CN2427793Y - 激光非接触式表面粗糙度与位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光非接触式表面粗糙度与位移测量装置。它由激光源、计算机系统、测量头架、入射光纤部分、接收反射光纤部分、面阵CCD摄像机、图像卡等组成,通过测量从被测工件表面反射回来的散射光能的分布确定被测工件表面粗糙度与位移值。既能测量平面工件,还可测量曲面工件。

Description

激光非接触式表面粗糙度与位移测量装置

本实用新型涉及表面粗糙度与位移测量领域，特别是激光非接触式表面粗糙度与位移测量装置。

表面粗糙度是机械制造中的一项基本几何量。目前广泛使用的触针式轮廓仪，因对软材质测量会划伤工件表面，同时也不适合于加工现场的在线测量，因而使用受到限制。为解决触针式测量方法的不足，就有必要使用非接触式测量方法，如光学法测量。中国专利92216674中公开了一种激光表面粗糙度检查仪，它以半导体激光作为光源，测量从被测工件表面反射回来的散射光分布，确定粗糙度值。由于这种检查仪采用光电池或光电二极管阵列接收激光作用于被测工件表面后的反射光能的分布，它接收的反射光能是一维信息，不能反映被测工件表面的综合信息，因而一般只适合于测量平面工件，测量曲面工件比较困难，而且不能用于位移的测量。

本实用新型的目的是提供一种激光非接触式表面粗糙度与位移测量装置，它既能够用于测量曲面工件的表面粗糙度，还可以用于工件位移的测量。

本实用新型含有激光源、计算机系统、入射光纤部分、接收反射光纤部分、面阵CCD摄像机、图像卡。激光器产生的激光束经入射光纤部分的耦合光纤、自聚焦光纤后以一定角度入射到被测工件表面；反射光能分布由接收反射光纤部分的聚脂成像屏、摄像物镜、传像光纤束、转像物镜接收输出至面阵CCD摄像机，再经过图像卡采集到计算机处理。

激光非接触式表面粗糙度与位移测量装置以He-Ne激光器作为光源，采用光纤传输激光束并以一定的角度(0到45度)入射到被测工件表面，激光束作用于被测工件表面后的散射光能分布用聚脂成像屏接收后，用传像光纤束耦合给CCD摄像机，经图像采集卡转换后送入计算机，经过软件数据处理，得到工件的表面粗糙度或位移值。

由于采用面阵CCD摄像机接收散斑图像的信息，能全面获取被测工件表面的散射光能分布信息，因而可以测量平面、曲面工件的表面粗糙度。同时，由于获取了散斑图像的面阵信息，在图像处理时，主要采用翼核光强比算法，不仅具有测量精度高，而且测量不受入射光强及表面反光能力变化影响，激光束的传输、接收均采用光纤，因此使仪器抗干扰能力增强，可满足在车间现场进行测量。

由于入射光以一定的角度入射到工件表面上，当工件表面相对测量头移动时，成像屏上接收的反射光斑中心将同时按一定的规律移动，通过图像处理可识别出光斑中心的位移量，预先可采用移动一个标准距离标定出测量头的位移系数，然后将光斑的位移量乘上测量头的位移系数就可测量出工件的位移。因而本实用新型还可以用于测量位移。

下面结合附图对本实用新型作如下详细描述：

图1为本实用新型实施例的结构示意图

图2为本实用新型的测量位移原理示意图

图1中He-Ne激光器1产生的激光通过耦合透镜进入耦合光纤2，经耦合光纤2末端的自聚焦光纤4准直后变为发散角较小的准直光源，以一定的入射角度入射到被测工件表面。经过工件表面反射后的散射光照射到聚脂薄膜成像屏5上形成散斑图样，再经过摄像物镜6将接收屏上的散斑图样成像到传像束7的输入端，经传像束输出端的转像物镜8输出至面阵CCD摄像机9，再经过图像卡10采集到计算机11，经相应的软件进行数据处理，得到所需的测量结果。入射光纤部分的自聚焦光纤4和接收反射光纤部分的聚脂成像屏5之间以0°-90°夹角固定在测量头架3内。

激光器采用功率P=1-10mw的He-Ne激光器，自聚焦光纤直经为小于Φ2mm，激光束入射到工件表面的入射角θ1为0°-45°，聚脂薄膜成像屏的规格为Φ3-20mm，测量头的工作距离为小于50mm，摄像物镜的放大倍率为0．2-1倍，转像物镜倍率为1-3倍。

