專利名稱：表面粗糙度檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量領(lǐng)域，尤其涉及基于光學(xué)散射的表面粗糙度檢測裝置。
背景技術(shù)：
表面粗糙度是用于描述表面微觀形貌最常用的參數(shù)，它反映了工件表面 的微觀幾何形狀誤差。在精密加工和制造行業(yè)，隨著對(duì)加工零件表面質(zhì)量的 要求越來越高，零件表面粗糙度的精確測量顯得尤其重要。
機(jī)械觸針式的測量方法是將一幾微米寬的金剛石觸針垂直放置在被測表 面并作橫向的移動(dòng)。觸針隨著表面的輪廓形狀作垂直起伏運(yùn)動(dòng)，將這微小位 移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并加以處理，由此得到表面粗糙度值。這種方法的測量準(zhǔn)確 度較差，且對(duì)振動(dòng)非常敏感，測量過程中也不可避免地會(huì)劃傷表面，另外， 測量速度也較慢，無法實(shí)現(xiàn)在線、全場測量。
干涉法采用的是雙光束邁克耳遜干涉測量原理，大致可以分為亮度干涉 和光譜干涉兩種。亮度干涉要求光源是準(zhǔn)單色光，而且干涉儀兩臂的光程差 必須小于相干長度。若表面粗糙度變化不是很明顯，則千涉條紋可見度也不 會(huì)有很大的變化。光譜干涉是在頻域內(nèi)通過觀察疊置光譜區(qū)光譜調(diào)制的變化 來實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的測量。要求的光源無需是準(zhǔn)單色光，而且光程差可以遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于相干長度，但當(dāng)表面粗糙度值與光波長在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，測量效果會(huì) 較差。干涉法只能對(duì)平面進(jìn)行測量，而且測量速度較慢，對(duì)振動(dòng)也較敏感， 儀器的成本較高，且只在對(duì)溫度、潔凈度要求較高的實(shí)驗(yàn)條件下才可使用， 不利于產(chǎn)品化。
原子力顯微技術(shù)(AFM)和掃描隧道顯微技術(shù)(STM)是表面粗糙度測量的高 端技術(shù)。它將一微小探針(約10nm)接近被測表面至納米級(jí)距離范圍時(shí)，根據(jù)
量子力學(xué)理論，在這微小間隙內(nèi)由于針尖尖端原子與表面原子間產(chǎn)生原子力。 通過在掃描時(shí)控制該原子力的恒定，針尖在原子力的作用下在垂直于表面的 方向起伏運(yùn)動(dòng)。對(duì)這種起伏運(yùn)動(dòng)進(jìn)行一定的處理，便可獲得表面粗糙度信息。
AFM要求測量工件無需導(dǎo)電，而STM要求工件導(dǎo)電，而且其垂直和水平方向的 測量范圍小。雖AFM和STM高度方向和水平方向的分辨力可以達(dá)到納米級(jí)， 但它們對(duì)振動(dòng)和環(huán)境比較敏感，只能應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室中，而且儀器成本也比較
曰蟲 卬貝o
角分辨散射法和全積分散射法是將一束相干或非相干激光入射到被測表 面，根據(jù)散射光強(qiáng)的角分布或全部散射光強(qiáng)的積分來對(duì)表面粗糙度進(jìn)行評(píng)定。 通常它們是在不同散射角位置放置一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的探測器來對(duì)散射光場進(jìn) 行取樣，并以此對(duì)整個(gè)散射模式進(jìn)行假設(shè)，而這些假設(shè)通常是不充分、不準(zhǔn) 確的，這將直接影響到粗糙度的測量準(zhǔn)確度。另外，中國專利92216674中公 開了一種激光表面粗糙度檢查儀，如圖l所示。它以半導(dǎo)體激光作為光源，由 光電二極管陣列接收激光入射到被測表面后的反射及散射光能，由于光電二 極管陣列是放置在與反射光相垂直的位置，未被光電二極管吸收的反射光將 會(huì)重新入射到被測表面而發(fā)生多次反射，這無疑會(huì)對(duì)測量帶來誤差。為了避 免發(fā)生多次反射，通常需要在探測裝置中加入黑色、精密而昂貴的光疊合和 吸收裝置，這無疑又增加了儀器的制作成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種表面粗糙度檢測裝置，該裝置測量準(zhǔn)確度高、 速度快、重復(fù)性高，可對(duì)不同加工方法、不同材料的平面、柱面、內(nèi)孔面粗 糙度進(jìn)行在線、非接觸測量。
