 3）即为干涉条纹弯曲量 a 。按微观
二．实验内容介绍
了解光切显微镜和干涉显微镜检测原理，熟悉用该仪器检测表面粗糙度的方法，加深对表面粗
糙度评定参数的理解，熟悉工程常用的评定参数大小。
三．测量仪器及测量方法
表面粗糙度的检测方法主要有比较法、光切法、干涉法等。
（一）用样板比较测量表面粗糙度
比较法是把零件上被检测的表面与标有一定评
定参数值的粗糙度样板（如图 3-1）靠在一起，通 过视觉、触感或其它方式进行比较后，对被检表面
支臂 3 进行对准。
1
（5）松开固紧螺钉 5，转动支臂调节环 4，上下调整，直到在被测面上能看到扁平的绿色光带， 光带方向要与表面的加工痕迹垂直，这时锁紧固紧螺钉 5，转动微调手轮 6，直到视场中出现最清晰 的亮带为止。
（6）按取样长度 l 移动工作台千分尺，从目镜中数出取样长度大约包含的峰谷数目。旋松测微
不平度十点高度的 Rz 定义，在取样长度范围内测量同一条干涉条纹的 5 个最高峰和 5 个最底谷，这
4
个干涉条纹弯曲量的平均值 a 平均为：
5
5
∑ ∑ N1i − N3i
a平均 = i=1
i =1
5
被测表面的微观不平度十点高度 Rz 为：
Rz
=
a平均 b
⋅
λ 2
采用白光时， λ = 0.55um ；采用单色光时，则按仪器所附滤色片检定书载明的波长取值。 按评定长度要求，各取样长度的值 Rz 还需平均后才能作为评定表面粗糙度的可靠数据。
21~80 1.20
6.3~20 0.63
1.6~6.3 0.294
0.8~1.6 0.145
2. 测量步骤
（1）根据图纸的 Rz 值或被测工件粗糙度的估计值查表 3-1，选一合适的物镜组安装在镜管下面。
安装物镜时，应先按下手柄 7，插入所需物镜后，放松手柄即可。
（2）按照 Rz 值查表 3-2 确定取样长度 l 与评定长度 ln 。
返回至分光镜 9，反射至目镜 19。另一光束由分光镜 9
反射（遮光板 20 移出），经物镜 12 射至参考镜 13 上，再
由原光路返回，并透过分光镜 9，也射向目镜 19，两路光
束相遇迭加产生干涉，通过目镜 19 来观察。由于被测 表面有微小的峰、谷存在，峰谷处的光程不一样，造成
图 3-7 6JA 型干涉显微镜的光学原理图
阑中央，如图 3-9 所示，然后装上测微目镜，旋紧螺母 1b。
e 在精密测量中，通常采用光波波长稳定的单色光（本仪器
用的是绿光），此时应将手柄 12 推倒底，使图 3-7 中的滤色片 3 插 入光路。当被测表面粗糙度数值较大而加工痕迹又不很规则时，
图 3-9 弓形直边图
干涉条纹将呈现出急剧的弯曲和断裂现象。这时则不推动手柄 12，而采用白光，因为白光干涉成彩
上述测量中，在各个取样长度范围内的最大峰值和最小谷值读数之差，为各个取样长度的轮廓
最大高度 R' yi 值，选取其中最大的 R' y max 值，按下式计算轮廓最大高度 R y 值。
Ry
=
R' y max b
⋅
λ 2
第二种方法用目视估计判定：
用肉眼观察视场，直接估计出弯曲量 a 为干涉条纹间距 b 的多少倍或几分之一，用目视估读的
式中， N ——物镜的放大倍数；
（1）
H —— 45° 方向上的影象高度。
因为在目镜视场中，影象高度是沿 45° 方向
测量的，即目镜测微器中十字线交点移动的轨迹
与要测的亮带高度成 45° 。若在目镜测微器上的 读数值为 H ′ ，则 H ′ 与 H 之间的关系为：
图 3-3 显微镜工作原理图
H = H ′cos 45°
板 14 从光路中转出。如果视场亮度不均匀，可转动调节螺丝 4 a ，
使视场亮度均匀。
图 3-8 弓形直边图
b 转动手轮 8，使目镜视场中弓形直边清晰，如图 3-8 所示。
c 在工作台上放置好洗净的被测工件。被测表面向下，朝向物镜。转动手轮 6，遮去图 3-7 中的
参考镜 13 的一路光束。转动图 3-6 中滚花轮 2c，使工作台升降直到目镜视场中观察到清晰的工件表
（3）评定长度 ln 的大小应根据不同的加工方法和相应的 l 值来确定，在一般情况下，中等均匀
程度的粗糙度其 l 值可从表 3-2 中选取；对均匀性比较好的表面，可选用小于 5 l 的 ln 值，而均匀性
比较差的表面，则可选用大于 5 l 的 ln 值。
（三）用干涉显微镜测量表面粗糙度 1. 干涉显微镜结构及测量原理 干涉显微镜是干涉仪和显微镜的组合，用光波干涉原理来反映出被测工件的粗糙度。由于表面 粗糙度是微观不平度，所以用显微镜进行高倍放大后以便观察和测量。干涉显微镜一般用于测量
