粗糙度轮廓仪知识讲解（ZT）
时间：2023-10-09 阅读：1530
表面粗糙度轮廓仪是采用一条轮廓中线作为评定基准，借助评定参数：轮廓算术平均偏差Ra、微光不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Ry、轮廓微观不平度的平均间距Sm、轮廓的单峰平均间距S、轮廓支承长度率tp等六个参数对表面质量进行评定，最终得到所需表面粗糙度的测试检测仪器。
表面粗糙度轮廓仪可分为接触式和非接触式。
表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌常用的参数，它反映的是机械零件表面的微观几何形状误差，随着机械加工行业的发展表面粗糙度测量技术也得到长足进步，特别是70年代中后期，随着微电子计算机应用的逐步普及和现代光学技术、激光应用技术的发展，使粗糙度测量技术在机械加工、光学加工、电子加工等精密加工行业中的地位显得愈发重要。
表面粗糙度的测量方法基本上可分为接触式测量和非接触式测量两类：在接触式测量中主要有比较法、印模法、触针法等;非接触测量方式中常用的有光切法、散斑法、像散测定法、光外差法、AFM 、飞光学传感器法等。
接触式测量就是测量装置的探测部分直接接触被测表面，能够直观地反映被测表面的信息，但是这类方法不适于那些易磨损刚性强度高的表面。
传统的接触式
1、比较法： 比较法是车间常用的方法将被测表面对照粗糙度样板，用手摸靠感觉来判断被加工表面的粗糙度;也可用肉眼或借助于放大镜比较显微镜比较比较法一般只用于粗糙度评定参数值较大的情况下，而且容易产生较大的误差。
2、印模法：利用某些塑性材料作块状印模，贴合在被测表面上，取下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精糙度对于某些大型零件的内表面不便使用仪器测量，可用印模法来间接测量，但这种方法的测量精度不高且过程繁琐。
接触式轮廓仪
表面粗糙度轮廓仪的接触式，即采用触针法。触针法又称针描法，它是将一个很尖的触针(半径可以做到微米量级的金刚石针尖)垂直安置在被测表面上作横向移矶触针将随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运魂将这种微小位移通过电路转换成电信号并加以放大和运算处理，即可得到工作表面粗糙度参数值，主要分为电感式压电式感应式等几种。这种仪器稳定性好，示数客观可靠，使用方便等优点，其垂直分辨力可达到几纳米。
其优点：测量范围大、分辨率高、测量结果稳定可靠、重复性好。但是也存在很多的缺点：(1)金刚石测量头的硬度一般很高，易划伤工件，不适宜测量高质量和软质材料表面。(2)为满足测量头头部的耐磨性和刚度要求，测量头不能做的过于细小和尖锐，易影响测量精度。(3)测量微观表面轮廓时，为了保证扫描路径方向上的精度和横向分辨率，进给步距很小，所以测量速度不高。
接触式表面粗糙度轮廓仪的工作原理
触针式表面粗糙度轮廓仪由传感器、 驱动箱、指示表、 记录器和工作台等主要部件组成。电感传感器是轮廓仪的主要部件之一，传感器测杆一端装有触针 （由于金刚石耐磨、 硬度高的特点， 触针多选用金刚石材质）， 触针的尖要求曲率半径很小，以便于全面的反映表面情况。 测量时将触针尖搭在加工件的被测表面上， 并使针尖与被测面保持垂直接触， 利用驱动装置以缓慢、 均匀的速度拖动传感器。 由于被测表面是一个有峰谷起伏的轮廓， 所以当触针在被测表面拖动滑行时， 将随着被测面的峰谷起伏而产生上下移动。 此运动过程又运用杠杆原理经过支点传递给磁芯， 使它同步地在电感线圈中作反向上下运动， 并将运动幅度放大， 从而使包围在磁芯外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化， 并将触针微小的垂直位移转换为同步成比例的电信号。
传感器的线圈与测量线路直接接入由后续装备成的平衡电桥， 线圈电感量的变化使电桥失去了平衡， 于是就激发输出一个和触针上下位移量大小比的电量， 此时的这一电量比较微弱， 不易被察觉， 需要用电子装置将这一微弱电量的变化放大， 再经相敏检波后， 获得能表示触针位移量大小和方向的信号。 信号又可分为三路： 一路加载在指示表上， 以表示触针的位置； 一路输送至直流功率放大器， 放大后推动记录器进行记录； 一路经滤波和平均表放大器放大之后， 进入积分计算器， 进行积分计算， 由指示表直接读出表面粗糙度参数值。
这种仪器的测量范围通常为Ra0.02~10μm，其中有少数型号的仪器还可以测定更小的参数值。仪器配有各种附件，以适应平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、曲面、小孔、沟槽等形状的工件表面测量， 测量迅速方便， 且精度较高 [1] 。
非接触式表面粗糙度轮廓仪对表面粗糙度的测量，就是利用对被测表面形貌没有影响的手段间接反映被测表面的信息来进行测量的方法，这类方法最大的优点就是测量装置探测部分不与被测表面的直接接触，保护了测量装置，同时避免了与测量装置直接接触引入的测量误差 [2-3] 。
