孔內(nèi)表面粗糙度的光學(xué)非接觸式測(cè)量

程玉

【摘 要】 本文針對(duì)內(nèi)表面粗糙度測(cè)量過(guò)程中存在的操作空間受限制、儀器昂貴、破壞性測(cè)量成本高等問(wèn)題，提出了一種基于反射式強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器（Reflective Intensity Modulation Fiber Optical Sensor，RIM-FOS）的測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)較小尺寸的孔內(nèi)表面粗糙度的測(cè)量。文中用該光纖傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)Φ5mm、Φ10mm孔內(nèi)表面粗糙度的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的測(cè)量結(jié)果作了對(duì)比分析，結(jié)果表明本文提出的測(cè)量方法具有測(cè)量精度高和測(cè)量范圍大的特點(diǎn)，在小尺寸零件內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測(cè)量方面具有良好的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 表面粗糙度 測(cè)量 光纖傳感器 非接觸式 內(nèi)表面

引言

零件的表面質(zhì)量直接影響到整個(gè)產(chǎn)品的使用性能和壽命，特別是對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)速度快、裝配精度高、密封性要求嚴(yán)的產(chǎn)品，其影響作用更加巨大。表面粗糙度，作為評(píng)價(jià)表面質(zhì)量的重要特征之一，其測(cè)量具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。表面粗糙度的測(cè)量、評(píng)定技術(shù)的發(fā)展源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，表面粗糙度的測(cè)量原理及方法多種多樣，大致可以分為兩類：接觸式測(cè)量方法和非接觸式測(cè)量方法。接觸式輪廓儀經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，已經(jīng)非常成熟，具有很高的可靠性。因此，其測(cè)量結(jié)果得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)可，往往被作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，用于評(píng)價(jià)各種新測(cè)量方法的有效性。非接觸式測(cè)量則根據(jù)測(cè)量原理的不同大致可分為光學(xué)法、電子顯微鏡法及其他一些測(cè)量方法等。

相對(duì)于外表面的測(cè)量，內(nèi)表面的測(cè)量情況更加復(fù)雜，往往受多種條件限制，更具有挑戰(zhàn)性。例如：溝槽、內(nèi)孔、內(nèi)齒輪等零件具有各種不同形狀的內(nèi)表面，其表面粗糙度測(cè)量很難用接觸式測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)?，接觸式測(cè)量法要求測(cè)量探頭要伸入到零件內(nèi)部，而且要滿足探針掃描過(guò)足夠的評(píng)定距離的條件，這對(duì)于內(nèi)徑小或是徑深比較大的孔以及形狀復(fù)雜的內(nèi)表面而言是很難實(shí)現(xiàn)的。必要時(shí)往往需要對(duì)零件進(jìn)行破壞性剖分以方便測(cè)量，這將帶來(lái)高昂的成本和極大的資源浪費(fèi)。尤其是在被測(cè)零件稀有并不可替代時(shí)，這種破壞性測(cè)量更是不可取。

光學(xué)法作為非接觸式測(cè)量方法中的典型代表，主要依據(jù)的是光的直射、反射、散射等傳播特性，因?yàn)楣鈱W(xué)測(cè)量原理的多樣性和測(cè)量系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)的靈活性，得到了廣泛發(fā)展。主要可分為光學(xué)觸針?lè)?、干涉法、散斑法、散射法和光纖傳感法等幾類。其中光纖傳感法因?yàn)楣饫w傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、操作靈活等特點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)小零件內(nèi)表面粗糙度非破壞性測(cè)量的一條有效途徑。本文提出的基于反射式強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器（RIM-FOS）的表面粗糙度具有原理簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、易于小型化和系統(tǒng)化等特點(diǎn)，在內(nèi)表面測(cè)量方面表現(xiàn)出很好的優(yōu)越性，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 傳感器的設(shè)計(jì)及測(cè)量原理

