表面粗糙度测量方法综述

高海霞

（安徽工业经济职业技术学院，合肥 230041）

表面粗糙度又称表面光洁度，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，是用来评价工件表面制造质量的重要指标[1]。表面粗糙度的测量方法可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法主要基于触针描绘，一般主要包括比较法、印模法和触针法等；非接触式测量主要基于光学原理，主要测量方法分为光切法、实时全息法、散斑法以及原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）等[2]。本文就接触式和非接触式两类测量方法分别进行综述与讨论。

1 接触式测量

1.1 目测比较法

目测比较法是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[3]。这种测量方法常用于生产车间的现场测量环节，是一种简单、方便的常规传统测量方法。实际的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：当表面粗糙度＞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＜0.4 μm时，需要借助显微镜进行对比判断。

1.2 印模法

印模法属于一种间接测量方法。测量时，需要将工件表面的轮廓印模，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。操作方法是利用一些无流动性和弹性的塑料类材料贴合在被测表面，将被测表面的轮廓复制成模，然后测量印模，从而得出被测表面的粗糙度。因为印模表面的峰谷值总是小于实际工件表面的峰谷值，所以需要修正测量结果。它的修正系数与材料有关，应由实验来确定。

1.3 触针法

触针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。常见的测量仪器是电动轮廓仪，利用微米级触针在被测工件的表面缓慢滑动。滑动过程中，触针会随着工件表面的高低起伏出现上下位移，将这些微小的位移量经过传感器转换成电信号，电信号经放大、滤波和运算后能在电动轮廓仪的显示器上显示实际表面粗糙度的相关参数[4]。有的电动轮廓仪不仅能得出表面粗糙度的数值，还能得出工件表面的轮廓曲线。

接触式测量中，轮廓曲线可以直观反映被测表面的信息，具有较高的准确性和可靠性。然而，接触式测量也有缺点。例如：当触针探头与被测工件表面直接接触时，可能会影响表面精度；若操作不当，也容易损坏探头。因此，接触式测量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。

2 接触式测量

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。它的测量原理是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°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。然后，将这些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。传统的光切显微镜由于用人眼观测轮廓曲线而精确度不高[5]，因此采用电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）摄像头代替人眼，通过一系列数字图像处理后得出的数据更加精准。光切法测量光学系统示意图，如图1所示。与接触式测量相比，光切法测量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。这种方法已经被广泛使用，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。

图1 光切法测量光学系统

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，它的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[6]。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，实时全息光路图如图2所示。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会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，配合计算机图像处理系统快速处理图像。

图2 实时全息光路图

2.3 散斑法

散斑法和光切法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而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。因为光照射到工件表面会产生散射现象，所以散斑图案由散斑和散射光带共同组成。它的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

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。AFM具有超高分辨率，能满足微小尺寸的测量要求。它的工作原理是基于原子和原子之间的作用力，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，而探针与元件表面间距大小和原子力的大小有一定的曲线关系。AFM的光电探测器把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这3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。

3 结语

目前，表面粗糙度测量的发展主要分为3个方向。第一，由于传统的粗糙度测量方法在精度上不能满足现代高精度的需求，使粗糙度测量方法向着更高精度发展。第二，随着立体复杂工件的增多，对三维表面粗糙度测量的要求不断提高。第三，由于加工后再抽样测量的方法不能满足生产需要，促使测量方式向着实时在线测量的方向发展。因此，超高精表面的高精度测量、三维立体表面的粗糙度测量以及实时在线粗糙度测量将是粗糙度测量技术发展的重要方向。