本發(fā)明提供一種表面粗糙度的檢測裝置，包括光源單元和光電探測器， 光源單元發(fā)出光照射被測表面，光電探測器探測由被測表面反射的光得到檢 測信號(hào)，被測表面與檢測裝置的光軸和光電探測器位于同一平面內(nèi)，被測表
面以與所述光軸成第一角度放置，光電探測器以與所述光軸成第二角度放置， 以防光從光電探測器反射回被測表面。
所述第一角度為10°-20°。
所述第二角度為5°-10°。
所述光源單元包括激光器、孔徑光闌、準(zhǔn)直透鏡和會(huì)聚透鏡，激光器發(fā) 出的光經(jīng)過孔徑光闌，準(zhǔn)直透鏡，會(huì)聚透鏡后入射到被測表面。 所述激光器采用低功率脈沖調(diào)制式可見光激光二極管。
所述表面粗糙度的檢測裝置還包括DSP，對(duì)激光器進(jìn)行控制從測量信號(hào)中 減去背景噪聲。
所述光電探測器是由多個(gè)探測單元組成的光電探測單元陣列。 所述會(huì)聚透鏡的焦點(diǎn)位于所述光電探測器的第i個(gè)探測單元上， i二((f聚-00聚)Xsin2a —TPXsinP )/(dXsinP )
其中f 為會(huì)聚透鏡的焦距，OOs為會(huì)聚透鏡的中心到光軸與被測表面的 交點(diǎn)的距離，d為探測單元的寬度，a為被測表面以與所述光軸間的第一角 度，P為光電探測器以與所述光軸之間的第二角度，P點(diǎn)是探測器延長線與 表面延長線的交點(diǎn)，T點(diǎn)是探測器前端端點(diǎn)，TP是探測器的T點(diǎn)到P點(diǎn)的距離。
所述光電探測器包括35個(gè)探測單元。
所述會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)落在所述探測器的第1-第9個(gè)探測單元之間。 由此本發(fā)明的有益效果是既避免了反射光對(duì)測量結(jié)果的影響，又減少
了吸收裝置而降低成本。此外，本發(fā)明的表面粗糙度檢測裝置還具有以下優(yōu)
點(diǎn)和特點(diǎn)
1、 通過移動(dòng)被測表面，可實(shí)現(xiàn)多區(qū)域測量，以覆蓋更大的測量區(qū)域；
2、 裝置結(jié)構(gòu)簡單，儀器體積小、重量輕、便于攜帶，且制作成本低；
3、 一旦建立了某種加工方法的校正模型，就無需再作校正，便可對(duì)采用 該加工方法加工而成的各種材料的表面進(jìn)行粗糙度的測量；
4、 測量速度快，只需0.5秒便可完成測量，非常適用于加工現(xiàn)場的在線
5、 屬于非接觸測量，不會(huì)損傷測量表面；
6、 對(duì)被測表面的形狀沒有特別要求，可對(duì)平面、柱面、內(nèi)孔面等進(jìn)行測
7、 對(duì)振動(dòng)、環(huán)境溫度變化不敏感，具有較高的重復(fù)性。


此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部
分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。在附圖中
圖l是現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的表面粗糙度檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖3是顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的平移被測表面前后鏡面反射點(diǎn)位置變化 的示意圖4是顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的表面粗糙度檢測裝置正確校準(zhǔn)位置的示 意圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的Ra特征值的計(jì)算流程圖； 圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的建立校正方程的示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí) 施例和附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí) 施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