RIM-FOS是一種非功能型的光纖傳感器，光纖本身只起導(dǎo)光的作用。RIM-FOS測(cè)量表面粗糙度的基本原理是基于光的散射，是對(duì)經(jīng)粗糙表面作用后的散射光場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特性的分析。傳感器中的光纖按功能分為發(fā)送光纖和接收光纖。以單光纖對(duì)為例，RIM-FOS的基本測(cè)量原理是光源S發(fā)出的光經(jīng)發(fā)送光纖射向被測(cè)表面，反射光進(jìn)入到接收光纖中，最終被探測(cè)器D接收，被測(cè)信號(hào)通過(guò)控制反射面與接收光纖之間的相對(duì)距離實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光強(qiáng)的調(diào)制，光纖對(duì)之間的光強(qiáng)耦合情況如圖1所示。

反射面即為被測(cè)表面，假設(shè)該表面為理想鏡面，基于光纖傳輸分析的光線理論，在簡(jiǎn)單的幾何光學(xué)假設(shè)下分析單光纖對(duì)的光強(qiáng)耦合問(wèn)題。相當(dāng)于在距光纖端面距離為的位置放置了一面反射鏡，可以將光纖對(duì)間光功率耦合的問(wèn)題等效為虛發(fā)射光纖與接收光纖之間的耦合。

當(dāng)反射面相對(duì)于光纖端面的距離d發(fā)生變化時(shí)，反射回接收光纖的光強(qiáng)也會(huì)隨之變化。在其它參數(shù)固定不變的情況下，探測(cè)器接收到的光功率主要取決于距離d。RIM-FOS的強(qiáng)度調(diào)制特性曲線如圖2所示，光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)M為接收光纖接收的光功率與發(fā)送光纖發(fā)送的光功率之比，是傳感器測(cè)量表面粗糙度的基礎(chǔ)，如圖2所示。

當(dāng)圖1中反射面為粗糙表面時(shí)，根據(jù)Beckmann散射理論，光入射反射面后的散射光場(chǎng)由鏡反射和漫散射兩部分組成，其中鏡反射項(xiàng)遵守幾何光學(xué)原理；漫散射項(xiàng)較復(fù)雜，除與表面粗糙度有關(guān)外，還與加工方法（表面加工痕跡）、材質(zhì)和表面曲率等許多因素有關(guān)。圖2中的陰影部分I代表漫散射角大于接收光纖的接收角時(shí)不能被接收光纖接收的漫散射損耗部分；陰影部分II代表漫散射角小于接收角能被接收光纖接收的漫散射有效部分。因此在d的變化過(guò)程中，實(shí)際的輸出特性將從理想特性曲線A變到實(shí)際曲線B。

圖2中d0為起始距離，當(dāng)d小于d0時(shí)，由于接收光纖接收不到反射光，所以[0，d0]被稱為死區(qū)。[d0，dp]曲線段為前坡，靈敏度較高，線性較好，可用于位移、振動(dòng)、壓力等物理量的測(cè)量。dp為峰值距離，對(duì)應(yīng)的調(diào)制系數(shù)Mp稱為峰值調(diào)制系數(shù)，因?yàn)閭鞲衅髟诜逯祬^(qū)（如圖2中光強(qiáng)調(diào)制曲線下方陰影區(qū)域III）的輸出對(duì)d不敏感，相對(duì)地對(duì)表面形貌比較敏感，一般用于測(cè)反射面的粗糙度。曲線后坡的斜率為負(fù)，其調(diào)制函數(shù)基本上是光強(qiáng)平方的倒數(shù)，一般適用于低分辨率大量程的位移測(cè)量。

由上述的光強(qiáng)調(diào)制特性曲線可知，要滿足表面粗糙度測(cè)量需要，設(shè)計(jì)的RIM-FOS關(guān)鍵是要具有寬而平坦的峰值區(qū)間。同時(shí)為了適應(yīng)孔內(nèi)較小的測(cè)量空間，在滿足測(cè)量功能要求的情況下，要盡可能減小傳感器的尺寸。基于此，提出了如圖3所示的雙層同軸的傳感器光纖束截面結(jié)構(gòu)。中間為發(fā)送光纖，外面兩層為接收光纖，分別接收從被測(cè)表面返回的鏡反射和漫散射的光。

