光外差干涉法测表面粗糙度
实验二 表面粗糙度测量 表面粗糙度的测量方法常用
实验二 表面粗糙度测量表面粗糙度的测量方法常用的有光切法,光波干涉法及针触法等.工厂的车间中常用的还有粗糙度样板直接和被测工件对照的比较法，以及利用塑性和可铸性材料将被测工件表面的加工痕迹复印下来，然后再测量复印的印模，从而确定被测工件的表面粗糙度级别的印模法。
实验目的1. 建立对表面粗糙度评定的感性知识；2. 学习用双管显微镜（光切法）和干涉显微镜（干涉法）及电动式轮廓仪（针描法）测量表面粗糙度的方法。
实验2-1 用双管显微镜测量表面粗糙度Rz 值一、测量原理及计量器具说明参看图2-1，微观不平度十点高度Rz 是在取样长度l 内，从平行于轮廓中线m 的任意一条线算起，到被测轮廓的五个最高点（峰）和五个最低点（谷）之间的平均距离，即 135********Z (h +h +h +h +h )(h +h +h +h +h )R =5图2-1图2-2双管显微镜能检测1-80μm的表面粗糙度的Rz值。
双管显微镜的外形如图2-2所示。
它有1-光源；2-立柱；3-锁紧螺钉；4-微调手轮；5-横臂；6-升降螺母； 7-底座；8-纵向千分尺9-工作台固紧螺钉；10-横向千分尺；11-工作台；12-物镜组；13-手柄；14-壳体；15-测微鼓轮；16-目镜；17-照相机安装孔等部分组成。
双管显微镜是利用光切原理来测量表面粗糙度的，如图3所示，被测表面为P1、P2阶梯表面，当一平行光束从45°方向投射到阶梯表面上时，就被折成S1和S2两段。
从垂直于光束的方向上就可在显微镜内看到S1和S2两段光带的放大象S1ˊ和S2ˊ。
同样，S1和S2之间的距离h也被放大为S1ˊ和S2ˊ之间的距离h1ˊ。
通过测量和计算，可求得被测表面的不平度高度h。
图4为双管显微镜的光学系统图。
由光源1发出的光，经聚光镜2、狭缝3、物镜4，以45°方向投射到被测工件表面上。
调整仪器使反射光束进入与投射光管垂直的观察光管内，经物镜5成象在目镜分划板上，通过目镜可观察到不平的光带（图5b）。
表面粗糙度测量方法
表面粗糙度测量方法表面粗糙度测量方法比较法将表面粗糙度比较样块，根据视觉和触觉与被测表面比较，判断被测表面粗糙度相当于那一数值，或测量其反射光强变化来评定表面粗糙度(见激光测长技术)。
样块是一套具有平面或圆柱表面的金属块，表面经磨、车、镗、铣、刨等切削加工，电铸或其他铸造工艺等加工而具有不同的表面粗糙度。
有时可直接从工件中选出样品经过测量并评定合格后作为样块。
利用样块根据视觉和触觉评定表面粗糙度的方法虽然简便，但会受到主观因素影响，常不能得出正确的表面粗糙度数值。
触针法利用针尖曲率半径为 2微米左右的石触针沿被测表面缓慢滑行，石触针的上下位移量由电学式长度传感器转换为电信号，经放大、滤波、计算后由显示仪表指示出表面粗糙度数值，也可用记录器记录被测截面轮廓曲线。
一般将仅能显示表面粗糙度数值的测量工具称为表面粗糙度测量仪，同时能记录表面轮廓曲线的称为表面粗糙度轮廓仪（简称轮廓仪），这两种测量工具都有电子计算电路或电子计算机，它能自动计算出轮廓算术平均偏差R，微观不平度十点高度RZ，轮廓*大高度Ry和其他多种评定参数，测量效率高，适用于测量R为0.025～6.3微米的表面粗糙度。
光切法光线通过狭缝后形成的光带投射到被测表面上，以它与被测表面的交线所形成的轮廓曲线来测量表面粗糙度。
由光源射出的光经聚光镜、狭缝、物镜1后，以45的倾斜角将狭缝投影到被测表面，形成被测表面的截面轮廓图形，然后通过物镜 2将此图形放大后投射到分划板上。
利用测微目镜和读数鼓轮，先读出h值，计算后得到H 值。
