精密测量技术:大尺寸精密测量技术有哪些

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精密测量技术

光学干涉原理的测量技术

学生姓名 孙世才

专 业 测控技术与仪器

学 号 1122133 指导老师 张婉仪

分 院 光电工程分院

2014年6月24日星期二

编号

第二 基于光学干涉原理的测量技术

表面粗糙度是评定多种工件表面质量的一个重要指标。研究并测试表面粗糙度是生产加工领域—个很重要的研究方向。传统的表面粗糙度测量方法可分为两类：接触式和非接触式。接触式测量方法的代表产品是触针式轮廓仪。当前，国内外广泛应用的触针式粗糙度测量仪器是用一个尖端半径很小的触针压在被测表面上作横移扫描，触针跟随表面轮廓的形状作垂直位移，可以说是最大可能地再现了工件的表面状况。然而这种测量方法有很大的缺陷，测试精度不能保证、测量速度慢、实现在线检测困难 。近年来，国内外对具有快速、非破坏性、可在线测量特征的非接触式检测技术的研究十分活跃，主要依靠光学、电磁波和图像处理等技术手段实现表面粗糙度非接触测量。本文主要介绍几类非接触式表面粗糙度的测量技术。

相干光照射到工作表面同一位置时，由于光波的相互位相关系，使合成光强度发生周期性变化，即产生光波干涉现象。传统的干涉法是测量是用相干光照射工作表面然后与参考光相比较，观察干涉条纹。但在实际测量中，易于获得的条纹图样并不能得到光程差图，而是显示等高图。只有对干涉条纹做适当变换，才能用来定量检测表面粗糙度。一般而言，干涉法测量表面粗糙的，测试精度取决于光的波长。但是，干涉条纹的分辨率是以光波长的一半为极限的，仅从条纹的状态无法判断表面是凸起还是凹陷。因此，作为一种具有较好分辨率，宽测量范围的表面粗糙度在线检测技术，这种干涉法测量技术还有待遇进步发展。

相对干涉光强法是根据光学干涉基本原理提出来的测量方法。在同一干涉级次的最大干涉光强与最小干涉光强之间，即最亮干涉条纹与同级最暗干涉条纹之间，干涉光强随标准件与待测件之间的间隙大小或者光程差的变化而变化。因此，任一点的间隙可以通过该点的光强在最大光强与最小光强之间的相对位置以及间隙为零时的光强值来确定。

基于光学干涉原理，华中理工大学采用光外差干涉方法研制出2D —SROP 一1型表面粗糙度轮廓仪。，其系统工作原理见图1, 直接测量参考波面与被检测波面间的位相差，是一种具有很高的位相分辨力和空间分辨力的测量方法。光源发出的光束经分光板后，一束光射向被测工件表面，另一束光射向参考面。两束光经反射后重新相遇形成干涉条纹，条纹的相对弯曲度即反映了被测表面的微观高度差。两束光的相位差 与被测表面微观高度差h 的关系为：

通过测量 即可测得h 。

h =λφ 4π

图 1 光外差干涉技术工作系统

光外差干涉(0HI)测量技术，是一种具有纳米级测量准确度的高精度光学测量方法，其理论分辨率优于，适用于精加工、超精加工表面的测量；而且可以进行动态时间的研究。近年来，外差测量法发展快速，对于产生外差的方法专家学者提出了多种想法，主要有双波长法、声光调制法、双频激光法、波长调制法和参考面压电振动法等等。

共光路干涉法是另一种测量方法。它是利用米洛(Mirau)干涉仪原理，参考镜放在试件表面附近，参考光和测量光使用相同的路径，通过阵列二极管或者电视摄像头观察干涉条纹，并存储条纹。移动物镜和参考镜，摄取条纹图像，最终是在垂直方向移动量正好为一个波长，贮存在计算机内的条纹图像可以给出平面上任何位置的实际高度。美国维易科(VEEC0)精密仪器有限公司是世界领先的精密测量仪器和工艺设备制造商，其测量仪器可用来进行纳米范围的精密测量。基于上述测量原理，该公司生产了商品化的WYK0激光干涉仪和光学轮廓仪 ，可用来测量干涉条纹位相。据悉，中国科学院上海技术物理研究所已经采购了该种仪器，可测量0.1-0.5pm 的台阶面，数据获取和结果显示仅需要2s ，重复性为0.01nm rills 。 清华大学雒建斌教授等人分析了最近发展起来的几种动态表面粗糙度测量方法的优缺点，提出采用被测表面激光反射图的暗区比来实现运动表面粗糙度的实时测量。他认为：散斑的形成主要归于光干涉效应，即从被照表面不同部分反射光的相干而形成；被测表面给定点的最终光强取决于各束干涉波的振幅叠加结果。如果合成振幅为零，则该像素点为暗斑；如果所有光束同时协调到达该点，则可观察到最大的光强。

