孔內(nèi)表面粗糙度的光學(xué)非接觸式測量

程玉

【摘 要】 本文針對內(nèi)表面粗糙度測量過程中存在的操作空間受限制、儀器昂貴、破壞性測量成本高等問題，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）的測量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)較小尺寸的孔內(nèi)表面粗糙度的測量。文中用該光纖傳感器實現(xiàn)了對Φ5mm、Φ10mm孔內(nèi)表面粗糙度的測量，測量結(jié)果與TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的測量結(jié)果作了對比分析，結(jié)果表明本文提出的測量方法具有測量精度高和測量范圍大的特點，在小尺寸零件內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測量方面具有良好的應(yīng)用前景。

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

引言

零件的表面質(zhì)量直接影響到整個產(chǎn)品的使用性能和壽命，特別是對于運轉(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，作為評價表面質(zhì)量的重要特征之一，其測量具有非常重要的現(xiàn)實意義。表面粗糙度的測量、評定技術(shù)的發(fā)展源遠(yuǎn)流長，表面粗糙度的測量原理及方法多種多樣，大致可以分為兩類：接觸式測量方法和非接觸式測量方法。接觸式輪廓儀經(jīng)過近百年的發(fā)展，已經(jīng)非常成熟，具有很高的可靠性。因此，其測量結(jié)果得到國內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)可，往往被作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，用于評價各種新測量方法的有效性。非接觸式測量則根據(jù)測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量方法等。

相對于外表面的測量，內(nèi)表面的測量情況更加復(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，其表面粗糙度測量很難用接觸式測量方法實現(xiàn)。因為，接觸式測量法要求測量探頭要伸入到零件內(nèi)部，而且要滿足探針掃描過足夠的評定距離的條件，這對于內(nèi)徑小或是徑深比較大的孔以及形狀復(fù)雜的內(nèi)表面而言是很難實現(xiàn)的。必要時往往需要對零件進(jìn)行破壞性剖分以方便測量，這將帶來高昂的成本和極大的資源浪費。尤其是在被測零件稀有并不可替代時，這種破壞性測量更是不可取。

光學(xué)法作為非接觸式測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，因為光學(xué)測量原理的多樣性和測量系統(tǒng)光路設(shè)計的靈活性，得到了廣泛發(fā)展。主要可分為光學(xué)觸針法、干涉法、散斑法、散射法和光纖傳感法等幾類。其中光纖傳感法因為光纖傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、操作靈活等特點，成為實現(xiàn)小零件內(nèi)表面粗糙度非破壞性測量的一條有效途徑。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單、設(shè)計靈活、易于小型化和系統(tǒng)化等特點，在內(nèi)表面測量方面表現(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)計及測量原理

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測量表面粗糙度的基本原理是基于光的散射，是對經(jīng)粗糙表面作用后的散射光場統(tǒng)計特性的分析。傳感器中的光纖按功能分為發(fā)送光纖和接收光纖。以單光纖對為例，RIM-FOS的基本測量原理是光源S發(fā)出的光經(jīng)發(fā)送光纖射向被測表面，反射光進(jìn)入到接收光纖中，最終被探測器D接收，被測信號通過控制反射面與接收光纖之間的相對距離實現(xiàn)對反射光強(qiáng)的調(diào)制，光纖對之間的光強(qiáng)耦合情況如圖1所示。

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

當(dāng)反射面相對于光纖端面的距離d發(fā)生變化時，反射回接收光纖的光強(qiáng)也會隨之變化。在其它參數(shù)固定不變的情況下，探測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，根據(jù)Beckmann散射理論，光入射反射面后的散射光場由鏡反射和漫散射兩部分組成，其中鏡反射項遵守幾何光學(xué)原理；漫散射項較復(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的變化過程中，實際的輸出特性將從理想特性曲線A變到實際曲線B。