參照圖2到圖4，描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于光學(xué)散射的表面粗糙度檢 測裝置。該表面粗糙度檢測裝置包括光源單元和光電探測器6。被測表面5以 與檢測裝置的光軸8成a角放置，光電探測器6以與所述光軸成P角放置。 被測表面5、探測器6和光軸8處于同一水平平面內(nèi)。探測器6為由35個(gè)探測單元組成的光電探測單元陣列。光源單元包括激光器1，激光器1發(fā)出的光
經(jīng)過孔徑光闌2，準(zhǔn)直透鏡3，會(huì)聚透鏡4后入射到被測表面5上，經(jīng)被測表 面5反射，最后聚焦到探測器6的A點(diǎn)上，A點(diǎn)即是會(huì)聚透鏡4的焦點(diǎn)。因表 面粗糙度的存在，在發(fā)生鏡面反射的同時(shí)，還在各個(gè)方向發(fā)生散射，探測器6 記錄鏡面反射光強(qiáng)信號(hào)及各個(gè)角度的散射光強(qiáng)信號(hào)。通過電流/電壓轉(zhuǎn)換將電 流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)、經(jīng)過信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP Digital signal processor)的數(shù)據(jù)處理，最終獲得入射光在所述表面形成 的光斑區(qū)域的平均粗糙度Ra值并加以顯示。Ra是評(píng)定表面質(zhì)量的粗糙度參數(shù) 之一。
Ra為取樣長度內(nèi)輪廓偏距絕對(duì)值的算術(shù)平均值，可近似用公式表示為 WJ11]1^,1，其中n是取樣長度內(nèi)用于計(jì)算的離散點(diǎn)數(shù)，yi是各離散點(diǎn)基于中
線的表面輪廓偏距。相關(guān)理論表明表面輪廓偏距越大，散射光強(qiáng)也就越強(qiáng)， 散射光強(qiáng)與輪廓偏距的平方呈正比，因而該裝置以所述探測器記錄的散射光 強(qiáng)的平方根的算術(shù)平均值來計(jì)算用于表述表面粗糙度的參數(shù)Ra特征值。對(duì)
于同一加工方法、粗糙度值已知的不同樣塊，通過對(duì)它們的真實(shí)Ra值與分別 按照上述方法計(jì)算出來的Ra特征值之間的回歸分析，建立能很好表述兩者關(guān) 系的校正方程，通常采用二次多項(xiàng)式校正方程。在進(jìn)行Ra測量過程中，對(duì)于 粗糙度值未知的樣塊，根據(jù)其測量得到的Ra特征值及校正曲線，確定其Ra 值。
增大入射角有助于提高裝置的測量范圍，檢測裝置中a值取10°-20°。 另外，為了避免未能被探測器6吸收的反射光再次入射到所述表面而發(fā)生多 次反射，檢測裝置中P值取5°-10°。如圖1中所示，探測器6未能吸收的反 射光再次發(fā)生反射時(shí)，反射光束7并不能在所述表面發(fā)生多次反射，這樣就 無需在檢測裝置中加入光疊合和吸收裝置。
為了從測量信號(hào)中減去背景信號(hào)和噪聲，激光器采用低功率脈沖調(diào)制式
可見光激光二極管，并由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP Digital signal processor) 來實(shí)現(xiàn)光源的控制。
在鏡面反射方向0. 5°-5°的立體角范圍內(nèi)的散射光強(qiáng)及其分布，為粗糙度 測量提供了非常重要的信息，因此，將探測器6在會(huì)聚透鏡4的焦點(diǎn)位置+2 到會(huì)聚透鏡4的焦點(diǎn)位置+26范圍記錄的散射光強(qiáng)信號(hào)用于Ra值的計(jì)算。同 時(shí)為了減少光源波動(dòng)、表面材料反射率不同對(duì)測量結(jié)果的影響，以探測器6 在會(huì)聚透鏡4的焦點(diǎn)位置記錄的鏡面反射光強(qiáng)信號(hào)對(duì)所有參與計(jì)算的散射光 強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行歸一化。
