专利名称：表面粗糙度检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量领域，尤其涉及基于光学散射的表面粗糙度检测装置。
背景技术：
表面粗糙度是用于描述表面微观形貌最常用的参数，它反映了工件表面 的微观几何形状误差。在精密加工和制造行业，随着对加工零件表面质量的 要求越来越高，零件表面粗糙度的精确测量显得尤其重要。
机械触针式的测量方法是将一几微米宽的金刚石触针垂直放置在被测表 面并作横向的移动。触针随着表面的轮廓形状作垂直起伏运动，将这微小位 移转换成电信号并加以处理，由此得到表面粗糙度值。这种方法的测量准确 度较差，且对振动非常敏感，测量过程中也不可避免地会划伤表面，另外， 测量速度也较慢，无法实现在线、全场测量。
干涉法采用的是双光束迈克耳逊干涉测量原理，大致可以分为亮度干涉 和光谱干涉两种。亮度干涉要求光源是准单色光，而且干涉仪两臂的光程差 必须小于相干长度。若表面粗糙度变化不是很明显，则千涉条纹可见度也不 会有很大的变化。光谱干涉是在频域内通过观察叠置光谱区光谱调制的变化 来实现表面粗糙度的测量。要求的光源无需是准单色光，而且光程差可以远 远大于相干长度，但当表面粗糙度值与光波长在同一数量级时，测量效果会 较差。干涉法只能对平面进行测量，而且测量速度较慢，对振动也较敏感， 仪器的成本较高，且只在对温度、洁净度要求较高的实验条件下才可使用， 不利于产品化。
原子力显微技术(AFM)和扫描隧道显微技术(STM)是表面粗糙度测量的高 端技术。它将一微小探针(约10nm)接近被测表面至纳米级距离范围时，根据
量子力学理论，在这微小间隙内由于针尖尖端原子与表面原子间产生原子力。 通过在扫描时控制该原子力的恒定，针尖在原子力的作用下在垂直于表面的 方向起伏运动。对这种起伏运动进行一定的处理，便可获得表面粗糙度信息。
AFM要求测量工件无需导电，而STM要求工件导电，而且其垂直和水平方向的 测量范围小。虽AFM和STM高度方向和水平方向的分辨力可以达到纳米级， 但它们对振动和环境比较敏感，只能应用在实验室中，而且仪器成本也比较
曰虫 卬贝o
角分辨散射法和全积分散射法是将一束相干或非相干激光入射到被测表 面，根据散射光强的角分布或全部散射光强的积分来对表面粗糙度进行评定。 通常它们是在不同散射角位置放置一个或多个独立的探测器来对散射光场进 行取样，并以此对整个散射模式进行假设，而这些假设通常是不充分、不准 确的，这将直接影响到粗糙度的测量准确度。另外，中国专利92216674中公 开了一种激光表面粗糙度检查仪，如图l所示。它以半导体激光作为光源，由 光电二极管阵列接收激光入射到被测表面后的反射及散射光能，由于光电二 极管阵列是放置在与反射光相垂直的位置，未被光电二极管吸收的反射光将 会重新入射到被测表面而发生多次反射，这无疑会对测量带来误差。为了避 免发生多次反射，通常需要在探测装置中加入黑色、精密而昂贵的光叠合和 吸收装置，这无疑又增加了仪器的制作成本。

发明内容
本发明的目的在于提供一种表面粗糙度检测装置，该装置测量准确度高、 速度快、重复性高，可对不同加工方法、不同材料的平面、柱面、内孔面粗 糙度进行在线、非接触测量。
本发明提供一种表面粗糙度的检测装置，包括光源单元和光电探测器， 光源单元发出光照射被测表面，光电探测器探测由被测表面反射的光得到检 测信号，被测表面与检测装置的光轴和光电探测器位于同一平面内，被测表
面以与所述光轴成第一角度放置，光电探测器以与所述光轴成第二角度放置， 以防光从光电探测器反射回被测表面。
所述第一角度为10°-20°。
所述第二角度为5°-10°。
所述光源单元包括激光器、孔径光阑、准直透镜和会聚透镜，激光器发 出的光经过孔径光阑，准直透镜，会聚透镜后入射到被测表面。 所述激光器采用低功率脉冲调制式可见光激光二极管。
所述表面粗糙度的检测装置还包括DSP，对激光器进行控制从测量信号中 减去背景噪声。
所述光电探测器是由多个探测单元组成的光电探测单元阵列。 所述会聚透镜的焦点位于所述光电探测器的第i个探测单元上， i二((f聚-00聚)Xsin2a —TPXsinP )/(dXsinP )