应用此法的表面粗糙度测量工具称为光切显微镜。
它适用于测量RZ和Ry为0.8～100微米的表面粗糙度，需要人工取点，测量效率低。
干涉法利用光波干涉原理 (见平晶、激光测长技术)将被测表面的形状误差以干涉条纹图形显示出来，并利用放大倍数高（可达500倍）的显微镜将这些干涉条纹的微观部分放大后进行测量，以得出被测表面粗糙度。
应用此法的表面粗糙度测量工具称为干涉显微镜。
表面粗糙度的检测
课题三表面粗糙度的检测表面粗糙度的检测方法主要有比较法、针触法、光切法、光波干涉法。
1．比较法用比较法检验表面粗糙度是生产车间常用的方法。
它是将被测表面与粗糙度样块进行比较来评定表面粗糙度。
如图3-1所示。
比较法可用目测直接判断或借助于放大镜、显微镜比较或凭触觉、来判断表面粗糙度。
缺点是精度较差，只能作定性分析比较。
图3-1表面粗糙度比较样板2．针触法针触法是通过针尖感触被测表面微观不平度的截面轮廓的方法，它实际是一种接触式电量方法。
所用测量仪器为轮廓仪，它可以测定Ra为0.025～5um。
该方法测量范围广，速度可靠、操作简便并易于实现自动测量和微机数据处理。
但被测表面易被触针划伤。
如图3-2所示。
图3-2针触法测量原理图3．光切法光切法就是利用“光切原理”来测量被测零件表面的粗糙度，采用仪器是光切显微镜又称双管显微镜。
该仪器适宜测量车、铣、刨或其它类似的方法加工的金属零件的平面或外圆表面。
光切法通常用于测量Ra=0.5～80µm的表面。
4．光波干涉法干涉显微镜是利用光波干涉原理测量表面粗糙度。
干涉显微镜测量的范围一般为0.03～1µm。
也可作Rz、Ry参数评定。
本课题结合课堂讲授的典型零件的标注，分析并检测表面粗糙度，根据国家标准评定表面粗糙度。
选用方法为光切法和光波干涉法。
实验3-1 用光切显微镜检测表面粗糙度一、实验目的1．了解用光切显微镜测量表面粗糙度的原理和方法2．正确理解表面粗糙度的评定参数，加深对微观不平度十点高度Rz的理解二、测量原理及仪器说明双管显微镜又撑光切显微镜，它是利用被测表面能反射光的特性，根据“光切法原理”制成的光学仪器，R=0.8-80um的表面粗糙度。
其测量范围取决于选用的物镜的放大倍数，一般用于测量Z图3-3光切显微镜1—底座；2—立柱；3—升降螺母；4—微调手轮；5—支臂；6—支臂锁紧螺钉；7—工作台；8—物镜组；9—物镜锁紧机构；10—遮光板手轮；11—壳体；12—目镜测微器；13—目镜仪器外型如图3-3所示，它由底座6，支柱5，横臂2，测微目镜13，可换物镜8及工作台7等部分组成。
表面粗糙度的测量
表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量方法有光切法，光波干涉法及触针法（又称针描法）等，工厂常用的还有粗糙度样板直接和被测工件对照的比较法，以及利用塑性和可铸性材料将被测工件加工表面的加工痕迹复印下来，然后再测量复印的印模的印模法。
一、实验目的1.建立对表面粗糙度的感性认识；2.了解用双管显微镜测量表面粗糙度的原理及方法。
二、实验内容用双管显微镜测量表面粗糙度的Rz值。
三、测量原理及仪器说明双管显微镜又撑光切显微镜，它是利用被测表面能反射光的特性，根据“光切法原理”制成的光学仪器，其测量范围取决于选用的物镜的放大倍数，一般用于测量0.8-80微米的表面粗糙度Rz值。
仪器外型如图1所示，它由底座6，支柱5，横臂2，测微目镜13，可换物镜8及工作台7等部分组成。
仪器备有四种不同倍数（7X,14X,30X,60X）物镜组，被测表面粗糙度大小（估测）来选择相应倍数的物镜组（见表1）。
