表面粗糙度輪廓儀是采用一條輪廓中線作為評(píng)定基準(zhǔn)，借助評(píng)定參數(shù)：輪廓算術(shù)平均偏差Ra、微光不平度十點(diǎn)高度Rz、輪廓最大高度Ry、輪廓微觀不平度的平均間距Sm、輪廓的單峰平均間距S、輪廓支承長(zhǎng)度率tp等六個(gè)參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，最終得到所需表面粗糙度的測(cè)試檢測(cè)儀器。
表面粗糙度輪廓儀可分為接觸式和非接觸式。
表面粗糙度是機(jī)械加工中描述表面微觀形貌常用的參數(shù)，它反映的是機(jī)械零件表面的微觀幾何形狀誤差，隨著機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展表面粗糙度測(cè)量技術(shù)也得到長(zhǎng)足進(jìn)步，特別是70年代中后期，隨著微電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的逐步普及和現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)、激光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，使粗糙度測(cè)量技術(shù)在機(jī)械加工、光學(xué)加工、電子加工等精密加工行業(yè)中的地位顯得愈發(fā)重要。
表面粗糙度的測(cè)量方法基本上可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)深悾涸诮佑|式測(cè)量中主要有比較法、印模法、觸針?lè)ǖ?非接觸測(cè)量方式中常用的有光切法、散斑法、像散測(cè)定法、光外差法、AFM 、飛光學(xué)傳感器法等。
接觸式測(cè)量就是測(cè)量裝置的探測(cè)部分直接接觸被測(cè)表面，能夠直觀地反映被測(cè)表面的信息，但是這類方法不適于那些易磨損剛性強(qiáng)度高的表面。
傳統(tǒng)的接觸式
1、比較法： 比較法是車間常用的方法將被測(cè)表面對(duì)照粗糙度樣板，用手摸靠感覺(jué)來(lái)判斷被加工表面的粗糙度;也可用肉眼或借助于放大鏡比較顯微鏡比較比較法一般只用于粗糙度評(píng)定參數(shù)值較大的情況下，而且容易產(chǎn)生較大的誤差。
2、印模法：利用某些塑性材料作塊狀印模，貼合在被測(cè)表面上，取下后在印模上存有被測(cè)表面的輪廓形狀，然后對(duì)印模的表面進(jìn)行測(cè)量，得出原來(lái)零件的表面精糙度對(duì)于某些大型零件的內(nèi)表面不便使用儀器測(cè)量，可用印模法來(lái)間接測(cè)量，但這種方法的測(cè)量精度不高且過(guò)程繁瑣。
接觸式輪廓儀
表面粗糙度輪廓儀的接觸式，即采用觸針?lè)?/span>。觸針?lè)ㄓ址Q針描法，它是將一個(gè)很尖的觸針(半徑可以做到微米量級(jí)的金剛石針尖)垂直安置在被測(cè)表面上作橫向移磯觸針將隨著被測(cè)表面輪廓形狀作垂直起伏運(yùn)魂將這種微小位移通過(guò)電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并加以放大和運(yùn)算處理，即可得到工作表面粗糙度參數(shù)值，主要分為電感式壓電式感應(yīng)式等幾種。這種儀器穩(wěn)定性好，示數(shù)客觀可靠，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，其垂直分辨力可達(dá)到幾納米。
