金属表面粗糙度的光电测试法研究

论文总字数：15225字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1 前言 3

1.1 金属表面粗糙度的研究意义 3

1.2 金属表面粗糙度的研究现状 3

1.2.1接触式测量 3

1.2.2 非接触式测量 4

1.3 本次实验应用的方法及原理阐述 6

1.3.1数码显微镜 7

1.3.2 基于MATLAB平台上的数字图像处理 7

2 实验部分 9

2.1 金属材料及实验仪器 9

2.2 金属表面图像信息的采集 9

2.3 金属表面粗糙度与图像灰度的关系的建立 10

2.3.1 数字图像基于MATLAB平台的矩阵类型转化 10

2.3.2 表面粗糙度的重新定义 10

3 结果与讨论 11

3.1 数字图像的灰度处理 12

3.2 图像灰度的数学统计 13

3.3 数据的处理和分析 14

4 总结与展望 15

参考文献 16

致谢 17

金属表面粗糙度的光电测试法研究

李旭阳

, China

Abstract: On the base of many years' research results, this paper uses the digital microscope with photoelectric conversion technology to obtain the image information of metal surface, and then uses MATLAB to establish the mathematical model to develop a method to convert image information of metal surface into surface roughness. We have established a mathematical model on MATLAB, which has the function of establishing reasonable relation between the gray information of the image and the roughness of the metal surface. The method developed in this paper directly guarantees the original condition of the metal surface and indirectly ensures the accuracy of the measurement result degree. This method is based on a large number of researches completed, and supplemented by experimental reports, taking full account of the actual needs of production, have a strong practical value.

Key words: Photoelectric conversion；surface roughness of metal；information of image；MATLAB

1 前言

• 1. 金属表面粗糙度的研究意义

在机械的制作加工过程中，表面粗糙度是用来描述器件表面微观形貌的一个非常重要的参数，即加工表面出现间距或者是峰谷造成的不平度。表面结构图如图1.1所示：

图1.1.表面结构图

作为现代精密仪器测试计量技术的重要组成部分，目前用轮廓算术平均偏差R_a，轮廓最大高度R_z两种主要的评定参数进行衡量。相关的规范有“GB/T 131-2006 (ISO 1302:2002)《表面结构的表示法》”和“GB/T 1031-2009《表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》”。

在我们日常的工作实践中，金属制品表面的粗糙度会对其他方面产生一定的影响。例如，在处理金属表面的加工过程中，金属表面的粗糙度会影响其热红外偏振特性；在机械加工中，由于机械摩擦产生的热效应带来的粗糙度会对金属材料的布氏硬度测量结果产生不小的影响；在牙釉质试件与金属材料试件对磨的研究过程中，我们也发现：合金表面的粗糙度也会对牙釉质的磨损消耗产生相当的影响。如今，光电技术不仅已经渗透进人们日常生活的点点滴滴，还迈入了很多高科技的领域，另一方面，生产工业的发展质量的提高对精密机械加工器件表面质量的要求也日益提高，这使得金属表面粗糙度的测量变得越来越重要。

• 1. 金属表面粗糙度的研究现状

总的来说，现代技术关于测量金属表面粗糙度的方法通常是接触式测量或是非接触式测量。其中接触式测量包括触针法、比较法等，非接触式测量包括干涉显微镜法、散斑法、光散射法等。

1.2.1接触式测量

(1)比较法：

方法（原理）介绍：将金属待测表面直接与粗糙度标准样板进行对比，通过触摸或者目测的方式直接进行判断。

评价：因为使用这个方法最后得出的结果误差比较大，所以当粗糙度评定参数值比较大的时候，可以考虑选用这个方法，事实上这也是车间常见的方法之一。

(2)触针法

方法（原理）介绍：将一个半径为微米级的触针垂直地安置在被测金属表面上，并让触针始终尽量保持横向移动，由于金属表面的表面并不是绝对光滑，而是凹凸不平的，所以，触针会渐渐地随着被测金属表面的轮廓作垂直起伏运动，而在触针上下起伏的过程中产生的微小位移通过电路可以转换成电信号，继而进行相应的运算处理,随后即可得到金属表面粗糙度的具体参数数值^[1]。