為保證光纖束的工作性能和增加實(shí)驗(yàn)測(cè)量的可操作性，在光纖束結(jié)構(gòu)成型后加以涂覆層和金屬套管保護(hù)，最終制成外徑僅為Φ3mm的光纖束傳感頭。為了滿足孔內(nèi)側(cè)表面測(cè)量的需要對(duì)傳感頭做了進(jìn)一步改進(jìn)，增加了一個(gè)外觀尺寸為2mm×2mm×2mm微棱鏡作為光路轉(zhuǎn)換元件，制作的RIM-FOS傳感器如圖4所示。

根據(jù)Beckmann散射理論，經(jīng)過(guò)被測(cè)表面反射后的鏡反射和漫散射光強(qiáng)可簡(jiǎn)化為：endprint

（1）

（2）

式中，I是總的散射強(qiáng)度，λ是入射光波長(zhǎng)，Rq是均方根粗糙度，Rq與常用的表面粗糙度評(píng)定參數(shù)——表面粗糙度算術(shù)平均高度Ra之間存在一個(gè)相應(yīng)的關(guān)系，即。

定義一個(gè)測(cè)量參數(shù)Sn，，將式（1）、（2）代入，并簡(jiǎn)化可得

（3）

式中，K為修正系數(shù)，Sn可實(shí)驗(yàn)測(cè)得，Rq即可由式（3）得到，從而確定Ra。

2 實(shí)驗(yàn)

圖5為孔內(nèi)表面粗糙度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，主要由激光光源、光纖傳感器、光電探測(cè)器和計(jì)算機(jī)等幾部分組成。

根據(jù)圖5搭建表面粗糙度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)Φ5mm、Φ10mm孔內(nèi)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

3 結(jié)果分析及討論

RIM-FOS測(cè)量表面粗糙度是一種間接參數(shù)測(cè)量法。對(duì)未知表面測(cè)量前必須先用已知表面粗糙度值的樣本進(jìn)行定標(biāo)測(cè)量，確定測(cè)量參數(shù)與表面粗糙度參數(shù)（優(yōu)先選用Ra）之間的關(guān)系，然后通過(guò)該關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)未知表面的測(cè)量。Φ5mm、Φ10mm孔內(nèi)表面粗糙度的定標(biāo)曲線分別如圖6、圖7所示。

根據(jù)上述的測(cè)量關(guān)系曲線，對(duì)Φ5mm、Φ10mm孔樣本進(jìn)行多次測(cè)量。20次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均以消除偶然誤差，結(jié)果顯示Φ5mm孔的Ra值為0.1939μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.005746，而Φ 1 0mm孔的Ra值為0.1225μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.001693。上述結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的傳感器具有很好的測(cè)量穩(wěn)定性。RIM-FOS測(cè)量結(jié)果還與TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，其相對(duì)誤差分別為2.587%和0.389%，較好地驗(yàn)證了測(cè)量方法的有效性。上述結(jié)果顯示，隨著孔徑的增加，測(cè)量精度也進(jìn)一步增加，說(shuō)明孔的曲率半徑對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于RIM-FOS的內(nèi)表面粗糙度測(cè)量方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種雙層同軸截面結(jié)構(gòu)并帶有微棱鏡的RIM光纖傳感器，具有尺寸小、操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高、成本低等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較小尺寸孔內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測(cè)量。對(duì)Φ5mm、Φ10mm孔樣本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果顯示，本文提出的測(cè)量方法具有很好的穩(wěn)定性和精確度。測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)了TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的驗(yàn)證，證明了測(cè)量方法的有效性。本文的研究結(jié)果表明該測(cè)量方法在較小零件內(nèi)表面的非破壞性測(cè)量方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)和巨大的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1]金杰，李奕，曾祥燁.光纖探針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x實(shí)驗(yàn)研究.南開(kāi)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005.38（1）：49-52.

