激光散射原理测量表面粗糙度

工件的表面粗糙度是评定工件表面质量的一个重要指标，它是决定工件性能和质量的重要参数。科学技术的日新月异，加工精度的不断提高，新技术、 新材料、新工艺的出现对工件表面粗糙度的检测提出了越来越高的要求。同时摩擦与磨损过程的研究、工艺过程的分析、面接触状态的探讨等，都要求对表面微观几何形状给出定量的描述。传统的接触式测量方法容易划伤工件表面，测量速度低，而且受测针半径限制影响其测量范围，不适合在线检测。

而采用光学非接触的测量方法可以弥补触针式测量仪器的不足，常见的光学测量方法有光散射法、光学散斑法、聚焦法、干涉测量法等。光学法测量表面粗糙度以被测表面的光学效应为基础，光源发射的光波通过光学系统平行或发散或会聚入射到被测件表面，被测件表面的反射光波反映了被测件的表面形状，反射光波的光学信息由各种类型的光电传感器和后处理电路予以接收、转换、运算、显示、记录等。本文采用基于激光散射原理的表面粗糙度测量方法，可实现对高精度零件表面粗糙度的无损检测和非接触在线快速检测，具有较高的经济价值。

1.1光在粗糙表面的散射现象

当一束光以一定的角度入射到粗糙物体表面时，根据光的几何原理，光线会被物体散射和反射， 散射光和反射光的强弱与物体的表面粗糙程度有关。反射光集中在一个很小的面积上，形成一个光斑；散射光分布在反射光斑的周围，形成由许多光点组成的光带。若物体表面比较光滑，反射光斑的光能比较强，散射光带比较窄；反之，若物体表面比较粗糙，反射光斑的光能比较弱，散射光带则比较宽。这一现象定性地说明了散射光能的强弱和物体表面的粗糙程度有关。本文通过研究散射光的光能分布定量地得到物体表面粗糙度的信息。

1.2表面粗糙度特征值 Sn

理论和实践都证明，散射光分布曲线的形状与表面粗糙度有关。以光散射理论为基础，利用光散射特征值法测量表面粗糙度。其原理是由于物体表面不是理想的光滑表面，所以当一束光照射到物体表面上时，除一部分光被反射外，另一部分光被散射， 形成一束离散光。研究表明，由被测物体表面反射、散射的离散光的强度呈高斯分布，其概率分布函数

式中,φ为散射角，I(φ)为散射角所对应的散射光强度。分布曲线的方差 S 为

式中，φ 为平均值

在实际测量系统中，是用 PMT接收散射光信号。由于测量孔径的限制，实际测量系统不可能也没必要接收整个空间（-Π/2，Π/2）的散射光，同时光电接收器阵列的各光敏单元也是离散的。这时 S 值应该用离散的散射光特征值 Sn 来表示

Sn 用于描述被测表面的散射光分布情况，称为 “光散射特征值”，可作为光散射法测量表面粗糙度 Ra 的数学模型。用已知表面粗糙度参数的试件作为 表面粗糙度标准样块，测得对应的 Sn 值，即可建立 光散射特征值和表面粗糙度（Sn- Ra）关系曲线，从 而实现利用光散射特征值法测量工件表面粗糙度。

1.3散射测量系统介绍

德国IOF散射仪整个测量系统由光源（紫外到红外可选）、光学测量系统、探测器系统和计算机数据处理系统组成。半导体激光器发出的光束经过准直聚焦后照射到被测工件表面，光束会发生反射和散射，用PMT接收工件表面的散射光，计算机采集数据并计算出光散射特征值 Sn，再换算成所需要的表面粗糙度评定参数，通过显示仪器显示出表面粗糙度参数 Ra。

该光路结构简单，容易调整，能轻易地调整入射光束的入射角度，在光路中加入扩束镜还可以方便地调整照在工件上的光斑。MLS5可以测量样品反射光，透射光，以及散射光分布的测量系统。其特点是对角度的灵敏度高，并且该系统可以测量三维空间中的散射分布。