因探測器6是具有35個(gè)探測單元的探測單元陣列。假定會(huì)聚透鏡4的焦 點(diǎn)位于第9個(gè)探測單元處，根據(jù)前面所述，11-35探測單元所記錄的散射光強(qiáng) 信號(hào)用于Ra值的計(jì)算?？梢坏?huì)聚透鏡4的焦點(diǎn)位置大于9，要求參與計(jì)算 的探測單元將超出所述探測器的極限，為此必須通過移動(dòng)微調(diào)被測表面5所 在的平移臺(tái)，使得所述會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)落在所述探測器的第1-第9個(gè)探測單元 之間，只有這樣才能保證測量有效。如圖3所示，當(dāng)被測表面5處于01點(diǎn)時(shí)， 會(huì)聚透鏡4的焦點(diǎn)位于探測器6的A'點(diǎn)，而當(dāng)將被測表面5平移到02點(diǎn)時(shí)， 會(huì)聚透鏡4的c焦點(diǎn)將會(huì)平移至A"點(diǎn)。
參見圖2，雖然本實(shí)施例中，探測器設(shè)定為具有35個(gè)探測單元。但可以 根據(jù)實(shí)際需要改變探測單元的數(shù)量，而會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)的位置可以根據(jù)以下內(nèi) 容確定。
假設(shè)會(huì)聚透鏡的中心為0s，焦距為fs，探測單元的寬度為d。光軸8與 被測表面5的交點(diǎn)為0，與探測器6的延長線的交點(diǎn)為P，探測器6的一端為 T。會(huì)聚焦點(diǎn)A到光軸8的高為H點(diǎn)。
因?yàn)锳點(diǎn)是會(huì)聚透鏡4的焦點(diǎn)，則0A=f聚-OO聚，在AA0H中， AH二0AXsin2a 二(f聚-00聚)Xsin2a 。
設(shè)A點(diǎn)位于第i個(gè)探測單元上。在AAHP中，AP=AT+TP=iXd+TP， AH二AP X sin P = (i X d+TP) X sinp 。
因此，(f聚-00聚)Xsin2a =(iXd+TP) XsinP ，貝U i= ((f聚-OO聚)X sin2 a -TPX sin P ) / (dX sin P )
其中P點(diǎn)是探測器延長線與表面延長線的交點(diǎn)，T點(diǎn)是探測器前端端點(diǎn)， TP是探測器的T點(diǎn)到P點(diǎn)的距離，為已知值。OOs是隨著不斷微調(diào)被測表面5 所在平移臺(tái)而不斷變化的，但一旦A點(diǎn)位置確定后，則OOg即為一已知值。
為了能測得散射模式主導(dǎo)方向上的散射光強(qiáng)，測量前需進(jìn)行校準(zhǔn)，正確 校準(zhǔn)位置如圖4所示。光軸8和探測器6在被測表面5的投影都應(yīng)與被測表 面的粗糙度(或紋理)方向9或主要分布方向垂直。
參照圖5，描述Ra特征值的計(jì)算方法。開始測量前，首先將被測表面5 放置在正確校準(zhǔn)的位置。首先DSP發(fā)送"1"到光源控制電路，打開激光器， 所述探測單元陣列記錄各個(gè)角度散射光強(qiáng)及鏡面反射光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、 放大等處理，獲取測量信號(hào)M。然后DSP發(fā)送"0"到光源控制電路，關(guān)閉激 光器，檢測裝置測量背景信號(hào)B，最終獲取所需的真實(shí)信號(hào)T(T=M-B)。掃描 所述探測器各單元的真實(shí)信號(hào)，確定所述會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)在所述探測單元陣列 中的位置k。判斷k是否大于9，若是，則平移被測表面，改變所述會(huì)聚透鏡 焦點(diǎn)在所述探測器中的位置，直至l<k^9。計(jì)算所有探測單元相對(duì)于所述表 面法線的散射角(ei)及其散射寬度(wi)，并以cos(ei)， wi對(duì)相應(yīng)探測單
元的真實(shí)信號(hào)Ti進(jìn)行修正，進(jìn)而獲得修正信號(hào)Ci。以相鄰于所述會(huì)聚透鏡焦 點(diǎn)位置的修正信號(hào)來計(jì)算歸一化因子f=Ck+l+Ck+Ck-l，對(duì)Ci進(jìn)行歸一化， 獲得的歸一化信號(hào)Ni。將k+2-k+26共計(jì)25個(gè)探測單元的歸一化信號(hào)用于Ra
特征值的計(jì)算
<formula>formula see original document page 11</formula>
