非接触测量物体表面粗糙度的研究

6 寻峰值点算法流程 3·2 实验过程 实验的目的是为了找出V0和Δ之间的函 数关系,验证理论的可行性。实验主要是分为 三组: 1·利用Rz值很小的块规(工作面近似于 镜面)做测距实验,工作台沿光轴的方向移动, 以得到Δ和V0的关系; 2·用样本1做Rz测量的实验,工作台沿 垂直于光轴方向移动,测出此样本的Rz; 3·用样本2做Rz测量的实验,工作台沿 垂直于光轴方向移动,测出此样本的Rz。 3·3 数据处理 将测得的每一组数据用前述算法进行处 理,得到数据曲线图,将所有的V0用实线相 连,峰、谷点用虚线连接,如图7(a、b、c)所示。 根据图7b和图7c所示的数据,按图7a所示Δ 和V0的关系曲线,用查询表(Looking Up Table)法可分别得到样本1的Rz为0·35mm, 样本2的Rz为7μm;由手册查得粗铣样本的 Rz为>80μm,精铣样本的Rz为20~6·3μm。 图7a Δ和V0的关系曲线 图7b 样本1的测量曲线(虚 线为峰、谷的连线) 图7c 样本2的测量曲线(虚 线为峰和谷的连线) 4 结论 在实验的过程中,仍有一定的误差,主要有 以下几个方面对实验的结果产生较大的影响: 1·电路中所选取的元件精度都不够高,以致四 路信号在处理中,各路增益有一定的差异;2· 实验的设备精度也不高,在实验时,由此产生的 系统误差较大。在考虑到实验设备和电路的不 完善的情况,可以认为上述的实验结果是可信 的,实验原理是可行的。在实验的过程中还发 现:被测面与光轴的夹角θ和四像限光探测器 的相对两个像限输出之间的差值有一种近似于 线性的关系。(下转第49页) 46 《激光杂志》1999年第20卷第1期 LASER JOURNAL(Vol·20,No 1·1999) 些细小结构无法被检测出,以致 高等级的粗糙度无法测量。为了能合理采样到 峰或谷的值,光斑的直径应小于所能测量的轮 廓单峰平均间距S的1/4,即1·5μm,在实际的 测量中,应取光斑直径1μm。 综合上述两点,可看出测量系统对光路的 要求与CD光学头有所区别:景深应比较大,以 适应较粗糙的测量面;在测量面上光斑直径应 小于1μm,这是CD光学头所能达到的。 为了消除测量面倾斜的影响,应在测量中 所使用的算法做些变化。如上所述,当测量面 倾斜时,会导致两个变化:1·V1和V3不等或 V2和V4不等;2·光斑亮度减小。因此可依据 这两点来判断测量面是否和光轴相垂直。 按上述理论,V1=V3且V2=V4时为峰或 谷的信号,但由于各组数据是由A/D器件离散 采样所得,不能保证刚好在峰、谷处采样,所以 应设定一个合理的阈值ε,只要差值小于ε,就 认为是峰、谷点。另外由于总光强的减小,虽然 V1和V3、V2和V4之间的相对值相差很大,但 绝对值却可能相差很小,因此还要判断总光强, 即V1+V2+V3+V4的值是否足够大。经过上 面所述的两个判断,可以将倾斜角度较大时的 数据去除,但会保留一些倾斜角度较小时的数 据,这也会对测量的精度产生影响,因此在V0 的计算方法也应作如下一些修改,经大量的实 验发现,选用如下的计算方法:V0=ln〔(V1+ V3)/(V2+V4)〕,能很好地提高精度。 3 测量实验及数据处理 3·1 实验装置 将系统分为下面几个模块:工作台;光学模 块;信号处理模块;数字采集模块;中央处理模 块,如图5所示。 工作台作用是夹持被测工件,并能使之沿 指定方向移动。 光学模块如前所述,与CD光学头的结构 相似,只是在性能参数上有所差别。 信号处理模块包括三个部分:光源调制、信 号解调(包括放大)、低通滤波。光源的调制是 将光源加一个正弦信号: A(t) = A0+ Amsin(ωt) (4) 图5 实验装置框图 其中sin(ωt)是调制信号。在四分割光探测器 中,四路输出信号V1′、V2′、V3′、V4′再用sin (ωt)进行乘法解调〔2,3〕。用这种方法得到的信 号能有效的将各种干扰(外界光干扰、电磁噪音 等)去除,得到高信噪比的信号V1、V2、V3、V4。 数据采集模块将所得的四路模拟信号转换 为数字信号,由计算机进行处理。 系统的核心是中央处理模块,由它实现寻 出峰、谷点,并计算出Rz的功能。寻峰、谷点 的算法如下: 1·读取一组数据(V1、V2、V3、V4); 2·判断光斑的亮度是否足够大; V1+V2+V3+V4>Φ? 3·不成立,则不是峰、谷,转向1; 4·判断下面的式子是否成立: |V1-V3|5·不成立,则不是峰谷,转向1; 6·成立,则为峰、谷; 7·计算V0=ln〔(V1+V3)/(V2+V4)〕; 8·根据V0算出此点的高度(距离); 9·寻找下一峰、谷,转向1。 