工程表面粗糙度两用测量系统

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1．引言

　　目前，采用接触测量法的金刚石触针轮廓仪在工程表面粗糙度测量中仍占主导地位，此类仪器具有测量可靠、操作方便、价格适中以及符合表面粗糙度国际标准的评定要求等优点。但是，金刚石触针轮廓仪存在以下缺点：（1）尖锐的金刚石触针在一定测量压力下可能损伤被测工件表面，同时影响测量结果的真实性；（2）在测量过程中触针可能损坏；（3）触针轮廓仪的量程较小（约为±100μm），难以测量曲率较大、沟槽较深的曲面表面粗糙度。因此，对于一些软金属表面、生化材料表面、橡胶表面、含信息表面以及超精加工表面等一般不宜采用触针轮廓仪进行测量。
　　为了克服接触式测量的缺点，近年来，采用非接触测量方式的光针扫描轮廓仪得到了迅速发展。对于工程表面形貌的测量，聚焦式光针扫描轮廓仪是较理想的测量仪器，目前已在工业生产中得到了应用。然而，这种轮廓仪也存在一定缺点：（1）对被测表面的清洁度要求较高；（2）被测表面的倾斜度对测量结果有较大影响；（3）工件材料的反射率及表面峰谷的高低程度对测量结果有较大影响。
　　由此可见，在生产中最好同时具备上述两种仪器，以满足对工程表面测量的需要。目前，金刚石触针轮廓仪技术成熟，价格适中，在生产中应用广泛；光针扫描轮廓仪已有产品面市，但价格不菲，性能尚待完善，是表面测量领域重点研究开发的对象。因此，研究开发量程较大，价格较低，同时具有接触式与非接触式两种测量方式且非接触式测量技术较为成熟的表面测量仪器具有重要意义。

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　　2．测量系统结构原理

　　表面粗糙度两用测量系统的结构原理如图1所示。

图1　测量系统结构原理框图

　　该仪器设计有两个测量头，左边为非接触式测量头，右边为接触式测量头。在使用接触式测量头时，应将非接触式测量头移开；在采用非接触式测量时，则应移入非接触式测量头，使测量头的触针与音圈电机的动子接触，这时接触式测量头又是非接触式测量头的第二级测量系统。测量系统的光学探针传感器与金刚石触针传感器共用一套位置探测电路、数据采集及控制电路、扫描系统、工作台、计算机系统及评定软件，从而将表面粗糙度的接触式与非接触式测量结合在一起，并集中了两种测量方式的优点。在同一台仪器上可根据实际情况选用不同的测量方式，从而扩大了测量对象的范围。

