光纤表面粗糙度检测系统的研究

张成云，刘佐濂，揭 海，郑 佳，吴伟豪

(广州大学，广东 广州 510006)



光纤表面粗糙度检测系统的研究

张成云，刘佐濂，揭 海，郑 佳，吴伟豪

(广州大学，广东 广州 510006)

基于传光型光纤传感器，利用反射式光强调制原理，设计了一套材料表面粗糙度的检测系统。整个系统包含光源、Y型光纤束、反射调节控制装置和数据采集部分，采用单片机作为控制系统。分析了光纤束端面与检测样品距离的变化对检测结果的影响。

光纤传感器；表面粗糙度；光散射

表面粗糙度在机械加工中描述表面微观形貌十分重要的一个参数。目前常见的表面粗糙度测量方法分为接触式和非接触式两类，包括触针法、光切法、散斑法、光学传感器法和AFM等[1]，这些方法各有优缺点，随着现代加工技术的不断提高，精密检测技术不断向高精度方向发展，但检测设备的价格也就不断上升。基于光纤传光的反射式表面粗糙度检测方案可以实现在线自动测量，具有较高的性价比[2]。

1 检测系统设计

传光型光纤表面粗糙度检测系统框图如图1所示[3]。

图1 光纤表面粗糙度检测系统框图

用白光LED作为检测用光源，白光耦合进Y型光纤的入射端，由光纤束端面出射照射到待测样品表面，发生反射和散射，样品表面越粗糙，散射光越强，经由光纤束端面耦合进光纤的光就越多，所以耦合进光纤的光强就包含了样品表面粗糙度的信息，包含待测信息的光经过出射光纤被光电二极管探测，反向偏置的光电二极管将光强信号转换为电流信号，最终通过运放转换为电压信号。被测样品固定在微动工作台上，可沿着光传输方向微调[4]。

采用STC89C52作为控制器，电压信号经过AD转换和控制器处理后，最终通过液晶显示器显示。由于是基于反射式光强的检测原理，所以光源的稳定性尤为重要，为此需要给白光LED提供恒定的稳压电源，以保证光强的稳定性，减少对测量结果的影响。

Y型光纤如图2a所示,光纤束端面采用同心圆分布结构，光纤束端面的实物和结构示意图分别如图2a内插图(红色圈内)和图2b所示,圆心处为入射光纤束(蓝色所示)，同心圆环处为出射光纤束(红色所示)。

图2 a)Y型光纤束实物图；b)光纤束端面结构示意图

2 待测样品的处理

可以看出测量过程中需要微调被测样品和光纤束端面的距离，为此在螺旋测微头的一端固定一个圆盘，待测样品通过磁铁吸合在固定圆盘上，螺旋测微头通过支架水平固定在底盘上，测量过程中通过螺旋测微头来微调待测样品和光纤探头的距离。样品处理时，使用了六种不同目数的砂纸对铝膜的表面进行研磨加工，分别是80目、220目、600目、1 200目、2 000目、2 500目以及5 000目，可以得到7个表面粗糙程度不同的待测样品，通过蔡司显微镜观测不同粗糙度的铝箔样品，得到的光学显微镜图片(20×)如图3所示，可以看出，使用研磨砂纸的目数越高，样品表面越光滑。

图3 不同粗糙度铝箔样品光学显微镜图片

本文的粗糙度通过不同目数的砂纸上颗粒大小来表征，目数简单定义为1英寸长度中的筛孔数目，即1英寸的单位长度内排列的颗粒数量，利用下列公式计算不同目数砂纸上的颗粒大小：

D=15400/M

式中D为颗粒直径大小，单位为μm，M为目数。则不同目数的砂纸表面的颗粒粒度大小由粗到细分别为：192.5 μm，70 μm，25.67 μm，12.83 μm，7.7 μm,6.16 μm，3.08 μm，用于表征研磨处理的铝箔的表面粗糙度。

3 实验结果

测量不同粗糙度的样品得到的输出电压信号如图4所示。

图4 不同粗糙度的铝箔样品输出的电压信号

对同一个样品，测量距离由0逐渐增加，输出电压信号也由0逐渐增加到最大值后又逐渐减小，对应耦合到出射光纤的光信号的变化趋势，而在极大值附近输出的电压信号变化缓慢。不同粗糙度的样品的测量结果显示表面越光滑的样品输出的电压信号也比较大，但整体变化趋势一致，所有测量的样品在距离 处都有极大值，表明在此位置处耦合效率最高，测量灵敏度最大，因此对于铝合金样品的微调位置为 处。取出所有样品在此位置的输出电压极值，得到粗糙度和电压信号的对应曲线如图5所示。

图5 粗糙度和电压信号的对应曲线

图中的点表示实测的不同粗糙度所对应的输出电压极值将不同粗糙度的待测样品置于测量位置，测出电压信号，通过编写上述方程的程序，在控制单元计算出粗糙度的数值。

4 结 论

基于反射式光强调制的光纤粗糙度检测系统，具有快速、在线、非接触检测和较高性价比的优点，利用简易的螺旋测微装置实现位置的微调，提高测量灵敏度。为工业生产中表面粗糙度的检测提供了方便快捷的检测方法。

[1] 刘斌,冯其波，匡革方.表面粗糙度测量方法综述[J].光学仪器，2004,26(5)：54-58.

[2] 孙圣和，王廷云，徐影.光纤测量与传感技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大些出版社,2007：98-99.

[3] 张晓鹏，韩仁学，张杨，等.大学物理实验教学改革方案设计与实践[J].大学物理实验，2015(2)：114-116.

[4] 任俊山.物理综合性实验研究[J].大学物理实验，2015(1)：104-106.

Research of Surface Roughness Detection System Based on Fiber

ZHANG Cheng-yun,LIU Zuo-lian,JIE Hai,ZHENG Jia,WU Wei-hao

(Guangzhou University,Guangdong Guangzhou 510006)

The design of a surface roughness detection system is based on light-transmitting fiber-optic sensor and the principle of reflecting and optical intensity modulating.The whole system,by single chip microcomputer as the control system,includes light source,Y-type fiber bundle,reflection adjustment control device and data acquisition section.It analyzes thatthe change of distance between the fiber bundle end face and thetesting samples has a marked impactontest results.

fiber；surface roughness；detection system

2016-06-02

广州大学2015年度大学生创新训练项目(201511078064)；广州大学2015年度教育教学研究项目一般项目(JY201548)

1007-2934(2016)05-0030-03

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.008