激光散斑法表面粗糙度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究

劉國(guó)軍

激光散斑法表面粗糙度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究

劉國(guó)軍

浙江省教育廳項(xiàng)目（Y201016456）

劉國(guó)軍

山東理工職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院

劉國(guó)軍，男，1978年出生，本科學(xué)歷，工學(xué)碩士，講師，在山東理工職業(yè)學(xué)院從事教學(xué)科研工作，擔(dān)任教務(wù)實(shí)訓(xùn)處副處長(zhǎng) ，研究方向：汽車檢測(cè)技術(shù)，機(jī)械零件幾何特征光學(xué)測(cè)量，車輛工程。

光學(xué)散斑法是一種較新的表面粗糙度測(cè)量方法，因其非接觸、面采樣、裝置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛關(guān)注。為探討光學(xué)散斑法工程應(yīng)用的可行性，利用標(biāo)準(zhǔn)研磨樣塊對(duì)光學(xué)散斑法中的兩種方法：散斑對(duì)比度法及空間平均散斑法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，兩種散斑法均可用于表面粗糙度測(cè)量，而空間平均散斑法給出了特征參數(shù)與表面粗糙度的嚴(yán)格定量關(guān)系，可得到更可靠的測(cè)量結(jié)果。

表面粗糙度作為機(jī)械零件表面質(zhì)量的一個(gè)重要表征參數(shù)，決定了工作面的密封配合性、耐磨耐蝕性及機(jī)器的可靠性與壽命。目前表面粗糙度測(cè)量技術(shù)大致分為兩類：一類為輪廓技術(shù)，包括觸針?lè)ā⒏缮鏈y(cè)量法等。另一類為參數(shù)技術(shù)，給出被測(cè)表面的統(tǒng)計(jì)特性信息，有光散射法、散斑法等。

實(shí)際生產(chǎn)中，希望實(shí)現(xiàn)被加工件的100％檢測(cè)，以減少?gòu)U品率。輪廓技術(shù)需采用掃描法測(cè)量，故效率低，難以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。而參數(shù)技術(shù)采用面采樣，測(cè)量效率高，經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)，可用于工程中的在線應(yīng)用，其中光學(xué)散斑法具有最大可能性。該方法屬非接觸測(cè)量，能有效避免工件表面的損傷。同時(shí)，對(duì)工作條件要求低，裝置簡(jiǎn)單，易于在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。基于上述考慮，本文針對(duì)兩種散斑技術(shù)：散斑對(duì)比度法及空間平均散斑法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探索光學(xué)散斑法用于工程測(cè)量的實(shí)用性。

理論基礎(chǔ)

散斑對(duì)比度法

散斑對(duì)比度用于表面粗糙度測(cè)量最早始于Sprague的散斑實(shí)驗(yàn)，當(dāng)表面粗糙度與光源相干長(zhǎng)度的量級(jí)可比擬時(shí)，散斑對(duì)比度與表面粗糙度是相關(guān)的。Fujii與Asakura小組的研究結(jié)果證實(shí)了Sprague的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并提出一種粗糙度測(cè)量新技術(shù)：在一定范圍內(nèi)，用表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)偏差與光強(qiáng)起伏間的線性關(guān)系來(lái)檢測(cè)表面粗糙度。

散斑對(duì)比度定義為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與強(qiáng)度平均值的比值，如下式所示：

式中V代表散斑對(duì)比度，I代表接收屏處某點(diǎn)光強(qiáng)，〈〉表示系綜平均。

該技術(shù)可用于同種材料工件簡(jiǎn)單加工過(guò)程的表面的識(shí)別，經(jīng)進(jìn)一步研究可以用于在線測(cè)量。其缺點(diǎn)是測(cè)量范圍較小，但可通過(guò)增大入射波長(zhǎng)及入射角來(lái)擴(kuò)大測(cè)量范圍。

空間平均散斑法

該方法由Zhao等提出，通過(guò)引入Goodman散斑場(chǎng)局部遍歷假設(shè)，對(duì)散斑圖像進(jìn)行分割，經(jīng)空間平均運(yùn)算即可提取表面粗糙度特征參數(shù)，該特征參數(shù)與均方根粗糙度關(guān)系為：

式中Vimage為粗糙度特征參數(shù)，是可測(cè)量；k=2π/ λ為波數(shù)；θ為入射角；σz為均方根粗糙度；Cimage可視為常數(shù)，與光學(xué)系統(tǒng)布置有關(guān)；“—”算符代表空間平均。為在實(shí)際中應(yīng)用方便，利用自然對(duì)數(shù)運(yùn)算將式（2）換算為線性關(guān)系：