其中f 为会聚透镜的焦距，OOs为会聚透镜的中心到光轴与被测表面的 交点的距离，d为探测单元的宽度，a为被测表面以与所述光轴间的第一角 度，P为光电探测器以与所述光轴之间的第二角度，P点是探测器延长线与 表面延长线的交点，T点是探测器前端端点，TP是探测器的T点到P点的距离。
所述光电探测器包括35个探测单元。
所述会聚透镜焦点落在所述探测器的第1-第9个探测单元之间。 由此本发明的有益效果是既避免了反射光对测量结果的影响，又减少
了吸收装置而降低成本。此外，本发明的表面粗糙度检测装置还具有以下优
点和特点
1、 通过移动被测表面，可实现多区域测量，以覆盖更大的测量区域；
2、 装置结构简单，仪器体积小、重量轻、便于携带，且制作成本低；
3、 一旦建立了某种加工方法的校正模型，就无需再作校正，便可对采用 该加工方法加工而成的各种材料的表面进行粗糙度的测量；
4、 测量速度快，只需0.5秒便可完成测量，非常适用于加工现场的在线
5、 属于非接触测量，不会损伤测量表面；
6、 对被测表面的形状没有特别要求，可对平面、柱面、内孔面等进行测
7、 对振动、环境温度变化不敏感，具有较高的重复性。


此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部
分，并不构成对本发明的限定。在附图中
图l是现有技术的结构示意图2是本发明一个实施例的表面粗糙度检测装置的结构示意图3是显示本发明一个实施例的平移被测表面前后镜面反射点位置变化 的示意图4是显示本发明一个实施例的表面粗糙度检测装置正确校准位置的示 意图5是根据本发明一个实施例的Ra特征值的计算流程图； 图6是显示根据本发明一个实施例的建立校正方程的示意图。
具体实施例方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实 施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参照图2到图4，描述根据本发明实施例的基于光学散射的表面粗糙度检 测装置。该表面粗糙度检测装置包括光源单元和光电探测器6。被测表面5以 与检测装置的光轴8成a角放置，光电探测器6以与所述光轴成P角放置。 被测表面5、探测器6和光轴8处于同一水平平面内。探测器6为由35个探测单元组成的光电探测单元阵列。光源单元包括激光器1，激光器1发出的光
经过孔径光阑2，准直透镜3，会聚透镜4后入射到被测表面5上，经被测表 面5反射，最后聚焦到探测器6的A点上，A点即是会聚透镜4的焦点。因表 面粗糙度的存在，在发生镜面反射的同时，还在各个方向发生散射，探测器6 记录镜面反射光强信号及各个角度的散射光强信号。通过电流/电压转换将电 流信号转换成电压信号、经过信号放大、A/D转换及数字信号处理器(DSP Digital signal processor)的数据处理，最终获得入射光在所述表面形成 的光斑区域的平均粗糙度Ra值并加以显示。Ra是评定表面质量的粗糙度参数 之一。
Ra为取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值，可近似用公式表示为 WJ11]1^,1，其中n是取样长度内用于计算的离散点数，yi是各离散点基于中
线的表面轮廓偏距。相关理论表明表面轮廓偏距越大，散射光强也就越强， 散射光强与轮廓偏距的平方呈正比，因而该装置以所述探测器记录的散射光 强的平方根的算术平均值来计算用于表述表面粗糙度的参数Ra特征值。对
于同一加工方法、粗糙度值已知的不同样块，通过对它们的真实Ra值与分别 按照上述方法计算出来的Ra特征值之间的回归分析，建立能很好表述两者关 系的校正方程，通常采用二次多项式校正方程。在进行Ra测量过程中，对于 粗糙度值未知的样块，根据其测量得到的Ra特征值及校正曲线，确定其Ra 值。
增大入射角有助于提高装置的测量范围，检测装置中a值取10°-20°。 另外，为了避免未能被探测器6吸收的反射光再次入射到所述表面而发生多 次反射，检测装置中P值取5°-10°。如图1中所示，探测器6未能吸收的反 射光再次发生反射时，反射光束7并不能在所述表面发生多次反射，这样就 无需在检测装置中加入光叠合和吸收装置。