其優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、分辨率高、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好。但是也存在很多的缺點(diǎn)：(1)金剛石測(cè)量頭的硬度一般很高，易劃傷工件，不適宜測(cè)量高質(zhì)量和軟質(zhì)材料表面。(2)為滿足測(cè)量頭頭部的耐磨性和剛度要求，測(cè)量頭不能做的過(guò)于細(xì)小和尖銳，易影響測(cè)量精度。(3)測(cè)量微觀表面輪廓時(shí)，為了保證掃描路徑方向上的精度和橫向分辨率，進(jìn)給步距很小，所以測(cè)量速度不高。
接觸式表面粗糙度輪廓儀的工作原理
觸針式表面粗糙度輪廓儀由傳感器、 驅(qū)動(dòng)箱、指示表、 記錄器和工作臺(tái)等主要部件組成。電感傳感器是輪廓儀的主要部件之一，傳感器測(cè)桿一端裝有觸針 （由于金剛石耐磨、 硬度高的特點(diǎn)， 觸針多選用金剛石材質(zhì)）， 觸針的尖要求曲率半徑很小，以便于全面的反映表面情況。 測(cè)量時(shí)將觸針尖搭在加工件的被測(cè)表面上， 并使針尖與被測(cè)面保持垂直接觸， 利用驅(qū)動(dòng)裝置以緩慢、 均勻的速度拖動(dòng)傳感器。 由于被測(cè)表面是一個(gè)有峰谷起伏的輪廓， 所以當(dāng)觸針在被測(cè)表面拖動(dòng)滑行時(shí)， 將隨著被測(cè)面的峰谷起伏而產(chǎn)生上下移動(dòng)。 此運(yùn)動(dòng)過(guò)程又運(yùn)用杠桿原理經(jīng)過(guò)支點(diǎn)傳遞給磁芯， 使它同步地在電感線圈中作反向上下運(yùn)動(dòng)， 并將運(yùn)動(dòng)幅度放大， 從而使包圍在磁芯外面的兩個(gè)差動(dòng)電感線圈的電感量發(fā)生變化， 并將觸針微小的垂直位移轉(zhuǎn)換為同步成比例的電信號(hào)。
傳感器的線圈與測(cè)量線路直接接入由后續(xù)裝備成的平衡電橋， 線圈電感量的變化使電橋失去了平衡， 于是就激發(fā)輸出一個(gè)和觸針上下位移量大小比的電量， 此時(shí)的這一電量比較微弱， 不易被察覺(jué)， 需要用電子裝置將這一微弱電量的變化放大， 再經(jīng)相敏檢波后， 獲得能表示觸針位移量大小和方向的信號(hào)。 信號(hào)又可分為三路： 一路加載在指示表上， 以表示觸針的位置； 一路輸送至直流功率放大器， 放大后推動(dòng)記錄器進(jìn)行記錄； 一路經(jīng)濾波和平均表放大器放大之后， 進(jìn)入積分計(jì)算器， 進(jìn)行積分計(jì)算， 由指示表直接讀出表面粗糙度參數(shù)值。
這種儀器的測(cè)量范圍通常為Ra0.02~10μm，其中有少數(shù)型號(hào)的儀器還可以測(cè)定更小的參數(shù)值。儀器配有各種附件，以適應(yīng)平面、內(nèi)外圓柱面、圓錐面、球面、曲面、小孔、溝槽等形狀的工件表面測(cè)量， 測(cè)量迅速方便， 且精度較高 [1] 。 非接觸式表面粗糙度輪廓儀對(duì)表面粗糙度的測(cè)量，就是利用對(duì)被測(cè)表面形貌沒(méi)有影響的手段間接反映被測(cè)表面的信息來(lái)進(jìn)行測(cè)量的方法，這類方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)量裝置探測(cè)部分不與被測(cè)表面的直接接觸，保護(hù)了測(cè)量裝置，同時(shí)避免了與測(cè)量裝置直接接觸引入的測(cè)量誤差 [2-3] 。 光切法
光切法是利用光切原理來(lái)測(cè)量表面粗糙度的方法，它將一束平行光帶以一定角度投射與被測(cè)表面上，光帶與表面輪廓相交的曲線影像即反映了被測(cè)表面的微觀幾何形狀，解決了工件表面微小峰谷深度的測(cè)量問(wèn)題，避免了與被測(cè)表面的接觸。由于它采用了光切原理，所以可測(cè)表面的輪廓峰谷的最大和最小高度，要受物鏡的景深和鑒別率的限制。峰谷高度超出一定的范圍，就不能在目鏡視場(chǎng)中成清晰的真實(shí)圖像而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量或者測(cè)量誤差很大但由于該方法成本低、易于操作，所以還在被廣泛應(yīng)用，如上海光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的9J(BQ)光切法顯微鏡。