表1 双管显微镜测量参数测量原理如图2所示，被测表面为P1-P2阶梯表面，当一平行光束从45度方向投射到阶梯表面时，即被折成S1和S2两段，从垂直于光束的方向上就可以在显微镜内看到S1和S2两段光带的放大像S1'S2'，同时距离h也被放大为h1'。
通过测量和计算，可求得被测表面的不平度高度h。
这种方法类似在零件表面斜切一刀，然后观察其剖面的轮廓形状，因此称为光切法。
图3为双管显微镜的光学系统图，由光源1发出的光，经聚光镜2，狭缝3，物镜4以45度方向投射到北测表面上，调整仪器使反射光束经物镜5成像在目镜分划板6上，光束被测上表面的S1点反射，在下表面S2点反射，它们各成像于分划板6的S1'和S2'，距离h1被放大为h1'，通过目镜可观察到凹凸不平的光带（图4（b））,光带边缘即工件表面上被照亮了的h1的放大轮廓像h1'，测量h1'即可求出被测表面的不平高度h2。
h=h1cos45=(h1/N)cos45式中N——物镜的放大倍数影象高度h1'是利用目镜测微器来测量的，测微目镜头结构见图4（a）由于测微器中的十字刻线与测微器读数方向成45，所以当用十字线只能感的任一直线与影像蜂，谷相切来测量波高度时，波高h1=h1cos45h1”为刻度线移过的实际距离，即测微器量词读数差（见图4（b）），所以被测表面的不平高度为：h=h1cos45cos45/N=1/2N·h1式中，E为刻度套筒的分度值，或称为换算系数，它与投射角，目镜测微器的结构和物镜放大倍数有关，可在表1中查取。
表面粗糙度检测方法
隐微镜
比较法
Ra
将被测表面与表面细糙度比较样块靠拢正在所有，用比较隐微镜瞅察二者被搁大的表面，以样块处事里上的细糙度为尺度，瞅察比较被测表面是可达到相映样块的表面细糙度；进而判决被测表面细糙度是可切合确定.此要领不克不迭测出细糙度参数值
3
电动
表面仪
比较法
Ra：
0.025～6.3
Rz：
0.1～25
电动表面仪系触针式仪器.丈量时仪器触针尖端正在被测表面上笔直于加工纹理目标的截里上，搞火仄移动丈量，从指示仪容直交得出一个丈量路程Ra值.那是Ra值丈量最时常使用的要领.大概者用仪器的记录拆置，描画细糙度表面直线的搁大图，再估计Ra大概Rz值.此类仪器适用正在计量室.但是便携式电动表面仪可正在死产现场使用
序号
考验要领
适用参数及
范畴（μm）
证明
1
样块
比较法
直交目测：
Ra>2.5；
用搁大镜：
Ra>上的细糙度为尺度，用视觉法大概触觉法与被测表面举止比较，以判决被测表面是可切合确定；
用样块举止比较考验时，样块战被测表面的材量、加工要领应尽大概普遍；
样块比较法简朴易止，切合正在死产现场使用
若用细糙度比较样块比较法不克不迭搞出判决，应采与仪器测厨：
①对于不匀称表面，正在最有大概出现细糙度参数极限值的部位上举止丈量；
②对于表面细糙度匀称的表面，应正在几个均布位子上分别丈量，起码丈量3次；
③当给定表面细糙度参数上限大概下限时，应正在表面细糙度参数大概出现最大值大概最小值处丈量；
④表面细糙度参数证明是最大值的央供时，常常正在表面大概出现最大值(如有一个可睹的深槽)处，起码丈量3次；
4
光切
表面粗糙度的检测方法
表面粗糙度的检测方法
表面粗糙度的检测是通过测量表面的微观形状和轮廓来评估表面质量的过程。
有多种方法可以用于表面粗糙度的检测，其中一些常见的方法包括：
表面轮廓仪（Surface Profilometer）：表面轮廓仪是一种用于测量物体表面轮廓的设备。
它通过沿表面滑动或扫描，利用探测器检测高度变化，并生成相应的高度剖面图。
通过分析这些剖面图，可以得出表面的粗糙度参数。
激光干涉仪（Laser Interferometer）：激光干涉仪利用激光光束的干涉效应来测量表面的高度变化。
