表面粗糙度測量儀器的進展
1、表面粗糙度
表面粗糙度是評定機械零件表面微觀形貌特徵的幾何量參數。零件表面粗糙度影響著機構的配合質量、運動性能和使用壽命。
國家標準規定了表面粗糙度的評定基準為輪廓中線；對於現代表面粗糙度測量儀器，往往採用最小二乘法建立輪廓中線。表面微觀輪廓上各點到所建立中線的距離，稱為：輪廓偏距。表面粗糙度測量儀器的任務就是要在取樣長度l內，採集表面輪廓各點的坐標xi，yi，並建立輪廓中線，按以下參數定量評定表面粗糙度。
1）參數Ra
Ra被稱為「輪廓算數平均偏差」 實際上取的是：在取樣長度l內，所有輪廓偏距絕對值的算數平均值（圖1），即下式:
2）參數RZ
Rz 被稱為微觀不平度十點高度，其定義為：在取樣長度l內，五個最大輪廓峰高yPi的平均值和五個最大輪廓谷深yVi的平均值之和（圖2），即下式：
3）參數Ry
Ry 被稱為輪廓最大高度.其定義為：在取樣長度l內，最大輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離（圖3），即下式：
2、 傳統測量儀器
1）光切顯微鏡
光切顯微鏡誕生於上世紀初期，德國蔡司廠率先生產。過去曾被稱為雙管顯微鏡。
光切法測量原理（圖4）是，光線以45°入射角，將狹縫像投影到被測表面上，用顯微鏡對著光線反射方向觀測反射像，從而獲取截面微觀形貌。其表面粗糙度測量範圍RZ為（1～100）?。
2）干涉顯微鏡
干涉顯微鏡（圖5）的出現，比雙管顯微鏡稍晚些。前蘇聯首先生產，被稱為林尼克干涉顯微鏡。
其採用雙光束干涉原理，測量光束被被測面反射；參考光束被平面鏡反射，使干涉條紋與被測表面微觀成像疊加，測量干涉條紋的峰、谷高度，獲得零件表面粗糙度。其表面粗糙度測量範圍RZ為（0.025~0.8）?。
3、觸針式輪廓儀
觸針式輪廓儀出現於上世紀中期。它的工作原理是：固定在槓桿一側的異常尖銳的金剛石觸針在輕微測量力的作用下，與被測表面接觸，並以勻速沿被測表面掃描，槓桿另一側的微位移感測器，採集觸針水平和垂直位移。由積分電路或計算機軟體計算出粗糙度Ra，Rz，Ry。
傳統的觸針式輪廓儀多採用電感或壓電晶體微位移感測器。
上世紀末，英國的FORM TALYSURF輪廓儀（圖6）以激光偏振干涉儀作微位移感測器。垂直測量範圍是4mm，分辨力為10nm。
4、 現代測量儀器
1）光學探針式輪廓儀
上述觸針式輪廓儀的觸針經常與被測表面摩擦，會造成磨損，而且操作要十分當心，以避免針尖碰傷。目前，能非接觸測量的光學探針式輪廓儀已經問世。圖7是一種基於自動調焦原理的光學探針式輪廓儀*的原理圖。自動調焦法源於CD（光碟存儲）的讀寫技術，它採用自動調焦的激光束跟蹤略有起伏的盤面，對CD盤上所壓制的數字音樂信號進行非接觸式拾取。
該技術應用於微觀輪廓測量，如圖7所示：紅外激光器1發出的光被聚焦在被測物表面6上；經表面反射，再以相反的方向返回，聚焦在檢測器7上，形成一個光點。聚焦檢測器是一個雙象限的光電轉換元件。當光點位置如圖中的b狀態時，亦即正好聚焦在檢測器平面上，光點則對稱位於檢測器兩象限之間，此時兩感光象限能提供相同的光電信號；當系統沿被測表掃描時，會遇到被測面微小的凸起或凹陷，聚焦狀態將被破壞。光點則會旁落到檢測器的其中一個象限上，形成一個模糊的發散形半圓。在a和c兩種情況下，離焦信號產生一個控制電平信號，用於驅動一個動圈式馬達4（類似於揚聲器中膜片上的音圈），使掃描物鏡產生跟隨運動，直至使掃描物鏡到達聚焦位置為止。其跟蹤的規律顯示出如圖8所示的特性曲線。
因此當自動調焦光學探針掃描過被測物表面時，物鏡便始終跟隨被測物表面結構的輪廓，由此產生的垂直位移經一個電感式位移感測器8轉變為測量信號被記錄下來。
自動調焦法測量表面微結構尺寸有著許多優點：
——由於是非接觸測量，因而對被測表面不造成破壞，可測量十分敏感或柔軟的表面；
——測量速度快，能掃描整個被測表面的三維形貌，且能測量十分複雜的表面結構；
——可在加工過程中實現在線測量。
——該方法的水平解析度由聚焦光點直徑所決定，光點直徑一般約為1μm。普通的機械觸針輪廓儀的金剛石針尖半徑為4~8μm，與之相比，自動調焦法的光點直徑要小得多（圖9），因而能獲取表面十分細微的結構特徵。
2）白光干涉顯微鏡
干涉顯微鏡（圖5），採用目鏡觀察和人工測量的傳統方法。現代的圖象處理技術已能解決顯微干涉圖的機器識別問題，利用白光掃描干涉技術*是較為成熟的一種。
在一個採用白光照明的雙光束干涉系統中，來自被測面的測量光和來自參考鏡的參考光形成的干涉條紋圖像可以用一個被高斯曲線（圖10）包絡的、周期為λ0/2的下列餘弦函數來描述：
式中：
I0 ——干涉場背景光強；
z ——測量
lc ——光源相干長度；
λ0——為光源中心波長。
在圖10中高斯函數的包絡峰出現在z0處。被測面上兩個相互高差h的兩個點由於相對參考臂的光程差不同，包絡峰出現的位置會不同。其位置差異與兩被測點高差相對應。白光掃描干涉儀在工作時，通過一個線性掃描驅動裝置改變參考鏡的軸向位置，記錄掃描過程中，干涉場上CCD面陣所採集的每一幅圖像的每個像素的光強變化過程，利用相干峰感知演算法，確定各像素包絡峰位置，從而得到被測表面的三維形貌。
圖11 所示是一種採用了Mirau干涉的白光干涉儀的工作原理*。分光鏡3將白光照明光源1的光引人干涉系統。參考鏡6被固定在筒狀壓電陶瓷5上，分光板7將光束分成兩部分；一部分作為參考光反射到參考鏡6，另一部分透到被測表面8，返回後與參考光會合，經物鏡4、9會合於光電器件CCD面陣上。計算機按預定的程序控制，通過改變加在壓電陶瓷5上的電壓，使參考鏡6沿光軸方向做等間隔運動，同時用面陣CCD檢測干涉場上各像素的光強，對於每個像素上的光強序列進行數據擬合，即可得到一個正弦函數。比較干涉場上CCD面陣各象素正弦函數的相位，就可得到被測表面各點的高度。
白光干涉儀的優點是：
——用CCD採集整個干涉場的光強分布，從而直接獲得表面微觀三維形貌。又稱3D表面輪廓儀。
——測量干涉場各點的相位，與直流光強分布無關，為設計和製造帶來了方便。
——解析度和測量精度高、可以多次重複測量，自動進行數據處理。可用於平面、球面及其他複雜形狀表面的測量。
注: 本文第4章的內容參考了：王伯雄等. 微納米測量技術 [M]. 北京：清華大學出版社，2006.8；68~80. 111~115，159~160。
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