基于激光散射的表面粗糙度測量系統(tǒng)研究

蔡 雯，陳培鋒，王 英，張 恒，王 莫，王釔蘇

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074)

引 言

表面粗糙度值是評價(jià)材料加工質(zhì)量的一個(gè)重要參量，直接影響材料的使用性能和壽命[1]。金屬材料在機(jī)械、電子、光學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，零件的表面微形貌很大程度上影響并決定了零部件的使用性能[2]。非金屬材料在國家電力系統(tǒng)上應(yīng)用廣泛，例如交聯(lián)聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)絕緣材料[3]，其表面粗糙度對電纜的電氣性能有很大的影響，會(huì)影響到電纜的使用壽命[4]。

傳統(tǒng)的接觸式測量[5]容易對非金屬絕緣表面造成劃傷，測量速度低，測量電力系統(tǒng)時(shí)也會(huì)存在隱患，不適合在線測量[6]。采用非接觸的測量[2]方法能夠克服上述接觸式測量的不足之處[7-10]。目前常用的非接觸式粗糙度測量主要包括兩大類：電子顯微鏡法和光學(xué)法。隨著工業(yè)相機(jī)的發(fā)展，基于光散射的粗糙度測量系統(tǒng)得到廣泛研究和應(yīng)用[11-14]。

PATZELT等人利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)相機(jī)拍攝物體表面反射光和散射光光強(qiáng)分布[15]，經(jīng)計(jì)算與分析其散斑光斑，對粗糙度測量的不確定度進(jìn)行了分析估計(jì)，其研究結(jié)果為光散射法的測量精度提供了理論支持[16-17]。CHEN等人采用光散射法，利用電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)相機(jī)拍攝散斑圖像，計(jì)算散斑圖像特征參量，通過特征參量與粗糙度之間的映射關(guān)系測得粗糙度[18-19]。LIU等人利用基于數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)的系統(tǒng)，用CCD相機(jī)拍攝散斑圖，結(jié)合機(jī)器視覺和支持向量機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套粗糙度在線檢測系統(tǒng)[8]。SUN基于光散射法，使用單片機(jī)控制硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)桿內(nèi)表面的粗糙度測量[20]。

本文中設(shè)計(jì)了一種基于激光散射的絕緣表面粗糙度測量系統(tǒng)，以CMOS工業(yè)相機(jī)為散射光斑的接收器，在MATLAB平臺(tái)上調(diào)用相機(jī)獲取散斑圖并進(jìn)行圖像處理與計(jì)算，擬合相關(guān)特征參量與粗糙度值之間的關(guān)系，通過插值計(jì)算得到待測表面的粗糙度值。該測量系統(tǒng)光路簡單,無需嵌入式的硬件控制平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)快速的一鍵式測量，測量誤差小于8%，用戶界面操作簡單，可編輯性強(qiáng)，適用于各種材料及加工表面的粗糙度測量。

1 工作原理

當(dāng)激光入射到金屬表面時(shí)，光會(huì)發(fā)生反射和散射[21]，散射光的空間分布的形狀與表面粗糙度有關(guān)[12]。 如圖1所示,若材料表面比較光滑，則反射光斑較強(qiáng)，散射光帶比較窄；若表面比較粗糙，則反射光斑較弱，散射光帶較寬[8]。因此散射光斑的離散程度也就能反映表面粗糙度值的特性。光斑的離散程度可用散射光特征值Sn表示[22-23]：

(1)

Fig.1 Schematic diagram of scattered light band on roughness surface

用工業(yè)相機(jī)拍攝散射光斑，得到離散化的散射灰度矩陣，通過建立數(shù)字圖像的參量與粗糙度值之間關(guān)系得到擬合曲線，實(shí)現(xiàn)用散射特征值法間接測量物體表面的粗糙度。實(shí)際的圖像處理中，利用灰度矩陣的均值E、標(biāo)準(zhǔn)差Sd、均方根(root mean square,RMS)RRMS和R參量等表征光斑的光強(qiáng)信息和離散程度，定義為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

與測量金屬不同的是，當(dāng)入射的激光照射在待測的塑料絕緣表面時(shí)，除了在表面的反射和散射光外，還會(huì)有另一部分光透射進(jìn)材料里面被吸收和進(jìn)行二次反射。當(dāng)入射角過小，則透射的光能占絕大部分，散射光能過小，難以建立粗糙度值與光散射之間的關(guān)系。在本文中考慮到入射角度的影響，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，選擇入射角度為60°的斜入射測量結(jié)構(gòu)能較好地建立粗糙度值與散射光斑參量之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖2為測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。測量系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：光路部分和用戶界面的數(shù)據(jù)處理及顯示部分。

Fig.2 The frame diagram of test system

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光路設(shè)計(jì)

本文中所采用光路結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用體積較小的半導(dǎo)體激光器作為光源，波長650nm,功率5mW，半導(dǎo)體激光器輸出光束經(jīng)過擴(kuò)束整形，出射的激光照射在被測物體表面，半徑1cm的毛玻璃片作為光斑接收屏接收散射光斑，再利用MATLAB控制CMOS工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝散射光斑。