圖2中d0為起始距離，當(dāng)d小于d0時，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、壓力等物理量的測量。dp為峰值距離，對應(yīng)的調(diào)制系數(shù)Mp稱為峰值調(diào)制系數(shù)，因為傳感器在峰值區(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d不敏感，相對地對表面形貌比較敏感，一般用于測反射面的粗糙度。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量需要，設(shè)計的RIM-FOS關(guān)鍵是要具有寬而平坦的峰值區(qū)間。同時為了適應(yīng)孔內(nèi)較小的測量空間，在滿足測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驗測量的可操作性，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)表面測量的需要對傳感頭做了進(jìn)一步改進(jìn)，增加了一個外觀尺寸為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)過被測表面反射后的鏡反射和漫散射光強(qiáng)可簡化為：endprint

（1）

（2）

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

定義一個測量參數(shù)Sn，，將式（1）、（2）代入，并簡化可得

（3）

式中，K為修正系數(shù)，Sn可實驗測得，Rq即可由式（3）得到，從而確定Ra。

2 實驗

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

根據(jù)圖5搭建表面粗糙度測量實驗系統(tǒng)，對Φ5mm、Φ10mm孔內(nèi)表面粗糙度進(jìn)行測量。

3 結(jié)果分析及討論

RIM-FOS測量表面粗糙度是一種間接參數(shù)測量法。對未知表面測量前必須先用已知表面粗糙度值的樣本進(jìn)行定標(biāo)測量，確定測量參數(shù)與表面粗糙度參數(shù)（優(yōu)先選用Ra）之間的關(guān)系，然后通過該關(guān)系曲線實現(xiàn)對未知表面的測量。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)上述的測量關(guān)系曲線，對Φ5mm、Φ10mm孔樣本進(jìn)行多次測量。20次測量結(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)計的傳感器具有很好的測量穩(wěn)定性。RIM-FOS測量結(jié)果還與TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的測量結(jié)果進(jìn)行了對比分析，其相對誤差分別為2.587%和0.389%，較好地驗證了測量方法的有效性。上述結(jié)果顯示，隨著孔徑的增加，測量精度也進(jìn)一步增加，說明孔的曲率半徑對測量結(jié)果有一定的影響。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于RIM-FOS的內(nèi)表面粗糙度測量方法，設(shè)計并實現(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、操作簡便、測量精度高、成本低等特點，可以實現(xiàn)較小尺寸孔內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測量。對Φ5mm、Φ10mm孔樣本實驗測量的結(jié)果顯示，本文提出的測量方法具有很好的穩(wěn)定性和精確度。測量結(jié)果經(jīng)過了TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的驗證，證明了測量方法的有效性。本文的研究結(jié)果表明該測量方法在較小零件內(nèi)表面的非破壞性測量方面具有無可比擬的優(yōu)勢和巨大的應(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量儀實驗研究.南開大學(xué)學(xué)報（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)測量粗糙度的研究.無損檢測，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)表面三維形貌檢測系統(tǒng).儀器儀表學(xué)報，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，Rq是均方根粗糙度，Rq與常用的表面粗糙度評定參數(shù)——表面粗糙度算術(shù)平均高度Ra之間存在一個相應(yīng)的關(guān)系，即。