采用光纤传输激光束并以一定的角度(0到45度)入射到被测工件表面，当入射角为0度时，入射光纤和接受光纤同轴，光纤测量头体积小；当入射角大于45度时，不利于接受工件表面的散斑信息，而且测量头体积大。

本实用新型的工作原理是这样的：He-Ne激光器发出光线，照射被测工件表面，反射到聚脂成像屏上。不同粗糙度的被测工件表面反射回来的散射光能分布不同，这种光能分布的特征值与粗糙度参数(如Ra)存在一定关系，从而可以通过提取工件表面的散射光能分布的特征值，测得被测工件表面粗糙度值。设在被测工件表面上采集N个点Q₁，Q₂，…Q_n，那么，反射光能分布包括两部分：

一部份是散斑图样的中心区域，它是由入射光被工件理想表面反射但又受到散射因素而减少的那部分；

另一部份是带状区域，是由于入射受到被测工件散射散射而形成的那部份。

因此，在接收屏上某一点P的光强是由被测表面上Q₁，Q₂，…Q_n各点子波在P点处的叠加：

中心亮斑区域接收的能量E_inner=KI₀(γ²+Ω₁q²)／2π，散射带接收的能量E_outer=KI₀q²(Ω₂-Ω₁)／2π，γ²+q²=1。 $\mathrm{\β}=\frac{E_{\mathrm{inner}}}{E_{\mathrm{outer}}}=(2\mathrm{\π}{\mathrm{\γ}}^2+{\mathrm{\Ω}}_1{q}^2)/\left(({\mathrm{\Ω}}_2-{\mathrm{\Ω}}_1)q^2\right)$

上式中Ω₂为整个散射图样的接受立体角，Ω₁为中心亮斑区域的接受立体角比值，β不受入射光强I₀及工件表面反射率K的影响，仅与γ，q及M等因素有关，γ，q与表面粗糙度值相关，因此表面粗糙度值与β直接相关。实际应用中，首先用已知Ra值的粗糙度样板进行定标，求出β-Ra关系曲线。然后，测量出工件的β值，通过光顺性三次样条函数插值，即可得出被测表面的Ra值。

图2中，本实用新型是这样测量位移的：当工件由位置21移到位置22时，移动距离为d，在成像屏23上接收的反射光斑中心可将从位置A移动到位置B，设AB=a，则有：a=2dSinθ，d=a／2Sinθ。

实施例1：

激光器采用功率P=4mw的He-Ne激光器，自聚焦光纤规格为Φ2，激光束入射到工件表面的入射角θ₁为35°，聚脂薄膜成像屏的规格为Φ15，测量头的工作距离为d=3．2mm，摄像物镜的放大倍率为0．3倍，转像物镜倍率为1倍。

实施例2：

激光器采用功率P=1mw的He-Ne激光器，自聚焦光纤规格为Φ1，激光束入射到工件表面的入射角θ₁为8°，聚脂薄膜成像屏的规格为Φ5，测量头的工作距离为d=20mm，摄像物镜的放大倍率为1倍，转像物镜倍率为1倍。

实施例3：

激光器采用功率P=2mw的He-Ne激光器，自聚焦光纤规格为Φ1，激光束入射到工件表面的入射角θ₁为0°，聚脂薄膜成像屏的规格为Φ8，测量头的工作距离为d=40mm，摄像物镜的放大倍率为0．4倍，转像物镜倍率为3倍。

Claims (3)

1、一种激光非接触式表面粗糙度与位移测量装置，含有激光源、计算机系统、测量头架、入射光纤部分、接收反射光纤部分、面阵CCD摄像机、图像卡，其特征在于：激光器(1)产生的激光束经入射光纤部分的耦合光纤(2)、自聚焦光纤(4)后以一定角度入射到被测工件表面；反射光能分布由接收反射光纤部分的聚脂成像屏5、摄像物镜(6)、传像光纤束(7)、转像物镜(8)接收输出至面阵CCD摄像机(9)，再经过图像卡(10)采集到计算机(11)处理。

2、根据权利要求1所述的激光非接触式表面粗糙度与位移测量装置，其特征在于：入射光纤部分的自聚焦光纤(4)和接收反射光纤部分的聚脂成像屏(5)之间有一夹角、固定在测量头架(3)内。

3、根据权利要求2所述的激光非接触式表面粗糙度与位移测量装置，其特征在于：入射光纤部分的自聚焦光纤(4)和接收反射光纤部分的聚脂成像屏(5)之间的夹角角度为0°-90°较好。