上式即建立了特征參數(shù)Vimage與粗糙度參數(shù)σz2的嚴(yán)格線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)確定，則Vimage與σz一一對(duì)應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)及分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖1所示為實(shí)驗(yàn)裝置圖。He-Ne激光器波長(zhǎng)0.6328μm，入射光束照射待測(cè)工件表面后，被表面散射，在反射方向設(shè)置接收屏來(lái)接收散斑圖樣并采用CCD相機(jī)進(jìn)行記錄。在相機(jī)設(shè)置中，需經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試來(lái)確定具體曝光時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)樣本采用哈量生產(chǎn)的平面研磨標(biāo)準(zhǔn)塊組件。

測(cè)量步驟如下

調(diào)整激光器出射光束，使其在樣塊表面上的入射角為45°，微調(diào)樣本支架高度及俯仰角度，使散斑圖樣進(jìn)入相機(jī)的預(yù)定視場(chǎng)。

每個(gè)表面樣本取不同區(qū)域6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)至少拍攝1幅散斑圖像及1幅背景圖像。同一樣本同一測(cè)點(diǎn)拍攝一幅散斑圖像后，立即遮住激光器入射光，拍攝一幅背景圖像。下一測(cè)點(diǎn)重復(fù)上述操作。拍攝背景圖像是考慮測(cè)量過(guò)程中難免有環(huán)境干擾，如周圍光線明暗變化、激光器功率漂移、相機(jī)電子噪聲等，當(dāng)散斑圖像減去相應(yīng)的背景圖像后，可以一定程度減少環(huán)境噪聲影響。

所有樣本圖像采集完畢后，利用自編Matlab程序搜尋散斑區(qū)域并截取圖像，對(duì)圖像進(jìn)行濾波，提取表面粗糙度特征參數(shù)。

結(jié)果分析

圖2所示為CCD相機(jī)拍攝的一組散斑圖像，每個(gè)子圖左下角標(biāo)明了標(biāo)準(zhǔn)樣塊的粗糙度值。對(duì)每個(gè)樣塊6個(gè)測(cè)點(diǎn)的散斑圖像進(jìn)行散斑對(duì)比度及空間平均散斑特征值的計(jì)算，所用計(jì)算式為：

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)樣塊形成的散斑圖像

式中，SC代表散斑對(duì)比度，Vimage代表空間平均散斑特征參數(shù)，Wx、Wy為圖像的像素尺寸，I（x，y）表示像素點(diǎn)（x，y）處的光強(qiáng)（用0～255的灰度值表示）。

圖3、圖4為實(shí)驗(yàn)得到的曲線，圖中橫軸采用粗糙度Ra值。由圖3看出，隨著表面的粗糙度值增大，散斑對(duì)比度值隨之增大，與Ra值呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。為便于對(duì)未知粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，亦繪于圖中。由于散斑對(duì)比度法無(wú)顯式表達(dá)式，因此，直線擬合或許并非最理想的擬合方式。只有利用更多標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，才能得到更可靠的擬合曲線。圖4（a）為空間平均散斑法中的Vimage值與Ra值的關(guān)系曲線，圖4（b）為Vimage的自然對(duì)數(shù)值與Ra2的關(guān)系曲線。可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論式（4）結(jié)論吻合，二者呈現(xiàn)較明顯的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，仍采用線性擬合。與圖3相比，圖4（b）中的線性關(guān)系更為明顯，而且由于具有理論表達(dá)式，在工程實(shí)用中，空間平均散斑法將比散斑對(duì)比度法更為有效。由圖4可以看出，空間平均散斑法的結(jié)果仍有一定誤差，造成誤差的原因可能有：（1）可獲得的標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)目有限，只能得到4個(gè)擬合點(diǎn)，這是誤差產(chǎn)生的一個(gè)最主要的原因；（2）激光光源的功率波動(dòng)，在散斑圖像記錄中引入隨機(jī)噪聲；（3）周圍光線變化，降低了圖像信噪比；（4）相機(jī)的電子噪聲及熱噪聲，同樣引起散斑圖像噪聲增大。

圖3 散斑對(duì)比度值隨Ra變化的散點(diǎn)圖及直線擬合

圖4 空間平均散斑表面粗糙度特征值的實(shí)驗(yàn)曲線

結(jié)語(yǔ)

散斑對(duì)比度法與空間平均散斑法是兩種有效的表面粗糙度測(cè)量方法，具有非接觸、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。散斑對(duì)比度法的理論基礎(chǔ)建立在系綜平均的基礎(chǔ)上，在工程應(yīng)用中，為使測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)，可用空間平均值代替系統(tǒng)平均值，但這會(huì)引入一定的誤差。空間平均散斑法具備空間平均運(yùn)算的理論依據(jù)，可直接用于工程實(shí)際，僅用一幅圖像即可得到粗糙度特征參數(shù)。兩種方法經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)，均具備應(yīng)用于在線測(cè)量的前景，而空間平均散斑法因具有定量測(cè)量的理論前提，有望獲得比散斑對(duì)比度法更可靠的測(cè)量結(jié)果。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.003