定義一個測量參數(shù)Sn，，將式（1）、（2）代入，并簡化可得

（3）

式中，K為修正系數(shù)，Sn可實驗測得，Rq即可由式（3）得到，從而確定Ra。

2 實驗

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

根據(jù)圖5搭建表面粗糙度測量實驗系統(tǒng)，對Φ5mm、Φ10mm孔內(nèi)表面粗糙度進(jìn)行測量。

3 結(jié)果分析及討論

RIM-FOS測量表面粗糙度是一種間接參數(shù)測量法。對未知表面測量前必須先用已知表面粗糙度值的樣本進(jìn)行定標(biāo)測量，確定測量參數(shù)與表面粗糙度參數(shù)（優(yōu)先選用Ra）之間的關(guān)系，然后通過該關(guān)系曲線實現(xiàn)對未知表面的測量。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)上述的測量關(guān)系曲線，對Φ5mm、Φ10mm孔樣本進(jìn)行多次測量。20次測量結(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)計的傳感器具有很好的測量穩(wěn)定性。RIM-FOS測量結(jié)果還與TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的測量結(jié)果進(jìn)行了對比分析，其相對誤差分別為2.587%和0.389%，較好地驗證了測量方法的有效性。上述結(jié)果顯示，隨著孔徑的增加，測量精度也進(jìn)一步增加，說明孔的曲率半徑對測量結(jié)果有一定的影響。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于RIM-FOS的內(nèi)表面粗糙度測量方法，設(shè)計并實現(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、操作簡便、測量精度高、成本低等特點，可以實現(xiàn)較小尺寸孔內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測量。對Φ5mm、Φ10mm孔樣本實驗測量的結(jié)果顯示，本文提出的測量方法具有很好的穩(wěn)定性和精確度。測量結(jié)果經(jīng)過了TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的驗證，證明了測量方法的有效性。本文的研究結(jié)果表明該測量方法在較小零件內(nèi)表面的非破壞性測量方面具有無可比擬的優(yōu)勢和巨大的應(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量儀實驗研究.南開大學(xué)學(xué)報（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)測量粗糙度的研究.無損檢測，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)表面三維形貌檢測系統(tǒng).儀器儀表學(xué)報，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，Rq是均方根粗糙度，Rq與常用的表面粗糙度評定參數(shù)——表面粗糙度算術(shù)平均高度Ra之間存在一個相應(yīng)的關(guān)系，即。

定義一個測量參數(shù)Sn，，將式（1）、（2）代入，并簡化可得

（3）

式中，K為修正系數(shù)，Sn可實驗測得，Rq即可由式（3）得到，從而確定Ra。

2 實驗

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

根據(jù)圖5搭建表面粗糙度測量實驗系統(tǒng)，對Φ5mm、Φ10mm孔內(nèi)表面粗糙度進(jìn)行測量。

3 結(jié)果分析及討論

RIM-FOS測量表面粗糙度是一種間接參數(shù)測量法。對未知表面測量前必須先用已知表面粗糙度值的樣本進(jìn)行定標(biāo)測量，確定測量參數(shù)與表面粗糙度參數(shù)（優(yōu)先選用Ra）之間的關(guān)系，然后通過該關(guān)系曲線實現(xiàn)對未知表面的測量。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)上述的測量關(guān)系曲線，對Φ5mm、Φ10mm孔樣本進(jìn)行多次測量。20次測量結(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)計的傳感器具有很好的測量穩(wěn)定性。RIM-FOS測量結(jié)果還與TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的測量結(jié)果進(jìn)行了對比分析，其相對誤差分別為2.587%和0.389%，較好地驗證了測量方法的有效性。上述結(jié)果顯示，隨著孔徑的增加，測量精度也進(jìn)一步增加，說明孔的曲率半徑對測量結(jié)果有一定的影響。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于RIM-FOS的內(nèi)表面粗糙度測量方法，設(shè)計并實現(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、操作簡便、測量精度高、成本低等特點，可以實現(xiàn)較小尺寸孔內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測量。對Φ5mm、Φ10mm孔樣本實驗測量的結(jié)果顯示，本文提出的測量方法具有很好的穩(wěn)定性和精確度。測量結(jié)果經(jīng)過了TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的驗證，證明了測量方法的有效性。本文的研究結(jié)果表明該測量方法在較小零件內(nèi)表面的非破壞性測量方面具有無可比擬的優(yōu)勢和巨大的應(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量儀實驗研究.南開大學(xué)學(xué)報（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)測量粗糙度的研究.無損檢測，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)表面三維形貌檢測系統(tǒng).儀器儀表學(xué)報，2006.27（3）：302-306.endprint