表面粗糙度儀的工作原理
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表面質(zhì)量的特性是零件最重要的特性之一，在計量科學中表面質(zhì)量的檢測具有重要的地位。最早人們是用標準樣件或樣塊，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)研制成功第一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、應用最為廣泛的就是采用針描法原理的表面粗糙度測量儀。本文將詳細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，觸針尖端曲率半徑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的絕對值成正比，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，得到測量結果，測量結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，就要編制相應的計算機軟件，最好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過程中引入改進后的表面粗糙度儀，就實驗的直觀教學功能而言，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)測量結果及相關圖形能非常直觀地、準確地輸出在顯示器、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果的同時，還充分運用了直觀教學的原理，幫助學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上，采用計算機系統(tǒng)對其進行改進后，通過模-數(shù)轉換將模擬量轉換為數(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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