这种方法对于高精度的表面粗糙度测量很有效，可以提供亚微米级别的分辨率。
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）：AFM是一种在原子尺度上测量表面形状和粗糙度的工具。
它使用微小的探针扫描样品表面，通过探测器的运动来生成高分辨率的表面图像。
表面粗糙度仪（Surface Roughness Tester）：这是一种专门用于测量表面粗糙度的便携式仪器。
通常采用钻头或球形探头，测量表面在垂直方向的高低变化，并输出相应的粗糙度参数，如Ra、Rz等。
光学显微镜：在一些情况下，使用光学显微镜可以对表面进行观察和评估。
虽然其分辨率较低，但对于一些较大尺度的粗糙度评估仍然有效。
在选择适当的检测方法时，需要考虑表面的特性、粗糙度范围和检测精度的要求。
根据具体的应用场景，可以选择最合适的工具和技术。
表面粗糙度的测量
光切法测量原理为从光源发出的光线经聚光镜和狭缝形成一束扁 平光带，通过物镜组以45°方向投射在被测表面上。由于被测表面上 存在微观不平的峰谷，被具有平直边缘的狭缝像的亮带照亮后，表面 的波峰在S点产生反射，波谷在S′点产生反射，在与被测表面成另一 个45°方向经物镜放大后反射到目镜分划板上。从目镜中可以看到被 测表面实际轮廓的影像各自成像在分划板的a和a′处，若两点之间的 距离为N，用目镜上的测微百分表测出轮廓影像的高度N，根据物镜组 的放大倍数K，即可算出被测轮廓的实际高度h。
公差配合与要进行尺寸和形位误差的 测量，还要进行表面粗糙度的测量。其测量方法很多，下面 仅介绍几种常见的测量方法。 一、比较法
比较法是将被测表面与表面粗糙度样块相比较来判断工 件表面粗糙度是否合格的检验方法。
表面粗糙度样块的材料、加工方法和加工纹理方向最好 与被测工件相同，这样有利于比较，提高判断的准确性。另 外，也可以从生产的零件中选择样品，经精密仪器检定后， 作为标准样板使用。
公差配合与测量技术
用样板比较时，可以用肉眼判断，也可以用手触摸感觉， 为了提高比较的准确性，还可以借助放大镜和比较显微镜。 这种测量方法简便易行，适于在车间现场使用，常用于评定 中等或较粗糙的表面。 二、光切法
光切法就是利用“光切原理”来测量零件表面的粗糙度； 工厂中常用的光切显微镜（又称为双管显微镜），就是根 据光切原理制成的测量粗糙度仪器。
光切显微镜
三、针描法 针描法的工作原理是利用金刚石触针在被测表面上等速
缓慢移动，由于实际轮廓的微观起伏，迫使触针上下移动， 该微量移动通过传感器转换成电信号，并经过放大和处理得 到被测参数的相关数值。按照针描法原理测量表面粗糙度的 常用量仪有电动轮廓仪。
表面粗糙度测量技术方法与设备介绍
表面粗糙度测量技术方法与设备介绍表面粗糙度是指物体表面的不均匀性或不平整程度。
在许多工业领域中，表面粗糙度的测量非常重要，因为它直接影响到物体的功能和性能。
本文将介绍一些常用的表面粗糙度测量技术方法与设备。
一、光学方法光学方法是一种非接触式测量表面粗糙度的技术。
例如，白光干涉法和激光扫描仪是其中常用的两种方法。
1. 白光干涉法白光干涉法是通过观察物体表面反射光的干涉图案来测量表面粗糙度的方法。
它利用白光经过物体表面反射时，不同高度的表面会产生不同的光程差，从而形成干涉条纹。
通过分析干涉条纹的特征，可以计算出表面的粗糙度参数。
2. 激光扫描仪激光扫描仪是一种使用激光束来扫描物体表面的设备。
它通过激光从不同角度照射物体表面，并通过接收器接收反射回来的激光信号，根据信号的强度和相位变化来计算表面的粗糙度参数。
激光扫描仪具有高精度和高分辨率的优点，适用于复杂曲面的粗糙度测量。