（2）
将式（2）代入式（1）得
h = H′ 2N
令 1 = E ， E 为仪器的分度值，大小与带辅助物镜的物镜放大倍数有关，已由仪器说明书给 2N
出，其值见表 3-1。
表 3-1 仪器的相关参数
物镜放大倍数 N
7×
14×
30×
60×
视场直径（mm）
2.5
1.3
0.6
0.3
测量范围 Rz (μm) 系数 E (μm/格)
a b 值来代替测微目镜的读数。在取样长度范围内，对同一条干涉条纹估读 5 个这样的比值，取其 平均值，然后，再计算 Rz 值。同样，根据求得的各取样长度的 Rz 值再平均后作为最后的评定数据。
目视估读法效率高、方法简单，但不够准确，因此只能作为一种近似的测量方法。 四．思考题
1．什么是 Rz 参数和 Ra 参数，用光切显微镜能否测量 Ra 参数？
实验三 表面粗糙度测量
表面粗糙度是一种微观几何形状误差，其常用的测量方法主要有粗糙度样板比较法、光切法、
干涉法及针描法等。常用来测量表面粗糙度的仪器有光切显微镜、干涉显微镜及电动轮廓仪等。
一．实验目的
1.掌握常用表面粗糙度的检测方法及主要仪器的结构、工作原理和测量方法； 2.加深对表面粗糙度各高度评定参数 Ra、Ry 和 Rz 的理解。
其凹凸不平即反映被测表面的不平度。若 SS ′ 在分划 板上的影象高度为 H ，则：
1.工作台 2.立柱 3.横臂 4.上下调节环 5.固紧 螺钉 6.微调手轮 7.手柄 8.照明灯 9.10.13.摄 影装置 11.测微目镜 12.物镜组
图 3-2 光切显微镜外形图
h = SS ′cos 45° = H ⋅ cos 45° N
2．为什么测量时只测亮带一个边缘（最清晰的）的诸峰高度？ 3．仪器使用说明书上写着：用光波干涉原理测量表面粗糙度，就是以光波为尺子来计量被测面 上微观峰谷的高度差。这把尺子的刻度间距和分度值如何体现？
5
表 3-2 不同粗糙度的取样长度与评定长度
Rz （μm）
取样长度 l (mm)
评定长度 ln (mm)
≥0.025∼0.10
0.08
0.4
≥0.10∼0.5
0.25
1.25
≥0.50∼10.0
0.8
4.0
≥10.0∼50.0
2.5
12.5
（3）通过变压器接通电源。
（4）将被测件放在工作台上,若被测件不在物镜的正下方,可调整工作台或松开固紧螺钉 5,转动
长度 ln 范围内取几个取样长度进行测量并取其平均值。
（8）按表面粗糙度国家标准，确定工件表面粗糙度是否符合标准。 表 3-3 测量记录表
序峰
a1
a3
a5
a7
a9
∑a
号谷
a2
a4
a6
a8
a10
峰 1
谷
实测 Rz 值（μm ）
峰
2 谷
峰
3 谷
2
3. 注意事项 （1）小心调整仪器，防止镜头表面接触工件。 （2）测量圆柱体工件时，应使光带落在最高素线上，才能获得最清晰的条纹。
点平均高度 Rz 值：
Rz
=
1 5
(∑
a峰
− ∑ a谷 )⋅ E
图 3-4 十字线移动的轨迹
式中 a 的单位为套筒格数，目镜视场内刻度每变化一格套筒转过一周（100 格）。
a1
a3
a5
a7
a9
a2
a4
a6 a8
a10
l
图 3-5 测量位置示意图
（7）由于零件加工表面的粗糙度不一定均匀一致，为了充分反映表面粗糙度的特性，需在评定
色条纹，其中零次干涉条纹可清晰的显示出条纹的弯曲情况，便于观察和测量。如在目镜中看不到
干涉条纹，可慢慢转动手轮 14 直到出现清晰的干涉条纹为止（见图 3-6a）。
f 转动手轮 7 和 9 以及手轮 8 和 14，可以得到所需的干涉条纹亮度和宽度。
g 转动图 2-10 中工作台 2b，使加工痕迹的方向与干涉条纹垂直。
面像为止，在转动手轮 6，使图 3-7 中的遮光板从光路中转出。
d 松开图 3-6 中 1b，取下测微目镜 1，直接从目镜管中观察，可以看到两个灯丝象。转动手轮
11，使图 3-7 中的孔径光阑 6 开至最大，转动手轮 7 和 9，使两个
灯丝象完全重合，同时调节图 3-6 中螺母 4a，使灯丝像位于孔径光
测量时，光源发出的光线经聚光镜，穿过狭缝后
形成带状光束，如图 3-3 所示。光束再经物镜以 45° 角照射在被测物体表面上，凹凸不平的被测表面，被
光亮的具有平直边缘的狭缝象的亮带照射后，再以
45°角反射，表面的波峰在 S 点产生反射，波谷在 S’ 产生反射，经物镜分别成象在分划板的 a 和 a，点。 在目镜中观察到的即为与被测表面一样的曲折亮带，