　　3．非接触式测量头的设计

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　　测量系统的非接触式测量头采用了基于聚焦探测法的光学探针传感器。聚焦探测法是将聚焦光束作为探针，利用光电探测器测量被测表面的微观起伏偏离显微物镜焦点的微小离焦量，离焦量的线性测量值就反映了被测表面形貌。利用聚焦探测法原理进行表面形貌测量的方法主要有傅科刀口法、临界角法、象散法及偏心光束法等。聚焦探测法的垂直分辨率可达1nm，并具有光路简单和使用方便等优点；其不足之处是线性范围较窄（约30μm），且光电探测器对被测表面的反射率和微观斜率变化较为敏感。
　　本测量系统采用的动态焦点跟踪测量法较好地克服了上述不足，其垂直测量范围可达500μm，并具有10nm的测量分辨率，其工作原理见图1。半导体激光二极管发出的光束经扩束、准直后变成平行光，经过偏振分光镜BS、1／4波片和显微物镜L₁后会聚于被测工件表面，反射光则沿原光路返回偏振分光镜BS，但此时反射光与原入射光的线偏振方向已旋转了90°，该光束再经过透镜L₂被分束镜L₃分成两束光，分别投射到两组二象限光电探测器上产生聚焦误差信号。当光束焦点位于被测工件表面上时，两个反射光斑分别处于两组光电探测器的中部，聚焦误差信号为零；在测量工件表面形貌时，光学探针以恒定速度沿被测表面扫描，表面形貌的微观起伏使光电探测器不断产生聚焦误差信号，该信号经处理和补偿后用于控制音圈电机，驱动显微物镜作相应的调整运动，以保证显微物镜L₁与工件表面被测点之间的相对位置保持不变，使光点始终聚焦于被测表面上。音圈电机位置的连续变化反映了被测点高度的连续变化（即被测表面形貌信息），该变化由独立于聚焦控制系统的电感测量系统进行信号采集，这样即可保证在测量范围内测量信号具有较好的线性值。
　　由于在测量系统中引入了聚焦误差反馈控制装置，其垂直测量范围始终处于线性区间内，因此该系统具有测量范围大、分辨率高、扫描速度快等特点。
　　显微物镜L₁是系统光路中的关键光学元件，其作用是将激光器输出的光束会聚起来，在被测工件表面形成高质量的衍射受限光斑，并收集反射光束以便进行聚焦误差信息的检测。传感器的横向分辨率和灵敏度都与该物镜的光学特性和成象质量有关。显微物镜的主要参数有数值孔径NA、物镜衍射光斑直径d和焦深ΔZ。
　　根据光学衍射理论，衍射光斑直径d＝Kλ／NA，若光斑为爱里圆斑，则强度沿径向降低为最大值的1／2时，对应的K＝0.52，即d＝0.52λNA，焦深ΔZ＝λ／2NA²。可见，当NA值增大时，光斑直径d减小，有利于提高测量头的横向及垂直分辨率，但在物镜直径一定的情况下，此时镜头更为靠近被测工件表面，不利于测量头的调整，且系统波象差会随NA值的增大而加大，故需对NA值进行优化选择，本系统选用的显微物镜NA值为0．45，因而聚焦光斑直径d＝0．76μm，焦深ΔZ＝0．16μm。
　　聚焦伺服系统是非接触式测量头的重要子系统，其定位的速度和精度直接影响表面粗糙度测量的速度和精度。聚焦伺服系统的任务是以最快的速度移动显微物镜，使焦点重新落在被测工件表面上。要达此目的，必须有动态性能良好的聚焦执行机构和设计合理的控制电路。聚焦伺服机构采用位置环，在设计时需要解决系统的跟随精度和控制系统稳定性等问题。执行机构设计好后，利用良好的聚焦相位补偿网络设计可达到提高系统性能的目的。

　　4．接触式测量头的设计

　　触针测量法是应用最广泛的表面轮廓测量方法，也是目前国际公认的二维表面粗糙度测量的标准方法。触针测量法所用触针一般用金刚石制成，顶部直径约2μm，在测量过程中触针沿工件表面滑动，表面微观峰谷起伏使触针沿被测表面的垂直方向上下移动，传感器将触针的这种垂直位移转换为电信号，经放大后送入后续电路进行处理，即可得到被测表面的微观轮廓信息。此类仪器按所用传感器的类型一般可分为电感式、压电式、干涉式及光栅式等。
　　本测量系统采用电感式传感器，即将触针的垂直位移转换为电感量的变化，经正弦波调制、放大和检波，得到与触针的垂直位移成正比的电压信号。
　　本测量系统采用AD698作为电感信号测量的核心。AD698是一种单片集成的线性可变位移传感器信号调节子系统，与传统的由分立元件组成的电感测量电路相比，具有体积小，增益漂移、零点漂移低，信噪比高等优点，因此易于实现仪器的微型化，并可提高系统的测量精度。AD698的外围接口电路如图2所示。

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图2　AD698外围接口电路

　　5．测试结果

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　　分别用非接触式测量头和接触式测量头对经中国计量科学研究院检定的多刻线样板（R_a＝0．344μm）进行测试，所测得的表面轮廓曲线如图3和图4所示。从轮廓曲线可以看出，两种测量方法获得的测量结果基本一致。
　　本测量系统未在测量传感器上加导头进行机械式滤波，因而可更真实地反映被测工件表面的曲面形貌。由于工作台运动误差、工件表面形状及表面波度等因素会影响表面粗糙度的评定，故本系统的评定软件选用最小二乘正交多项式作为曲面表面粗糙度评定最佳拟合的数学模型，通过数字滤波分离出表面粗糙度轮廓。经滤波后的样板表面粗糙度轮廓曲线如图5所示。

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图3　非接触法测得的样板表面轮廓曲线

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图4　接触法测得的样板表面轮廓曲线

图5　经滤波后的样板表面粗糙度轮廓曲线

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