工件的表面粗糙度是評(píng)定工件表面質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，它是決定工件性能和質(zhì)量的重要參數(shù)。科學(xué)技術(shù)的日新月異，加工精度的不斷提高，新技術(shù)、 新材料、新工藝的出現(xiàn)對(duì)工件表面粗糙度的檢測(cè)提出了越來越高的要求。同時(shí)摩擦與磨損過程的研究、工藝過程的分析、面接觸狀態(tài)的探討等，都要求對(duì)表面微觀幾何形狀給出定量的描述。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法容易劃傷工件表面，測(cè)量速度低，而且受測(cè)針半徑限制影響其測(cè)量范圍，不適合在線檢測(cè)。

而采用光學(xué)非接觸的測(cè)量方法可以彌補(bǔ)觸針式測(cè)量?jī)x器的不足，常見的光學(xué)測(cè)量方法有光散射法、光學(xué)散斑法、聚焦法、干涉測(cè)量法等。光學(xué)法測(cè)量表面粗糙度以被測(cè)表面的光學(xué)效應(yīng)為基礎(chǔ)，光源發(fā)射的光波通過光學(xué)系統(tǒng)平行或發(fā)散或會(huì)聚入射到被測(cè)件表面，被測(cè)件表面的反射光波反映了被測(cè)件的表面形狀，反射光波的光學(xué)信息由各種類型的光電傳感器和后處理電路予以接收、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、顯示、記錄等。本文采用基于激光散射原理的表面粗糙度測(cè)量方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度零件表面粗糙度的無損檢測(cè)和非接觸在線快速檢測(cè)，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.1光在粗糙表面的散射現(xiàn)象

當(dāng)一束光以一定的角度入射到粗糙物體表面時(shí)，根據(jù)光的幾何原理，光線會(huì)被物體散射和反射， 散射光和反射光的強(qiáng)弱與物體的表面粗糙程度有關(guān)。反射光集中在一個(gè)很小的面積上，形成一個(gè)光斑；散射光分布在反射光斑的周圍，形成由許多光點(diǎn)組成的光帶。若物體表面比較光滑，反射光斑的光能比較強(qiáng)，散射光帶比較窄；反之，若物體表面比較粗糙，反射光斑的光能比較弱，散射光帶則比較寬。這一現(xiàn)象定性地說明了散射光能的強(qiáng)弱和物體表面的粗糙程度有關(guān)。本文通過研究散射光的光能分布定量地得到物體表面粗糙度的信息。

1.2表面粗糙度特征值 Sn

理論和實(shí)踐都證明，散射光分布曲線的形狀與表面粗糙度有關(guān)。以光散射理論為基礎(chǔ)，利用光散射特征值法測(cè)量表面粗糙度。其原理是由于物體表面不是理想的光滑表面，所以當(dāng)一束光照射到物體表面上時(shí)，除一部分光被反射外，另一部分光被散射， 形成一束離散光。研究表明，由被測(cè)物體表面反射、散射的離散光的強(qiáng)度呈高斯分布，其概率分布函數(shù)

式中,φ為散射角，I(φ)為散射角所對(duì)應(yīng)的散射光強(qiáng)度。分布曲線的方差 S 為

式中，φ 為平均值

在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中，是用 PMT接收散射光信號(hào)。由于測(cè)量孔徑的限制，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)不可能也沒必要接收整個(gè)空間（-Π/2，Π/2）的散射光，同時(shí)光電接收器陣列的各光敏單元也是離散的。這時(shí) S 值應(yīng)該用離散的散射光特征值 Sn 來表示

Sn 用于描述被測(cè)表面的散射光分布情況，稱為 “光散射特征值”，可作為光散射法測(cè)量表面粗糙度 Ra 的數(shù)學(xué)模型。用已知表面粗糙度參數(shù)的試件作為 表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊，測(cè)得對(duì)應(yīng)的 Sn 值，即可建立 光散射特征值和表面粗糙度（Sn- Ra）關(guān)系曲線，從 而實(shí)現(xiàn)利用光散射特征值法測(cè)量工件表面粗糙度。

1.3散射測(cè)量系統(tǒng)介紹

德國(guó)IOF散射儀整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)由光源（紫外到紅外可選）、光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)、探測(cè)器系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦后照射到被測(cè)工件表面，光束會(huì)發(fā)生反射和散射，用PMT接收工件表面的散射光，計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)并計(jì)算出光散射特征值 Sn，再換算成所需要的表面粗糙度評(píng)定參數(shù)，通過顯示儀器顯示出表面粗糙度參數(shù) Ra。

該光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易調(diào)整，能輕易地調(diào)整入射光束的入射角度，在光路中加入擴(kuò)束鏡還可以方便地調(diào)整照在工件上的光斑。MLS5可以測(cè)量樣品反射光，透射光，以及散射光分布的測(cè)量系統(tǒng)。其特點(diǎn)是對(duì)角度的靈敏度高，并且該系統(tǒng)可以測(cè)量三維空間中的散射分布。

轉(zhuǎn)自：北京昊然偉業(yè)光電科技有限公司

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