[2]徐曉梅.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和激光散斑的表面粗糙度測(cè)量技術(shù)研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2005：19-21.

[3]張莉萍，余璆.光纖位移傳感器系統(tǒng)測(cè)量粗糙度的研究.無(wú)損檢測(cè)，2004.26（2）：616-618.

[4]張廣軍，賀俊吉，李秀智.一種新型的微小型構(gòu)件內(nèi)表面三維形貌檢測(cè)系統(tǒng).儀器儀表學(xué)報(bào)，2006.27（3）：302-306.endprint

（1）

（2）

式中，I是總的散射強(qiáng)度，λ是入射光波長(zhǎng)，Rq是均方根粗糙度，Rq與常用的表面粗糙度評(píng)定參數(shù)——表面粗糙度算術(shù)平均高度Ra之間存在一個(gè)相應(yīng)的關(guān)系，即。

定義一個(gè)測(cè)量參數(shù)Sn，，將式（1）、（2）代入，并簡(jiǎn)化可得

（3）

式中，K為修正系數(shù)，Sn可實(shí)驗(yàn)測(cè)得，Rq即可由式（3）得到，從而確定Ra。

2 實(shí)驗(yàn)

圖5為孔內(nèi)表面粗糙度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，主要由激光光源、光纖傳感器、光電探測(cè)器和計(jì)算機(jī)等幾部分組成。

根據(jù)圖5搭建表面粗糙度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)Φ5mm、Φ10mm孔內(nèi)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

3 結(jié)果分析及討論

RIM-FOS測(cè)量表面粗糙度是一種間接參數(shù)測(cè)量法。對(duì)未知表面測(cè)量前必須先用已知表面粗糙度值的樣本進(jìn)行定標(biāo)測(cè)量，確定測(cè)量參數(shù)與表面粗糙度參數(shù)（優(yōu)先選用Ra）之間的關(guān)系，然后通過(guò)該關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)未知表面的測(cè)量。Φ5mm、Φ10mm孔內(nèi)表面粗糙度的定標(biāo)曲線分別如圖6、圖7所示。

根據(jù)上述的測(cè)量關(guān)系曲線，對(duì)Φ5mm、Φ10mm孔樣本進(jìn)行多次測(cè)量。20次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均以消除偶然誤差，結(jié)果顯示Φ5mm孔的Ra值為0.1939μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.005746，而Φ 1 0mm孔的Ra值為0.1225μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.001693。上述結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的傳感器具有很好的測(cè)量穩(wěn)定性。RIM-FOS測(cè)量結(jié)果還與TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，其相對(duì)誤差分別為2.587%和0.389%，較好地驗(yàn)證了測(cè)量方法的有效性。上述結(jié)果顯示，隨著孔徑的增加，測(cè)量精度也進(jìn)一步增加，說(shuō)明孔的曲率半徑對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于RIM-FOS的內(nèi)表面粗糙度測(cè)量方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種雙層同軸截面結(jié)構(gòu)并帶有微棱鏡的RIM光纖傳感器，具有尺寸小、操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高、成本低等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較小尺寸孔內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測(cè)量。對(duì)Φ5mm、Φ10mm孔樣本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果顯示，本文提出的測(cè)量方法具有很好的穩(wěn)定性和精確度。測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)了TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的驗(yàn)證，證明了測(cè)量方法的有效性。本文的研究結(jié)果表明該測(cè)量方法在較小零件內(nèi)表面的非破壞性測(cè)量方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)和巨大的應(yīng)用潛力。

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[2]徐曉梅.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和激光散斑的表面粗糙度測(cè)量技術(shù)研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2005：19-21.