在实验中用的各种器件如下:二维工作台, CD光学头, PC-123N型12位AD/DA板, PC386计算机(软件自己设计),标准粗糙度量 块(样本1为粗铣样本、样本2为精铣样本)。 45 《激光杂志》1999年第20卷第1期 LASER JOURNAL(Vol·20,No 1·1999) 位置不同,在光敏面上所形成的 光斑形状也不同,如图2b、图2c、图2d所示,将 各路信号作差动放大,得到的信号和盘片介面 与物镜焦面之间的相对位置成某一种特定关 系。将V1、V2、V3、V4作如下的处理。 V0= ( V1+ V3)-( V2+ V4) (2) 则V0同盘片表面和物镜焦面之间的距离Δ成 某一函数关系: Δ= f( V0) (3) 因此可以根据测得的V0,经适当的处理将之反 馈给驱动机构,以调整盘片和焦面之间的相对 位置。 图2 光探测器的工作原理 2·2 表面粗糙度测量原理 图3 实际测量面和光轴的相互关系 本研究利用CD机激光头上述V0和Δ之 间的对应关系,及照射点直径为微米量级这一 特点进行表面粗糙度测量。在粗糙度的测量 中,工件表面并非象光盘盘片那样是很好的反 射平面,而是成峰谷状,因此光学系统的光轴和 被测面的理想面相垂直时,实际轮廓只有在峰、 谷点处是沿光轴返回光电探测器的,如图3所 示。因此测得的数据受下面两点因素影响: 1 被测面与光轴的垂直度; 2 焦面上光斑的大小。 其中影响最大的就是垂直度。 由于测量面和光轴不垂直,导致光斑在光敏 面上的位置不处于中心,且有部分光不能返回光 路,如图4所示。设物镜的焦距为f,光源到物镜 的距离为L,物镜到焦面的距离为L′,像离被测 面的垂直距离为D,像斑离物镜距离为L″,被测 面的倾角为θ,像斑所产生的中心偏移为δ: 图4 测量面的倾斜对成像的影响 光源经物镜成的像在测面上成的虚像偏离 轴线的距离δ1=2Dsinθ,则 δ=δ1×L″/(L′+2Dcosθ) =2DL″sinθ/(L′+2Dcosθ) (4) 在正常情况下,L′ 2Dcosθ,因此: L′+2Dcosθ≈L′(5) 所以:δ=2DL″sinθ/L′ L″/L′ 1,因此,即使有一很小的角度θ,也可 以产生一个相对于D来说很大的中心偏移δ。 光斑不在中心,则V1和V3不相等或V2 和V4不相等,V0也会因光斑的偏移而改变。 部分光的散失,使光斑的亮度有所减弱,使|V1 +V3|和|V2+V4|的值减小,从而无法正确反 映出V0=(V1+V3)-(V2+V4)和Δ之间的函 数关系。 光斑太大的话,会使在某一段采样时间内, 同一个峰或谷始终处于光斑的照射范围里,从 44 《激光杂志》1999年第20卷第1期 LASER JOURNAL(Vol·20,No 1·1999) 非接触测量物体表面粗糙度的研究 李胜利 徐 敏 姚 鹏 金泰义 (中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,合肥 230026) 提要:CD机中,为跟踪盘片,其伺服系统必须能检测到盘片的微小的位移。在本论文中,将CD头的工作原理 应用到物体表面粗糙度的测量当中,可使测量系统小型化,使用更方便。 关键词:粗糙度 CD激光头 四象限光电二极管 乘法解调 Research on the non-contacted roughness measurement Li Shengli Xu Min Yao Peng Jin Taiyi (Dept. of Precision Machinery and Precision Instrumentation,USTC,230026) Abstract:In a CD player,the servo system must have the ability to measure the disc’s microdisplacement in order to track the disc.By applying the CD player’s operational principle to the surface roughness measuring,a smaller and easier- to-use instrumentation system is achieved. Key words:Rz,CD player,4-PD,Multiplication demodulation 1 引言 在测量物体表面粗糙度的时候,一个重要 参数是Rz,该参数只和取样长度内的十点峰和