采用实时全息干涉测量方法，运用计算机视频图像处理干涉条纹，是一种具有先进性和实用性的技术。该技术的关键：一是将全场干涉条纹分布转换成位移分布；二是描绘动态条纹即条纹随时间的变化曲线。随着计算机技术的发展，干涉条纹图像处理技术将是表面质量检测研究工作的热点之一。

长城计量测试技术研究所采用扫描测量技术，用自动图像处理系统对干涉显微镜的干涉图像进行自动分析处理与检测，提高了检测速度和干涉图像的判读分辨率，为超精加工产品和零件的检测提供了重要手段 。该系统结构组成如图2所示。

图2 表面粗糙度干涉图像处理系统

首先要对采集的图像进行清除噪声、平滑图像、图像增强、图像分割等处理，以利于计算机自动理解和处理干涉图像，萃取干涉图像中被测表面的粗糙度信息。经过图像处理后，选取被测表面的轮廓曲线，以最小二乘中线标准计算各粗糙度参数值。

从根本上说，基于光学干涉原理的表面粗糙度测量技术更适合于高精表面的测量，该技术在垂直方向具有较高的分辨率，还可获得表面的三维轮廓。但由于该方法的测量结果受光波的影响很大，所以其测量范围受到一定影响。

第三 图像处理测量技术

数字图像处理技术一般用计算机处理或者实时的硬件处理，因此也称之为计算机图像处理。其优点是处理精度高，处理内容丰富，只要改变软件就可以改变处理内容。

图像处理技术测量表面粗糙度是指使用摄像机(例如CCD)

抓取图像，然后将

该图像传送至处理单元，通过数字化处理，根据像素分布和亮度、颜色、形状等信息，选用有效的算法计算工件的粗糙度参数值。

北京理工大学开发的表面粗糙度显微成像检测技术，是目前比较成熟、可行的一种表面粗糙度图像处理测量方法。其系统框图如图3所示。被检测表面通过显微放大后，以CCD 作传感器，经图像采集卡和计算机进行数据采集与处理，计算后得到相应的粗糙度。这种方法可用于机械加工表面、喷涂等表面检测，亦可用于电化学处理表面、冷轧、铸造、喷丸等表面的检测。

图3 显微成像法检测表面粗糙度方框图

CCD 成像得到的图像是一个不同灰度分布的数字图像，由于采用斜光照射，图像明亮部分与轮廓峰对应，越是明亮表示峰值越高；阴暗部分与轮廓谷对应，图像越黑表示谷值越深。因此，被测表面的不平度由灰度的差异表征出来。专家认为：(1)灰度的平均值的均方根偏差代表被测表面的不平度；(2)灰度曲线过平均值的数目表示峰谷深度的不同。依此原理，可统计计算出表面粗糙度的数值。长春光学精密机械学院白素平等在火炮内膛表面粗糙度检测 研究中，利用CCD 传感器摄取图像，由计算机进行图像处理与识别。他们自行研制的图像识别软件可以对这种数字化的粗糙度信息进行分类识别。

图像处理测量表面粗糙度技术本身是计算机科学技术的扩展应用，图像处理的目的只是为了让计算机更有效地识别理解图像，而真正要定量地计算出粗糙度参数，需要科学的计算，因此，算法的研究才是课题的重点。另外，数字图像是大量的像素集合，与表面粗糙度相关的表面特征参数有很多种，如灰度、纹理、形状、颜色等，如何提取和利用这些特征信息计算表面粗糙度也是课题的重点和难点。