为了从测量信号中减去背景信号和噪声，激光器采用低功率脉冲调制式
可见光激光二极管，并由数字信号处理器(DSP Digital signal processor) 来实现光源的控制。
在镜面反射方向0. 5°-5°的立体角范围内的散射光强及其分布，为粗糙度 测量提供了非常重要的信息，因此，将探测器6在会聚透镜4的焦点位置+2 到会聚透镜4的焦点位置+26范围记录的散射光强信号用于Ra值的计算。同 时为了减少光源波动、表面材料反射率不同对测量结果的影响，以探测器6 在会聚透镜4的焦点位置记录的镜面反射光强信号对所有参与计算的散射光 强信号进行归一化。
因探测器6是具有35个探测单元的探测单元阵列。假定会聚透镜4的焦 点位于第9个探测单元处，根据前面所述，11-35探测单元所记录的散射光强 信号用于Ra值的计算。可一旦会聚透镜4的焦点位置大于9，要求参与计算 的探测单元将超出所述探测器的极限，为此必须通过移动微调被测表面5所 在的平移台，使得所述会聚透镜焦点落在所述探测器的第1-第9个探测单元 之间，只有这样才能保证测量有效。如图3所示，当被测表面5处于01点时， 会聚透镜4的焦点位于探测器6的A'点，而当将被测表面5平移到02点时， 会聚透镜4的c焦点将会平移至A"点。
参见图2，虽然本实施例中，探测器设定为具有35个探测单元。但可以 根据实际需要改变探测单元的数量，而会聚透镜焦点的位置可以根据以下内 容确定。
假设会聚透镜的中心为0s，焦距为fs，探测单元的宽度为d。光轴8与 被测表面5的交点为0，与探测器6的延长线的交点为P，探测器6的一端为 T。会聚焦点A到光轴8的高为H点。
因为A点是会聚透镜4的焦点，则0A=f聚-OO聚，在AA0H中， AH二0AXsin2a 二(f聚-00聚)Xsin2a 。
设A点位于第i个探测单元上。在AAHP中，AP=AT+TP=iXd+TP， AH二AP X sin P = (i X d+TP) X sinp 。
因此，(f聚-00聚)Xsin2a =(iXd+TP) XsinP ，贝U i= ((f聚-OO聚)X sin2 a -TPX sin P ) / (dX sin P )
其中P点是探测器延长线与表面延长线的交点，T点是探测器前端端点， TP是探测器的T点到P点的距离，为已知值。OOs是随着不断微调被测表面5 所在平移台而不断变化的，但一旦A点位置确定后，则OOg即为一已知值。
为了能测得散射模式主导方向上的散射光强，测量前需进行校准，正确 校准位置如图4所示。光轴8和探测器6在被测表面5的投影都应与被测表 面的粗糙度(或纹理)方向9或主要分布方向垂直。
参照图5，描述Ra特征值的计算方法。开始测量前，首先将被测表面5 放置在正确校准的位置。首先DSP发送"1"到光源控制电路，打开激光器， 所述探测单元阵列记录各个角度散射光强及镜面反射光强信号，经过转换、 放大等处理，获取测量信号M。然后DSP发送"0"到光源控制电路，关闭激 光器，检测装置测量背景信号B，最终获取所需的真实信号T(T=M-B)。扫描 所述探测器各单元的真实信号，确定所述会聚透镜焦点在所述探测单元阵列 中的位置k。判断k是否大于9，若是，则平移被测表面，改变所述会聚透镜 焦点在所述探测器中的位置，直至l<k^9。计算所有探测单元相对于所述表 面法线的散射角(ei)及其散射宽度(wi)，并以cos(ei)， wi对相应探测单
元的真实信号Ti进行修正，进而获得修正信号Ci。以相邻于所述会聚透镜焦 点位置的修正信号来计算归一化因子f=Ck+l+Ck+Ck-l，对Ci进行归一化， 获得的归一化信号Ni。将k+2-k+26共计25个探测单元的归一化信号用于Ra
特征值的计算
<formula>formula see original document page 11</formula>