[3]張莉萍，余璆.光纖位移傳感器系統(tǒng)測(cè)量粗糙度的研究.無(wú)損檢測(cè)，2004.26（2）：616-618.

[4]張廣軍，賀俊吉，李秀智.一種新型的微小型構(gòu)件內(nèi)表面三維形貌檢測(cè)系統(tǒng).儀器儀表學(xué)報(bào)，2006.27（3）：302-306.endprint

（1）

（2）

式中，I是總的散射強(qiáng)度，λ是入射光波長(zhǎng)，Rq是均方根粗糙度，Rq與常用的表面粗糙度評(píng)定參數(shù)——表面粗糙度算術(shù)平均高度Ra之間存在一個(gè)相應(yīng)的關(guān)系，即。

定義一個(gè)測(cè)量參數(shù)Sn，，將式（1）、（2）代入，并簡(jiǎn)化可得

（3）

式中，K為修正系數(shù)，Sn可實(shí)驗(yàn)測(cè)得，Rq即可由式（3）得到，從而確定Ra。

2 實(shí)驗(yàn)

圖5為孔內(nèi)表面粗糙度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，主要由激光光源、光纖傳感器、光電探測(cè)器和計(jì)算機(jī)等幾部分組成。

根據(jù)圖5搭建表面粗糙度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)Φ5mm、Φ10mm孔內(nèi)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

3 結(jié)果分析及討論

RIM-FOS測(cè)量表面粗糙度是一種間接參數(shù)測(cè)量法。對(duì)未知表面測(cè)量前必須先用已知表面粗糙度值的樣本進(jìn)行定標(biāo)測(cè)量，確定測(cè)量參數(shù)與表面粗糙度參數(shù)（優(yōu)先選用Ra）之間的關(guān)系，然后通過(guò)該關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)未知表面的測(cè)量。Φ5mm、Φ10mm孔內(nèi)表面粗糙度的定標(biāo)曲線分別如圖6、圖7所示。

根據(jù)上述的測(cè)量關(guān)系曲線，對(duì)Φ5mm、Φ10mm孔樣本進(jìn)行多次測(cè)量。20次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均以消除偶然誤差，結(jié)果顯示Φ5mm孔的Ra值為0.1939μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.005746，而Φ 1 0mm孔的Ra值為0.1225μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.001693。上述結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的傳感器具有很好的測(cè)量穩(wěn)定性。RIM-FOS測(cè)量結(jié)果還與TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，其相對(duì)誤差分別為2.587%和0.389%，較好地驗(yàn)證了測(cè)量方法的有效性。上述結(jié)果顯示，隨著孔徑的增加，測(cè)量精度也進(jìn)一步增加，說(shuō)明孔的曲率半徑對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于RIM-FOS的內(nèi)表面粗糙度測(cè)量方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種雙層同軸截面結(jié)構(gòu)并帶有微棱鏡的RIM光纖傳感器，具有尺寸小、操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高、成本低等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較小尺寸孔內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測(cè)量。對(duì)Φ5mm、Φ10mm孔樣本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果顯示，本文提出的測(cè)量方法具有很好的穩(wěn)定性和精確度。測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)了TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的驗(yàn)證，證明了測(cè)量方法的有效性。本文的研究結(jié)果表明該測(cè)量方法在較小零件內(nèi)表面的非破壞性測(cè)量方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)和巨大的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)：

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[2]徐曉梅.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和激光散斑的表面粗糙度測(cè)量技術(shù)研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2005：19-21.

[3]張莉萍，余璆.光纖位移傳感器系統(tǒng)測(cè)量粗糙度的研究.無(wú)損檢測(cè)，2004.26（2）：616-618.

[4]張廣軍，賀俊吉，李秀智.一種新型的微小型構(gòu)件內(nèi)表面三維形貌檢測(cè)系統(tǒng).儀器儀表學(xué)報(bào)，2006.27（3）：302-306.endprint