下面參照圖6，描述建立校正方程的過程。左側(cè)的列表列出了不同標(biāo)準(zhǔn)樣 塊的真實(shí)Ra值與分別測量得到的Ra特征值，右側(cè)繪出的是校正曲線，圖的 底部是校正方程的參數(shù)。如果校正過程中所囊括的真實(shí)粗糙度值范圍較寬， 可以考慮分段進(jìn)行校正。假定校正方程為Ra二aX(Ra特征值)2+bX(Ra特征 值)+c，其中a為校正方程二次項(xiàng)的校正系數(shù)，b為校正方程一次項(xiàng)的校正 系數(shù)，c為校正方程的常數(shù)項(xiàng)。a、 b、 c的值可由圖6的建立校正方程程序界 面，根據(jù)輸入的標(biāo)準(zhǔn)樣塊的真實(shí)Ra值和Ra特征值，通過曲線擬合得到，分 別填在程序界面底部的編輯框內(nèi)。對(duì)于粗糙度值未知的樣塊，若測得其Ra特 征值為R,則該樣塊的Ra值二 aXR2+bXR+c。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了 進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已， 并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任 何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種表面粗糙度的檢測裝置，包括光源單元和光電探測器，光源單元發(fā)出光照射被測表面，光電探測器探測由被測表面反射的光得到檢測信號(hào)，其特征在于被測表面與檢測檢測裝置的光軸和光電探測器位于同一平面內(nèi)，被測表面以與所述光軸成第一角度放置，光電探測器以與所述光軸成第二角度放置，以防光從光電探測器反射回被測表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述第一角度為10°-20°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述第二角度為5°-10°。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述光源單元包括激光器、 孔徑光闌、準(zhǔn)直透鏡和會(huì)聚透鏡，激光器發(fā)出的光經(jīng)過孔徑光闌，準(zhǔn)直透鏡， 會(huì)聚透鏡后入射到被測表面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述激光器采用低功率脈 沖調(diào)制式可見光激光二極管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，還包括數(shù)字信號(hào)處理器，對(duì)激光器進(jìn)行控制從測量信號(hào)中減去背景噪聲。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于所述光電探測器是由多個(gè) 探測單元組成的光電探測單元陣列。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述會(huì)聚透鏡的焦點(diǎn)位于所述光電探測器的第i個(gè)探測單元上，i= ((f聚—00聚)X sin2 a —TPX sin 6 ) / (dX sin 3 )其中f s為會(huì)聚透鏡的焦距，00《為會(huì)聚透鏡的中心到光軸與被測表面的 交點(diǎn)的距離，d為探測單元的寬度，a為被測表面以與所述光軸間的第一角 度，3為光電探測器以與所述光軸之間的第二角度，P點(diǎn)是探測器延長線與 表面延長線的交點(diǎn)，T點(diǎn)是探測器前端端點(diǎn)，TP是探測器的T點(diǎn)到P點(diǎn)的距 離。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述光電探測器包括35個(gè)探測單元。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)落在所述光探測單元的第1-第9個(gè)探測單元之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種表面粗糙度的檢測裝置，包括光源單元和光電探測器，光源單元發(fā)出光照射被測表面，光電探測器探測由被測表面反射的光得到檢測信號(hào)，被測表面與檢測裝置的光軸和光電探測器位于同一平面內(nèi)，被測表面以與所述光軸成第一角度放置，光電探測器以與所述光軸成第二角度放置，以防光從光電探測器反射回被測表面。本發(fā)明的表面粗糙度檢測裝置，既避免了反射光對(duì)測量結(jié)果的影響，又減少了吸收裝置而降低成本。
文檔編號(hào)G01B11/30GK101363725SQ20081022365
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者李俊國, 李粉蘭, 段海峰, 許祖茂, 郝建國 申請人:北京時(shí)代之峰科技有限公司