下面参照图6，描述建立校正方程的过程。左侧的列表列出了不同标准样 块的真实Ra值与分别测量得到的Ra特征值，右侧绘出的是校正曲线，图的 底部是校正方程的参数。如果校正过程中所囊括的真实粗糙度值范围较宽， 可以考虑分段进行校正。假定校正方程为Ra二aX(Ra特征值)2+bX(Ra特征 值)+c，其中a为校正方程二次项的校正系数，b为校正方程一次项的校正 系数，c为校正方程的常数项。a、 b、 c的值可由图6的建立校正方程程序界 面，根据输入的标准样块的真实Ra值和Ra特征值，通过曲线拟合得到，分 别填在程序界面底部的编辑框内。对于粗糙度值未知的样块，若测得其Ra特 征值为R,则该样块的Ra值二 aXR2+bXR+c。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了 进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种表面粗糙度的检测装置，包括光源单元和光电探测器，光源单元发出光照射被测表面，光电探测器探测由被测表面反射的光得到检测信号，其特征在于被测表面与检测检测装置的光轴和光电探测器位于同一平面内，被测表面以与所述光轴成第一角度放置，光电探测器以与所述光轴成第二角度放置，以防光从光电探测器反射回被测表面。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一角度为10°-20°。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述第二角度为5°-10°。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述光源单元包括激光器、 孔径光阑、准直透镜和会聚透镜，激光器发出的光经过孔径光阑，准直透镜， 会聚透镜后入射到被测表面。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述激光器采用低功率脉 冲调制式可见光激光二极管。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括数字信号处理器，对激光器进行控制从测量信号中减去背景噪声。
7. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于所述光电探测器是由多个 探测单元组成的光电探测单元阵列。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述会聚透镜的焦点位于所述光电探测器的第i个探测单元上，i= ((f聚—00聚)X sin2 a —TPX sin 6 ) / (dX sin 3 )其中f s为会聚透镜的焦距，00《为会聚透镜的中心到光轴与被测表面的 交点的距离，d为探测单元的宽度，a为被测表面以与所述光轴间的第一角 度，3为光电探测器以与所述光轴之间的第二角度，P点是探测器延长线与 表面延长线的交点，T点是探测器前端端点，TP是探测器的T点到P点的距 离。
9、 根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述光电探测器包括35个探测单元。
10、 根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述会聚透镜焦点落在所述光探测单元的第1-第9个探测单元之间。
全文摘要
本发明提供一种表面粗糙度的检测装置，包括光源单元和光电探测器，光源单元发出光照射被测表面，光电探测器探测由被测表面反射的光得到检测信号，被测表面与检测装置的光轴和光电探测器位于同一平面内，被测表面以与所述光轴成第一角度放置，光电探测器以与所述光轴成第二角度放置，以防光从光电探测器反射回被测表面。本发明的表面粗糙度检测装置，既避免了反射光对测量结果的影响，又减少了吸收装置而降低成本。
文档编号G01B11/30GK101363725SQ20081022365
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者李俊国, 李粉兰, 段海峰, 许祖茂, 郝建国 申请人:北京时代之峰科技有限公司