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表面粗糙度儀的工作原理
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發(fā)布日期：[2009-06-22] 共閱[2991]次 |
表面質(zhì)量的特性是零件zui重要的特性之一，在計量科學(xué)中表面質(zhì)量的檢測具有重要的地位。zui早人們是用標(biāo)準(zhǔn)樣件或樣塊，通過肉眼觀察或用手觸摸，對表面粗糙度做出定性的綜合評定。1929年德國的施馬爾茨（G.Schmalz）首先對表面微觀不平度的深度進行了定量測量。1936年美國的艾卜特（E.J.Abbott）研制成功*臺車間用的測量表面粗糙度的輪廓儀。1940年英國Taylor-Hobson公司研制成功表面粗糙度測量儀“泰呂塞夫（TALYSURF）”。以后，各國又相繼研制出多種測量表面粗糙度的儀器。目前，測量表面粗糙度常用的方法有：比較法、光切法、干涉法、針描法和印模法等，而測量迅速方便、測值精度較高、應(yīng)用的就是采用針描法原理的表面粗糙度測量儀。本文將詳細(xì)討論表面粗糙度測量儀的原理及其改進方案。
1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的工作原理
1.1 針描法
針描法又稱觸針法。當(dāng)觸針直接在工件被測表面上輕輕劃過時，由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸針將在垂直于被測輪廓表面方向上產(chǎn)生上下移動，把這種移通過電子裝置把信號加以放大，然后通過指零表或其它輸出裝置將有關(guān)粗糙度的數(shù)據(jù)或圖形輸出來。
1.2 儀器的工作原理
采用針描法原理的表面粗糙度測量儀由傳感器、驅(qū)動器、指零表、記錄器和工作臺等主要部件組成。
電感傳感器是輪廓儀的主要部件之一，其工作原理見圖2，在傳感器測桿的一端裝有金剛石觸針，觸針曲率半徑r很小，測量時將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅(qū)動器以一定的速度拖動傳感器。由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸狀在被測表面滑行時，將產(chǎn)生上下移動。此運動經(jīng)支點使磁芯同步地上下運動，從而使包圍在磁芯外面的兩個差動電感線圈的電感量發(fā)生變化。
圖3為儀器的工作原理主框圖。傳感器的線圈與測量線路是直接接入平衡電橋的，線圈電感量的變化使電橋失去平衡，于是就輸出一個和觸針上下的位移量成正比的信號，經(jīng)電子裝置將這一微弱電量的變化放大、相敏檢波后，獲得能表示觸針位移量大小和方向的信號。此后，將信號分成三路：一路加到指零表上，以表示觸針的位置，一路輸至直流功率放大器，放大后推動記錄器進行記錄；另一路經(jīng)濾波和平均表放大器放大之后，進入積分計算器，進行積分計算，即可由指示表直接讀出表面粗糙度Ra值。
指零表的作用反映鐵芯在差動電感線圈中所處的位置。當(dāng)鐵芯處于差動電感線圈的中間位置時，指零表指針指示出零位，即保證處于電感變化的線性范圍之內(nèi)。所以，在測量之前，必須調(diào)整指零表，使其處于零位。噪聲濾波的目的在于剔除一些干擾信號，如電氣元件的噪聲所引起的虛假信號。大量的測試表明，高于400Hz的信號即不是被測表面粗糙度所引的信號，必須從總信號中加以剔除。所以噪聲濾波器是一種低通（低頻能通過）濾波器，它使400Hz以下的低頻信號順利通過，而將400Hz以上的高頻信號迅速衰減，從而達(dá)到濾波的目的。波度濾波的目的則是用以濾掉距大于取樣長度的波度，因此它是一個高通（高頻能通過）濾波器，使表面粗糙度所引起的高頻（相對于波度引起的低頻而言）信號能自由通過。
經(jīng)過噪聲濾波和波度濾波以后，剩下來的就是與被測表面粗糙度成比例的信號，再經(jīng)平均表放大器后，所輸出的電流I與被測表面輪廓各點偏離中線的高度y的值成正比，然后經(jīng)積分器完成 的積計算，得出Ra值，由指零表顯示出來。
這種儀器適用于測定0.02-10μm的Ra值，其中有少數(shù)型號的儀器還可測定更小的參數(shù)值，儀器配有各種附件，以適應(yīng)平面、內(nèi)外圓柱面、圓錐面、球面、曲面、以及小孔、溝槽等形狀的工件表面測量。測量迅速方便，測值精度高。
2 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足
傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀存在以下幾個方面的不足：
（1）測量參數(shù)較少，一般僅能測出Ra、Rz、Ry等少量參數(shù)；
（2）測量精度較低，測量范圍較小，Ra值的范圍一般為0.02-10μm左右；
（3）測量方式不靈活，例如：評定長度的選取，濾波器的選擇等；
（4）測量結(jié)果的輸出不直觀。