光切法
光切法是利用光切原理来测量表面粗糙度的方法，它将一束平行光带以一定角度投射与被测表面上，光带与表面轮廓相交的曲线影像即反映了被测表面的微观几何形状，解决了工件表面微小峰谷深度的测量问题，避免了与被测表面的接触。由于它采用了光切原理，所以可测表面的轮廓峰谷的最大和最小高度，要受物镜的景深和鉴别率的限制。峰谷高度超出一定的范围，就不能在目镜视场中成清晰的真实图像而导致无法测量或者测量误差很大但由于该方法成本低、易于操作，所以还在被广泛应用，如上海光学仪器厂生产的9J(BQ)光切法显微镜。
散斑法
如图2，有单模半导体激光器La发出的光束经透镜发散，由分光镜S分成两路，一路照射被测表面O,另一路通过S射到平面反射镜M返回，作为参考光与被测表面返回的散射光重新在S汇合发生干涉，采用CCD摄像机记录干涉图样，并存储到计算机中。参考镜M与一个压电陶瓷(PZT)相连，PZT由计算机控制，能使参考镜M产生一个微小位移W（x，y）将发生变化。由于相位差是与轮廓深度(即光程差)对应的，因此可根据W（x，y）确定各点的粗糙度。
激光散班图一般反映了被激光照射表面的微观结构情况，但要从中直接得出表面参数的信息是非常困难的，特别在用单色光照明粗糙表面时，由于非常粗糙表面所形成的散斑并由粗糙度决定，因此用散斑测量表面粗糙度时，只在一定的范围内合适在某些情况下，由于表面过于光滑而无法用电子散斑干涉仪进行测量，而有时也有可能由于表面过于粗糙而无法测量，故此时可用银灰色的喷漆作为辅助手段，其形状差条纹的灵敏度可高达10μm。
像散测定法
图3为其测量原理物体表面上被照射着的光B通过物镜成像于位置Qx当光点与物镜距离(光轴方向)变到A或者C时，则成像位置也会分别移至Px或Sx若从处于中间并垂直于光轴的面上来观察其光束，就可发现光束的直径也随之变化也就是可以检测光束直径的变化量来判断成像的位置在物镜后面插入一块只能在Y轴方向聚束的柱面透镜Y轴方面的成像将往前移至Py，Qy，Sy以后光束便发散由于X轴，Y轴方向上成像位置的不同，光束成椭圆状，如图4所示，故光点远离物镜时，则为长轴在Y轴上的椭圆;相反，靠近物镜时，则为长轴在X轴上的椭圆，用象限光电探测器(四等分光电二极管)作传感器，光束经光电转换后再放大和计算，可获得与被测表面微小变位量相对应的输出信号，这种方法分辨力可达到纳米级别，但测量范围较小。
光外差干涉法
常见的干涉显微镜分两种形式，我国这两种形式的产品型号分别为6J和6JA型(如上海光学仪器厂生产的6JA(JBS))，光外差干涉法就是在此基础上提出的一种新方法。
图5是光外差法的原理图。由He-Ne激光器1发出的激光被分光镜2分成两路:一路透射经声光调制器凡一级衍射光频率增加f 2= 40MHZ、经反射镜4扩束系统8由透镜会聚到物镜14的后焦点上，经14后成为平行光照射到被测面15上，作为参考光束;另一路由分光镜2反射经声光调制器5一级衍射光频增加f 1= 41MHZ、经反射镜6扩束系统7分光镜12，由物镜14会聚在样品表面，作为测量光束，测量光斑的大小由物镜14的参数决定。
透过分光镜12的测量光束与被分光镜12反射的参考光束产生拍波;由探测器13接收，产生参考信号，而从被测面返回的两束光由分光镜10反射进入探测器12产生测量信号将探测器11、13接收到的测量与参考信号送入相位计进行比相，于是可测得表面轮廓高度值从理论推导中可以看到，干涉仪二臂不共路部分的相位差通过比相，其影响被消除，这对提高仪器的抗干扰能力，提高信噪比十分有私该测量装置的缺点是用了两个价格昂贵的声光调制器，不利于产品化。
AFM法
AFM的工作原理如图6所示当将一个对微弱力极其敏感的微悬臂一端固定，另一端带有一微小探针(约10nm)接近被测试样至纳米级距离范围时，根据量子力学理论，在这个微小间隙内由于针尖原子与样品表面原子间产生极微弱的原子排斥力。由驱动控制系统控制X, Y,Z三维压电陶瓷微位移工作台带动其上的被测样品逼近探针并使探针相对扫描被测样品。通过在扫描时控制该原子力的恒定，带有针尖的微悬臂在扫描被测样品时由于受针尖与样品表面原子间的作用力的作用而在垂直于样品表面的方向起伏运魂利用微悬臂弯曲检测系统可测得微悬臂对应于各扫描点位置的弯曲变化，从而可以获得样品表面形貌的三维信息，其高度方向和水平方向的分辨力可分别达到0.1nm和1nm。
光学传感器法
光学传感器法是在光学三角测距法的原理上提出来的，其工作原理如图7所示装置主要有两部分构成，有两个位置敏感探测器(PSD)和激光器组成的对称三角测距器及两个光电二极管组成的光传感器由PSD探测到携带被测物体表面信息的光信号，输出两路信号(Td和Tcl );光电二极管探测到的光信号后输出一路模拟电压信号(Sc2 )，然后利用PSD和光电二极管探测到的信号与被测物表面粗糙度的关系就可以确定被测物体表面的粗糙度该方法采用技术较成熟的光学三角法，比较容易实现，但是测量精度不高。