二、机械方法机械方法是一种通过机械设备对物体表面进行接触式测量的技术。
它常用于工业生产线上的实时检测。
1. 探针测量法探针测量法是一种常见的机械测量方法。
它使用一根装有传感器的探针，通过垂直移动探针并记录表面高度的变化，从而测量表面的粗糙度。
探针测量法可以适用于不同形状和材质的表面，但是由于是接触式测量，可能会对物体造成轻微的损伤。
2. 高斯仪测量法高斯仪是一种利用一个平面平行于被测表面的高斯孔隙板的装置进行测量的方法。
通过将高斯孔隙板压在物体表面上，并测量孔隙板下的气压变化，可以计算出表面的粗糙度参数。
高斯仪具有简单、准确的特点，被广泛应用于工业生产中。
三、电子方法电子方法是利用电子设备对物体表面的电信号进行测量和分析的技术。
1. 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种利用电子束扫描表面，并通过接收被扫描物体表面反射的电子信号来观察和测量物体表面形貌的设备。
SEM具有非常高的分辨率和放大倍率，可以用于微观尺度下的表面粗糙度测量。
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光外差干涉法测表面粗糙度
摘要：表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌非常重要的一个参数,表面
粗糙度测量技术是现代精密测试计量技术的一个重要组成部分。
本文主要介绍了用光外差干涉法测量表面粗糙度的原理、优缺点以及运用。
关键词：表面粗糙度；光外差干涉法；6JA干涉显微镜
正文：
一引言
表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌最常用的参数 , 它反映的是机械零件表面的微观几何形状误差,表面粗糙度测量技术在机械加工、光学加工、电子加工等精密加工行业中有着及其重要的作用。
表面粗糙度的测量方法基本上可分为接触式测量和非接触式测量两类: 在接触式测量中主要有比较法、印模法、触针法等; 非接触测量方式中常用的有光切法、实时全息法、散斑法、像散测定法、光外差法、A FM 、光学传感器法等。
传统的接触式测量就是测量装置的探测部分直接接触被测表面, 能够直观地反映被测表面的信息, 但是这类方法不适于那些易磨损刚性强度高的表面。
用这种方法所测出的表面轮廓信息及触针圆心的移动轨迹, 从理论上分析, 只有当触针的尖端圆半径等于零时, 触针的运动才能正确地反映被测表面的实际轮廓曲线。
但是针尖尺寸过小, 不仅会划伤被测表面, 触针本身也容易磨损, 而且还将影响测量效率和测量速度; 测量力大小的控制: 既要保证测头与表面始终保持接触, 又不能因此划伤工件表面和磨损测头。
因此, 在高精密表面如光盘、磁盘检测领域, 触针式仪器的实用受到限制, 提出了高精度、非接触测量的要求。
所以对于高精度的表面测量，我们必须采取其他的精度更高非接触测量方法。
而光切法和光传感器法的测量精度不高，光切法受物镜的景深和鉴别率影响，实时全息法（表面粗糙度均方根值要小于光波长）、散斑法（表面不能过于光滑和粗糙）、象散法、AFM法的测量的范围比较小，而本文讨论的光外差干涉法测量精度高，而且测量范围也比较大。
二光外差干涉法
1、特点
光外差干涉法是非接触测量的一种，是在基于干涉显微镜的基础上提出的一种测量表面粗糙度的新方法。
是利用对被测表面形貌没有影响的手段间接反映被测表面的信息来进行测量的方法, 其最大的优点就是测量装置探测部分不与被测表面的直接接触, 保护了测量装置, 同时避免了与测量装置直接接触引入的测量误差，其测量表面起伏精度及横向分辨精度达到0.11 nm及4 μm.，而测量范围比较广。