评价：把这种方法与比较法进行比较，显然：触针法测量比较稳定,得出的结果可信度更高,而且简单易操作,其垂直分辨力甚至达到纳米级别。但是这种方法自身也存在着无法忽视的弊端：第一，既要保证不能对金属表面造成破坏,又要使得探测头与表面始终保持接触。现实情况是：触针针尖的尺寸实在是太小了,当它在金属表面移动的时候，不仅会对被测金属的表面造成破坏,就连触针本身也容易因为磨擦造成损耗,而且还将直接影响到测量结果的准确度；第二，因为这种方法检测出的是金属表面的轮廓信息以及触针圆心移动的轨迹,所以，从理论上进行分析,触针成为质点的同时已经忽略了自身的半径大小，唯有当触针尖端的圆半径r不存在的时候,触针才能保证准确地反映它的运动轨迹，而这也就是被测金属表面实际的轮廓。所以,在检测领域, 当测量提出高精度的要求的时候，触针式仪器会由于自身存在的无可避免的问题很容易受到局限。对触针法的进一步优化也成为很多国内外专家学者的研究课题。

1.2.2 非接触式测量

(1)干涉显微镜法:

方法（原理）介绍：目前，基于光干涉原理的显微镜最新的测试原理是激光显微干涉（用到的光源经常采用白光），我们也可以根据干涉光路的结构差异将干涉显微镜分为共光路干涉和分光路干涉两种，所谓共光路的意思是测试光和参考光为相同的光路，而分光路的意思是测试光和参考光不是同一条光路^[2]。

不同的原理决定了对金属表面测量所使用的显微镜的结构也是不同的，而不同的测量要求与测量条件也约束着运用何种干涉测试原理^[3]。

这里要简单描述的其中一种就是白光垂直扫描干涉(VSI)原理。关于显微镜干涉仪的光学系统^[4]，白光垂直扫描干涉(VSI)原理采用的是等光程显微干涉的光学系统,具体来说，当一束白光经过反射镜后，其方向发生偏折,又转而经过立方分光镜后入射到显微物镜,在显微物镜上产生了聚光现象,其中会有一部分的光会聚到被测金属的表面上,而另一部分光经由另外一块分光镜反射会聚到标准面上。由标准面和被测金属表面两方面反射的光束汇合在一起后形成了一些干涉条纹,最后经过立方分光棱镜和物镜投射到CCD（图像传感器）的靶面上。而关于白光垂直扫描干涉原理^[5]。1990年，斯坦福大学的戈登等人正是利用这个原理测试金属表面粗糙度的。具体操作：把待测金属的待测表面沿着光轴的方向作一次垂直扫描，与此同时，根据探测器上的白光干涉峰值对比度，记录对应时刻的扫描位置坐标，也就对应着高度^[6]。

评价：因为在整个扫描行程结束，再加上大量的运算之后，有用的信息只有干涉峰值对比度以及记录的位置信息，所以造成这一方法的很大缺陷：数据利用率低。

(2)散射法:

方法（原理）介绍：当一束以一定的角度α，波长为λ的激光照射到在粗糙金属表面上，一部分的光被金属表面给吸收了，一部分光与其对应的反射光形成了散射光斑，这种现象一般称之为镜面反射；另外一部分光在空间180度角的范围内以散射的形式发散，因此形成了散射光带，这种现象一般称之为光散射现象^[7]。

通过研讨，光散射现象的发生是物体表面的粗糙不平造成的，换句话说，就是金属表面粗糙度的存在造成了光散射现象。从几何光学原理的角度来讲，物体表面的粗糙度一定程度上会对镜面方向以及其他方向散射的光强分布造成一定的影响，一定范围内，应该还存在着密不可分的联系。因此要知道金属表面粗糙度可以通过散射光的分布情况来进行相关测量。

现在，运用光散射原理进行金属表面粗糙度测量的方法有很多种。全世界的专家学者对散射法的研究也越来越多，比如参数表征法、角度分辨散射法以及总体集成散射法等等。国内学者张秋佳、王世华等人建议引用参数作为光散射特征值，并用它来表示被测金属表面散射光和反射光的离散情况，基于金属表面粗糙度与这个参数之间关系的数学模型再进一步计算出金属表面粗糙度的具体数值；角度分辨散射法是借助由矢量散射理论推导出的表达式，根据散射光的光照强度分布来计算金属表面粗糙度；总体集成散射法是根据半球范围内散射光强度与金属表面的反射光强度的比值，通过标量散射理论的多次计算得出相关数值，并进一步得到粗糙度。

评价：建立在光散射理论研究基础上的测量金属表面粗糙度的方法优点有很多：①测量仪器结构简单，既便于携带也便于维修；②成本低廉，极大程度上节约了检测成本；③测量速度快，很大程度上提高了测量工作的工作效率；④无破坏性，也是非接触测量的广泛优势，直接保证了金属表面的原状，间接保证了测量结果的准确度；⑤抗干扰能力强。有一点遗憾的是不能显示出被测金属表面的具体形貌。

(3)散斑法:

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