表面粗糙度测量方法_接触式与非接触式原理与分类

表面粗糙度是指工件表面所具有的较小间距和峰谷组成的不平度微观几何形状的尺寸特性，是描述表面微观形貌最常用的参数。表面粗糙度的测量方法基本上可分为接触式测量和非接触式测量两类。在接触式测量中主要有比较法、印模法、触针法等;非接触测量方式中常用的有光切法、实时全息法、散斑法、像散测定法、光外差法、AFM、光学传感器法等。

本文就接触式和非接触式两类测量方法分别进行讨论。

一、接触式测量方法

1.1 比较法

比较法是车间常用的方法，它通过人眼直接判断中等以上大小和较粗糙的工件表面粗糙度的方法，是一种简单、方便的常规传统测量方法，但容易产生较大误差。实际测量过程是将待测工件与标有一定粗糙度的标准工件进行对比，以此确定待测工件的表面粗糙度。

目测比较法的测量标准为：当表面粗糙度大于 1.6 μm 时，可用肉眼直接对比判断；当表面粗糙度在 0.4~1.6 μm 时，可利用放大镜进行对比判断；当表面粗糙度小于 0.4 μm 时，需要借助显微镜进行对比判断。

1.2 印模法

印模法属于间接测量方法，通常应用于大型零部件或工件内表面等不易直接测量的情况。操作方法为：利用某些塑性材料作块状印模,贴合在被测表面上,取下后在印模上存有被测表面的轮廓形状,然后对印模的表面进行测量。这种方法测量精度不高且过程繁琐。

1.3 触针法

触针法又称针描法，是采用金刚石微米级触针测量被测工件表面粗糙度的最常用接触式测量方法，常见的测量仪器是电动轮廓仪。其原理是：利用微米级触针在被测工件表面缓慢滑动，滑动过程中触针随工件表面的高低起伏产生上下位移，这些微小位移量经传感器转换成电信号，电信号经放大、滤波和运算后，在电动轮廓仪显示器上显示实际表面粗糙度的相关参数。部分电动轮廓仪不仅能得出表面粗糙度数值，还能得出工件表面的轮廓曲线。

接触式测量的优点是轮廓曲线可以直观反映被测表面信息，具有较高的准确性和可靠性。其缺点包括：触针探头与被测工件表面直接接触时可能影响表面精度；操作不当容易损坏探头；不适用于大规模长时间测量、高精度工件表面测量、软质表面测量以及快速测量等情况。

二、非接触式测量方法

2.1 光切法

光切法是利用光切割原理测量工件表面粗糙度的方法，常用的仪器是光切显微镜。其测量原理为：将仪器发出的平行或发散激光以一定角度照到被测工件表面（一般入射角度和反射角度的夹角为 90° 时效果最好），得到的光带与工件表面轮廓相交的曲线影像即为表面的微几何形状，再将光学信息通过光学传感器和电子电路进行接收、转化以及记录，最后得出工件表面的粗糙度数值。

传统的光切显微镜因用人眼观测轮廓曲线而精确度不高，采用电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）摄像头代替人眼后，通过一系列数字图像处理得出的数据更加精准。与接触式测量相比，光切法能避免因接触工件表面而出现的损坏问题，且测量速度快、操作便捷，已被广泛使用。目前的研究方向是通过改善测量装置和误差算法，不断提高表面粗糙度数值的精确度。

2.2 实时全息法

实时全息法是全息干涉技术中的主要方法之一。与传统方法相比，其优势是能实时展示动态测量结果，不仅能得到测量表面的微小形变，也能实时反映动态产生的微小形变。实时全息法能够测量任意形状和表面粗糙度的三维物体，关键技术点是动态分析由再现光场和实时光场的相关性形成的干涉条纹——当物体产生动态形变时，原参考光和变化后的物光叠加后会引起原干涉条纹的实时变化。

实时全息干涉法具有全场、实时、非接触、条纹对比度好以及测量精度高等特点，因此应用广泛。目前，实时全息干涉法通常结合闭路电视系统实时显示干涉条纹，配合高速摄像装置记录干涉条纹的变化，并配合计算机图像处理系统快速处理图像。

实时全息法原理

2.3 散斑法

散斑法与光切法都不是直接测量粗糙度的方法，而是通过测量干涉光的空间分布和散射强度来推测粗糙度的相关参数。散斑法测量会产生干涉效应：当一束相干光照射到被测表面时，工件表面不同部位的反射光会发生干涉，形成强度分布为粒状的散斑，之后对散斑进行统计，从而计算出工件表面的粗糙度数值。

由于光照射到工件表面会产生散射现象，散斑图案由散斑和散射光带共同组成，其亮度分布和对比度等均与工件表面的粗糙度有关。

2.4 原子力显微镜（AFM）

在测量精度非常高的光滑平面时，测量仪的分辨率要达到纳米级，原子力显微镜（AFM）具有超高分辨率，能满足微小尺寸的测量要求。其工作原理基于原子与原子之间的作用力：用尖锐的微探针垂直逼近样品表面至纳米级甚至更小时，微探针的原子和元件表面的原子会产生原子力，且探针与元件表面的间距大小和原子力的大小存在一定的曲线关系；AFM 的光电探测器将这种原子作用力信号转换为电信号，从而通过原子力获得元件表面的微观面貌。

AFM 的扫描控制台有 X、Y、Z 三个方向，因此获得的三维信息能在保证分辨率的同时获得更大的扫描范围。

AFM 工作原理图

2.5 白光干涉法

白光干涉法结合光学干涉原理与计算机图像处理技术， 通过扫描零件表面可获取三维形貌信息。 其工作原理如图下图。

光源发出的光经聚光镜后形成一束平行光， 被分光镜分为参考光束和测量光束； 两束光分别经参考面和测量面反射后汇合， 产生干涉现象； 干涉条纹的零光程差位置形成的干涉图像， 可反映工件表面的起伏状态； 计算机对工件每个点位的干涉图像进行处理，最终生成整个被测表面的形貌数据。优可测白光干涉仪AM系列采用的便是这种测量方式，可用于对各种精密器件及材料表面进行亚纳米级测量，以“面”的形式获取表面3D形貌，通过专用软件对3D形貌进行处理和分析，RMS重复性可达0.002nm。区别于触针式测量， 白光干涉法对于Ｒz参数测量结果显著提升，核心原因是两种方法的测量原理存在本质区别———白光干涉法可探测表面尖峰与尖谷， 而触针法存在测量局限性。