表面粗糙度測量原理及改進

     表面質(zhì)量的特性是零件重要的特性之一，在計量科學(xué)中表面質(zhì)量的檢測具有重要的地位。較早人們是用標(biāo)準(zhǔn)樣件或樣塊，通過肉眼觀察或用手觸摸，對表面粗糙度做出定性的綜合評定。1929年德國的施馬爾茨(G.Schmalz)首先對表面微觀不平度的深度進行了定量測量。1936年美國的艾卜特(E.J.Abbott)研制成功第一臺車間用的測量表面粗糙度的輪廓儀。以后，各國又相繼研制出多種測量表面粗糙度的儀器。目前，測量表面粗糙度常用的方法有：比較法、光切法、干涉法、針描法和印模法等，而測量迅速方便、測值精度較高、應(yīng)用廣泛的就是采用針描法原理的表面粗糙度測量儀。本文將詳細(xì)討論表面粗糙度測量儀的原理及其改進方案。
1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的工作原理

1.1 針描法

針描法又稱觸針法。當(dāng)觸針直接在工件被測表面上輕輕劃過時，由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸針將在垂直于被測輪廓表面方向上產(chǎn)生上下移動，把這種移通過電子裝置把信號加以放大，然后通過指零表或其它輸出裝置將有關(guān)粗糙度的數(shù)據(jù)或圖形輸出來。

1.2 儀器的工作原理

采用針描法原理的表面粗糙度測量儀由傳感器、驅(qū)動器、指零表、記錄器和電感傳感器是輪廓儀的主要部件之一，其工作原理見圖2，在傳感器測桿的一端裝有金剛石觸針，觸針尖端曲率半徑r很小，測量時將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅(qū)動器以一定的速度拖動傳感器。由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸狀在被測表面滑行時，將產(chǎn)生上下移動。此運動經(jīng)支點使磁芯同步地上下運動，從而使包圍在磁芯外面的兩個差動電感線圈的電感量發(fā)生變化。

圖3為儀器的工作原理主框圖。傳感器的線圈與測量線路是直接接入平衡電橋的，線圈電感量的變化使電橋失去平衡，于是就輸出一個和觸針上下的位移量成正比的信號，經(jīng)電子裝置將這一微弱電量的變化放大、相敏檢波后，獲得能表示觸針位移量大小和方向的信號。此后，將信號分成三路：一路加到指零表上，以表示觸針的位置，一路輸至直流功率放大器，放大后推動記錄器進行記錄；另一路經(jīng)濾波和平均表放大器放大之后，進入積分計算器，進行積分計算，即可由指示表直接讀出表面粗糙度Ra值。

指零表的作用反映鐵芯在差動電感線圈中所處的位置。當(dāng)鐵芯處于差動電感線圈的中間位置時，指零表指針指示出零位，即保證處于電感變化的線性范圍之內(nèi)。所以，在測量之前，必須調(diào)整指零表，使其處于零位。噪聲濾波的目的在于剔除一些干擾信號，如電氣元件的噪聲所引起的虛假信號。大量的測試表明，高于400Hz的信號即不是被測表面粗糙度所引的信號，必須從總信號中加以剔除。所以噪聲濾波器是一種低通(低頻能通過)濾波器，它使400Hz以下的低頻信號順利通過，而將400Hz以上的高頻信號迅速衰減，從而達(dá)到濾波的目的。波度濾波的目的則是用以濾掉距大于取樣長度的波度，因此它是一個高通(高頻能通過)濾波器，使表面粗糙度所引起的高頻(相對于波度引起的低頻而言)信號能自由通過。

經(jīng)過噪聲濾波和波度濾波以后，剩下來的就是與被測表面粗糙度成比例的信號，再經(jīng)平均表放大器后，所輸出的電流I與被測表面輪廓各點偏離中線的高度y的絕對值成正比，然后經(jīng)積分器完成的積計算，得出Ra值，由指零表顯示出來。

這種儀器適用于測定0.02-10μm的Ra值，其中有少數(shù)型號的儀器還可測定更小的參數(shù)值，儀器配有各種附件，以適應(yīng)平面、內(nèi)外圓柱面、圓錐面、球面、曲面、以及小孔、溝槽等形狀的工件表面測量。測量迅速方便，測值精度高。

2 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足

傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀存在以下幾個方面的不足：

(1)測量參數(shù)較少，一般僅能測出Ra、Rz、Ry等少量參數(shù)；

(2)測量精度較低，測量范圍較小，Ra值的范圍一般為0.02-10μm左右；

(3)測量方式不靈活，例如：評定長度的選取，濾波器的選擇等；

(4)測量結(jié)果的輸出不直觀。

造成上述幾個方面不足的主要原因是：系統(tǒng)的可靠性不高，模擬信號的誤差較大且不便于處理等。

(3)隨著電子技術(shù)的進步，某些型號的表面粗糙度測量儀還可將表面粗糙度的凹凸不平作三維處理，測量時在相互平行的多個截面上進行，通過模-數(shù)變換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入計算機進行數(shù)據(jù)處理，記錄其三維放大圖形，并求出等高線圖形，從而更加合理的評定被測面的表面粗糙度。