2、原理
图1 是光外差法的原理图。
由He2N e 激光器1 发出的激光被分光镜2 分
成两路: 一路透射经声光调制器3, 一级衍射光频率增加f 2= 40MHz, 经反射镜4 扩束系统8, 由透镜会聚到物镜14 的后焦点上, 经14 后成为平行光照射到被测面15 上, 作为参考光束; 另一路由分光镜2 反射经声光调制器5, 一级衍射光频增加f 1= 41MHz, 经反射镜6 扩束系统7 分光镜12, 由物镜14 会聚在样品表面, 作为测量光束, 测量光斑的大小由物镜14 的参数决定。
透过分光镜 12 的测量光束与被分光镜 12 反射的参考光束产生拍波; 由探测器 13 接收, 产生参考信号, 而从被测面返回的两束光由分光镜 10 反射进入探测器 11, 产生测量信号。
将探测器 11、 13 接收到的测量与参考信号送入相位计进行比相, 于是可测得表面轮廓高度值。
从理论推导中可以看到, 干涉仪二臂不共路部分的相位差通过比相, 其影响被消除, 这对提高仪器的抗干扰能力, 提高信噪比十分有利。
图1
3、实例——6JA干涉显微镜
由上海光学仪器厂生产的 6JA (JBS)干涉显微镜用以测量表面光洁度，刻线或度层的深度，配以各种附件还能测量粒状，纹路混乱和底反射率的表面。
同时还可将仪器安置在工件上，对大型工件表面进行测量。
本仪器是用来测量精密加工零件（平面、圆柱等外表面）光洁度的仪器，也可以用来测量零件表面刻线，镀层等深度。
仪器配对各种附件，还能测量粒状，加工纹路混乱的表面，低反射率的工件表面。
同时还能将仪器安置在工件上，对大型工件表面进行测量。
仪器测量表面不平深度范围为1～0.03微米，用测微目镜和照相方法来评定▽10～▽14光洁度的表面。
本仪器适用于厂矿企业计量室，精密加工车间，也适用于高等院校，科学研究等单位。
测量表面光洁度范围（表面粗糙度0.1▽～0.006▽）▽10～▽14
主要技术规格
工作物镜的数值孔径 0.65
工作距离 0.5毫米
仪器的视场:目视φ0.25毫米
仪器的视场:照相0.21×0.15毫米
仪器的放大倍数:目视 500倍仪器的放大倍数:照相 168倍测微目镜放大倍数12.5倍
工作台升程 5毫米
X、Y方向移动范围≈10毫米
旋转运动范围 360度
不平深度测量范围：0.03---1μm（▽10----▽14）
放大倍数：500×（目视）；168×(照相）
视场范围：Φ0.25mm（目视）；0.15×0.21mm（照相）
工作距离：0.5mm
测微器分划值：0.01mm
三表面粗糙度测量的发展趋势
现代科技和生产的许多领域对表面的质量提出了更高的要求: 一方面现有的常规检测方法不能满足测量精度的要求, 特别是纳米技术的出现相应地提高了对表面粗糙度测量精度的要求; 另一方面, 复杂立体形状加工技术的发展也对三维表面粗糙度测量的发展提出了新的要求。
电子技术、计算机技术及精密加工技术的发展为表面粗糙度测量的发展提供了技术基础。
20 世纪80 年代出现的原子力显微镜(A FM )、扫描隧道显微镜(STM )、扫描近场光学显微镜(SNOM )、光子扫描隧道显微镜(PSTM ) 等用于表面粗糙度的测量是一个很有希望的方向。
此外, 在科学和生产的许多领域, 以往的加工后抽样测量已经不能满足要求, 这就需要有能够实现在线测量的测量方法。
因此, 超高精表面的高精度测量、三维表面粗糙度测量及在线实时测量是粗糙度测量发展的主要方向。
四参考文献
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