基于空間平均靜態(tài)及動態(tài)散斑法表面粗糙度測量技術(shù)研究.pdf

1、在許多工程領(lǐng)域中，表面粗糙度測量一直是一個重要的研究課題。表面粗糙度值是表面質(zhì)量的反映，可用來預測表面的使用性能。目前許多技術(shù)已應(yīng)用于表面粗糙度的測量之中：從最早的主觀判斷（如視覺檢查、指甲觸感）到客觀比較（如電容法、超聲法），從接觸式機械觸針儀到非接觸式光學觸針儀，從功能低的光學顯微技術(shù)再到后來革命性的掃描隧道顯微鏡（STM）及原子力顯微鏡（AFM）。但還有兩種技術(shù)——光散射技術(shù)與散斑對比度技術(shù)更應(yīng)引起注意，它們能提供對弱散射表面粗糙

2、度的實時評價，對在線或過程中表面粗糙度測量具有很好的應(yīng)用前景。
　　本文在對各種原理的表面粗糙度測量方法進行綜述的基礎(chǔ)上，針對目前光散射法與散斑對比度法中存在的問題，提出了一種適用于弱散射體表面粗糙度測量的靜態(tài)散斑法（SAM）及動態(tài)散斑法（DSAM）測量技術(shù)。
　　實際測量中經(jīng)常使用并且易于實現(xiàn)的是入射光斜入射粗糙面，觀察者在近場區(qū)域觀察并記錄散斑圖樣。但常用的 Beckmann理論僅給出了粗糙面衍射的遠場解，并未給出近場解

3、。而菲涅耳衍射公式僅適合描述入射光正入射時兩平行平面間的衍射，若將其用于斜入射情況，則需引入幾何光學近似來計算粗糙面出射光場。為解決這一問題，本文對菲涅耳-基爾霍夫衍射基本公式進行了重新解釋，給出描述反射型表面衍射的傾斜因子，將透射孔徑衍射模型擴展到反射表面衍射模型，建立了入射光斜入射情況下反射型弱散射面的衍射方程。
　　光散射法測量容易受到散射光分布中的散斑效應(yīng)影響，導致測量結(jié)果的起伏。為避免該問題，本研究將散斑視為含有表面結(jié)構(gòu)

4、有用信息的載體，而不再視為噪聲，提出了一種基于散斑技術(shù)的測量方法。光散射法的另一個問題是所測得的光信號會受到漫散射光成分的影響，這一影響通過實驗無法消除。本研究將鏡向光場視為鏡反射場分量與漫散射場分量的相干疊加，將鏡反射場分量視為均勻背景場，將漫散射場分量視為完全無規(guī)場，從總光強信號中去除了漫散射成分。
　　散斑對比度法一個很大的缺點是其測量結(jié)果對被測表面相關(guān)長度的變化十分敏感，這使得該方法的可靠性下降。另一個缺點是在工程應(yīng)用中遇

5、到的難題，因其理論建立在系綜平均概念基礎(chǔ)上，而在工程中系綜平均無法實現(xiàn)。針對這些問題，引入 Goodman關(guān)于散斑場局部遍歷特性的假設(shè)，并對整場散斑進行空間平均，建立了基于空間平均分析的靜態(tài)散斑法（SAM）表面粗糙度測量理論的基礎(chǔ)。
　　動態(tài)散斑多用于強散射體速度大小、方向的測量或振動分析，在弱散射體表面粗糙度測量中的應(yīng)用極少見到。本研究通過對動態(tài)散斑圖樣統(tǒng)計特性及成像過程的分析，在靜態(tài)散斑法的基礎(chǔ)上，提出一種動態(tài)散斑法（DSAM

6、）表面粗糙度測量技術(shù)用于運動表面質(zhì)量檢測，建立了該方法的理論基礎(chǔ)。
　　對提出的靜態(tài)及動態(tài)散斑法（SAM和 DSAM）進行了計算機模擬驗證，并與光散射法及散斑對比度法進行了比較。結(jié)果表明，SAM與 DSAM同理論預期的一樣，能夠很好地給出特征參數(shù)與均方根粗糙度的對應(yīng)關(guān)系，極大地消除了現(xiàn)有光散射法及散斑對比度法中漫射光成分及表面相關(guān)長度對測量結(jié)果的影響。對 SAM和 DSAM進行了樣本表面的振動測試，結(jié)果表明，SAM和DSAM對樣本