Fig.3 Measurement structure of oblique incidence

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分完成相機(jī)的調(diào)用及圖形用戶界面(graphical user interface，GUI)的制作和測量功能的實(shí)現(xiàn)，基于上述的光路結(jié)構(gòu)，利用MATLAB調(diào)用相機(jī)并控制相機(jī)拍攝光斑圖，對圖像進(jìn)行前期圖像處理后，計(jì)算相關(guān)的參量擬合,得到粗糙度值。設(shè)計(jì)的MATLAB的GUI界面如圖4所示。包括散斑圖像的獲取、顯示、灰度化、濾波等功能和圖像參量計(jì)算顯示、粗糙度值的計(jì)算顯示等功能。

Fig.4 Functional structure of GUI

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 參量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對金屬樣品做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，找出與粗糙度值Ra之間存在單調(diào)性規(guī)律的散射光斑相關(guān)參量，并驗(yàn)證系統(tǒng)的可重復(fù)性與穩(wěn)定性，為絕緣材料的測量提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，確定系統(tǒng)的可行性。實(shí)驗(yàn)中選擇平磨和圓磨兩種加工方式的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度值的金屬作為研究對象，其粗糙度值Ra分別為0.1μm，0.2μm，0.4μm，0.8μm，采集到的光斑圖像如圖5所示。散射光斑可明顯看出:隨著粗糙度值的增大，散射光斑的整體光強(qiáng)度呈現(xiàn)減弱的規(guī)律。

Fig.5 Scattering pattern of the measured sample

計(jì)算光斑的相關(guān)參量，得到與Ra之間的對應(yīng)關(guān)系，其中Ra為表面粗糙度最常用的一種表示方式，表示在取樣長度內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值，如表1和表2所示。光斑的RRMS,Sd與E都呈現(xiàn)出與Ra的單調(diào)性關(guān)系。

Table 1 Relationship between Ra and characteristic parameters of flat grinding metals samples

Table 2 Relationship between Ra and characteristic parameters of external grinding metals samples

對平磨的金屬樣品測量，改變系統(tǒng)的測量距離、測試點(diǎn)、相機(jī)曝光度，其中P1～P4為所做的4組對照實(shí)驗(yàn)，分析RRMS,Sd及E這3個(gè)參量與Ra的關(guān)系，結(jié)果分別如圖6所示。其中P1和P2沿著豎直方向微量平移金屬塊，改變待測金屬到分光鏡之間的距離的測量結(jié)果,可知在合適范圍內(nèi)微量改變測量的距離不會(huì)影響光斑參量與Ra之間的單調(diào)性關(guān)系；P2和P3沿著水平方向移動(dòng)待測金屬，改變測量點(diǎn)的測量結(jié)果，可知參量曲線幾乎重合，系統(tǒng)測量的可重復(fù)性較好；P3和P4為改變相機(jī)曝光時(shí)間的測量結(jié)果，可知在合適范圍內(nèi)改變系統(tǒng)的曝光時(shí)間，各參量與Ra之間仍然保持單調(diào)性關(guān)系。驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可重復(fù)性。

與上述實(shí)驗(yàn)步驟相同，將待測物換成絕緣塑料，如圖7所示。得到散射光斑的RRMS，Sd與E都呈現(xiàn)出與Ra的單調(diào)性關(guān)系，驗(yàn)證了系統(tǒng)可用于測量絕緣表面。

3.2 粗糙度測量實(shí)驗(yàn)

實(shí)際測量時(shí)，利用標(biāo)準(zhǔn)片定標(biāo)得到參量與粗糙度值的擬合曲線，本文中是通過三次樣條插值的方法得到擬合曲線。在保證實(shí)驗(yàn)條件不變的條件下，金屬選擇了平磨、外磨、刨床和平鉗4種不同加工方式的樣品，絕緣表面通過不同目數(shù)的砂紙機(jī)械化打磨了幾組不同粗糙度值的樣品，對兩種材料的粗糙度值進(jìn)行測量，在GUI界面的功能菜單中選定對應(yīng)的測量目標(biāo)，再點(diǎn)擊 “粗糙度”按鈕，即能實(shí)現(xiàn)快速的測量功能。利用Sd和E兩個(gè)參量分別擬合求得的粗糙度值如表3、表4和表5所示。由測量結(jié)果可知,利用這兩個(gè)參量擬合求得的粗糙度值精度都較高，測量的4種金屬相對誤差在8%以內(nèi)，測量的絕緣表面相對誤差小于5%，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬和絕緣材料的粗糙度測量。

Fig.6 The relationship between the Ra and the parameters of scattering spot of flat grinding metal samples

Fig.7 The relationship between Ra and scattering point parameters of insulating surface

Table 3 Roughness measurement results and errors of flat-grinding metal and external grinding metal samples

Table 4 Roughness measurement results and errors of planer metal and flat pliers metal samples

Table 5 Roughness measurement results and errors of insulating surface

4 結(jié) 論

非接觸式的光學(xué)測量法對表面形貌的測量具有十分重要的研究意義，本文中設(shè)計(jì)出一套結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的非接觸式粗糙度測量系統(tǒng)，通過理論分析，確定了測量系統(tǒng)的可行性以及可重復(fù)性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量金屬和絕緣表面的粗糙度值，驗(yàn)證了測量系統(tǒng)相對誤差小于8%，其中對于粗糙度值較小的平磨和外磨金屬的測量精度絕對誤差小于0.03μm，粗糙度值較大的刨床和平鉗加工金屬測量絕對誤差小于0.1μm，絕緣表面的測量精度絕對誤差小于0.3μm。該系統(tǒng)精度較高、穩(wěn)定性好，可重復(fù)性高，為其它材料的測量提供了思路，在非接觸式在線測量與表面形貌分析等領(lǐng)域有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>