造成上述幾個方面不足的主要原因是：系統(tǒng)的可靠性不高，模擬信號的誤差較大且不便于處理等。
3 對傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的改進
3.1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的改進方案
為了克服傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足，應(yīng)該采用計算機系統(tǒng)對其進行改進。例如，英國蘭克精密機械有限公司制造的“泰呂塞夫（TALYSURF）”10型和我國哈爾濱量具刃具廠制造的2205型表面粗糙度測量儀就采用了計算機系統(tǒng)，使其性能較之傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀有極大的提高。其基本原理如圖4所示，從相敏整流輸出的模擬信號，經(jīng)過放大及電平轉(zhuǎn)換之后進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計算機自動地將其采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波和計算，得到測量結(jié)果，測量結(jié)果及輪廓圖形在顯示器顯示或打印輸出。
要采用計算機系統(tǒng)對傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀進行改進，就要編制相應(yīng)的計算機軟件，采用比較直觀的菜單形式?？梢园慈鐖D5所示的菜單使用流程圖編制軟件：
3.2 改進后的表面粗糙度測量儀的功能及使用效果
由于采用計算機系統(tǒng)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行靈活的處理，顯著地提高了系統(tǒng)的可靠性，所以既大大增加了測量參數(shù)的數(shù)量，又提高了測量精度。例如：哈爾濱量具刃具廠制造的2205型表面粗糙度測量儀的測量參數(shù)多達(dá)二十六個，測量范圍為0.001～50μm，可任選1～5倍的取樣長度作為評定長度，測量結(jié)果及圖形在顯示器、打印機或繪圖儀上非常直觀地輸出來。它還采用了較為先選的可選擇的數(shù)字濾波器，它與模擬濾波器相比其特性更為準(zhǔn)確，且不會有元器件參數(shù)誤差帶來的影響。
另一方面，若在表面粗糙度儀測量實驗的教學(xué)過程中引入改進后的表面粗糙度儀，就實驗的直觀教學(xué)功能而言，也很有意義。改進后的電動輸廓儀，通過計算機軟件與硬件的結(jié)合（尤其是軟件）大大加強了實驗過程的直觀性，這體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）整個實驗過程非常直觀地通過軟件的各級菜單進行控制。操作簡單、一目了然。
（2）輸入與顯示同步，即在測量進行過程的同時，觸針在被測表面上滑行的軌跡動態(tài)地顯示在計算機屏幕上。
（3）測量結(jié)果及相關(guān)圖形能非常直觀地、準(zhǔn)確地輸出在顯示器、打印機或繪圖儀上。
很顯然，以上這些直觀的教學(xué)效果是其它傳統(tǒng)的表面粗糙度測量實驗方法所不具備的。它在得到正確的測量結(jié)果的同時，還充分運用了直觀教學(xué)的原理，幫助學(xué)生加深對表面粗糙度的概念及其各種參數(shù)的直觀理解。
4 結(jié)束語
（1）傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀由傳感器、驅(qū)動器、指零表、記錄器和工作臺等主要部件組成，從輸入到輸出全過程均為模擬信號。而在傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀的基礎(chǔ)上，采用計算機系統(tǒng)對其進行改進后，通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入計算機進行處理，使得儀器在測量參數(shù)的數(shù)量、測量精度、測量方式的靈活性、測量結(jié)果輸出的直觀性等方面有了極大的提高。
（2）從前面的分析知，整個改進方案并不復(fù)雜，因此對于目前仍廣泛使用的傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀的改進具有一定的意義。
（3）隨著電子技術(shù)的進步，某些型號的表面粗糙度儀還可將表面粗糙度的凹凸不平作三維處理，測量時在相互平行的多個截面上進行，通過模-數(shù)變換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入計算機進行數(shù)據(jù)處理，記錄其三維放大圖形，并求出等高線圖形，從而更加合理的評定被測面的表面粗糙度。 |
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