散斑法
圖2和圖3 散斑法和像散法激光散班圖一般反映了被激光照射表面的微觀結(jié)構(gòu)情況，但要從中直接得出表面參數(shù)的信息是非常困難的，特別在用單色光照明粗糙表面時(shí)，由于非常粗糙表面所形成的散斑并由粗糙度決定，因此用散斑測(cè)量表面粗糙度時(shí)，只在一定的范圍內(nèi)合適在某些情況下，由于表面過(guò)于光滑而無(wú)法用電子散斑干涉儀進(jìn)行測(cè)量，而有時(shí)也有可能由于表面過(guò)于粗糙而無(wú)法測(cè)量，故此時(shí)可用銀灰色的噴漆作為輔助手段，其形狀差條紋的靈敏度可高達(dá)10μm。
像散測(cè)定法
圖3為其測(cè)量原理物體表面上被照射著的光B通過(guò)物鏡成像于位置Qx當(dāng)光點(diǎn)與物鏡距離(光軸方向)變到A或者C時(shí)，則成像位置也會(huì)分別移至Px或Sx若從處于中間并垂直于光軸的面上來(lái)觀察其光束，就可發(fā)現(xiàn)光束的直徑也隨之變化也就是可以檢測(cè)光束直徑的變化量來(lái)判斷成像的位置在物鏡后面插入一塊只能在Y軸方向聚束的柱面透鏡Y軸方面的成像將往前移至Py，Qy，Sy以后光束便發(fā)散由于X軸，Y軸方向上成像位置的不同，光束成橢圓狀，如圖4所示，故光點(diǎn)遠(yuǎn)離物鏡時(shí)，則為長(zhǎng)軸在Y軸上的橢圓;相反，靠近物鏡時(shí)，則為長(zhǎng)軸在X軸上的橢圓，用象限光電探測(cè)器(四等分光電二極管)作傳感器，光束經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后再放大和計(jì)算，可獲得與被測(cè)表面微小變位量相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，這種方法分辨力可達(dá)到納米級(jí)別，但測(cè)量范圍較小。
光外差干涉法
圖4和圖5圖5是光外差法的原理圖。由He-Ne激光器1發(fā)出的激光被分光鏡2分成兩路:一路透射經(jīng)聲光調(diào)制器凡一級(jí)衍射光頻率增加f 2= 40MHZ、經(jīng)反射鏡4擴(kuò)束系統(tǒng)8由透鏡會(huì)聚到物鏡14的后焦點(diǎn)上，經(jīng)14后成為平行光照射到被測(cè)面15上，作為參考光束;另一路由分光鏡2反射經(jīng)聲光調(diào)制器5一級(jí)衍射光頻增加f 1= 41MHZ、經(jīng)反射鏡6擴(kuò)束系統(tǒng)7分光鏡12，由物鏡14會(huì)聚在樣品表面，作為測(cè)量光束，測(cè)量光斑的大小由物鏡14的參數(shù)決定。
透過(guò)分光鏡12的測(cè)量光束與被分光鏡12反射的參考光束產(chǎn)生拍波;由探測(cè)器13接收，產(chǎn)生參考信號(hào)，而從被測(cè)面返回的兩束光由分光鏡10反射進(jìn)入探測(cè)器12產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)將探測(cè)器11、13接收到的測(cè)量與參考信號(hào)送入相位計(jì)進(jìn)行比相，于是可測(cè)得表面輪廓高度值從理論推導(dǎo)中可以看到，干涉儀二臂不共路部分的相位差通過(guò)比相，其影響被消除，這對(duì)提高儀器的抗干擾能力，提高信噪比十分有私該測(cè)量裝置的缺點(diǎn)是用了兩個(gè)價(jià)格昂貴的聲光調(diào)制器，不利于產(chǎn)品化。
AFM法
圖6光學(xué)傳感器法
圖7
更新時(shí)間：2023-10-09
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