長度計(jì)量基礎(chǔ)知識講座(三十五)

顧耀宗/上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

第三十五講 觸針式表面粗糙度測量儀

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

觸針式表面粗糙度測量儀（以下簡稱儀器）通常由底座、傳感器、驅(qū)動器、電子信號處理裝置、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等部分組成。圖1為常用儀器結(jié)構(gòu)示意圖。

儀器驅(qū)動箱可通過頂部水平調(diào)節(jié)鈕作±10°的水平調(diào)整,內(nèi)部安裝了一個(gè)40 mm行程的高精度直線基準(zhǔn)導(dǎo)軌，傳感器可沿導(dǎo)軌做直線運(yùn)動。儀器配置專用測量軟件，可選定被測零件的不同位置，設(shè)定各種測量長度進(jìn)行自動測量。評定段內(nèi)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)達(dá)3000個(gè)。電腦和打印機(jī)可顯示或打印各種粗糙度參數(shù)及輪廓的支承長度率曲線等。

儀器的驅(qū)動器帶動傳感器沿被測表面做勻速滑行，傳感器通過銳利觸針感受被測表面的幾何形狀變化，并轉(zhuǎn)換成電信號。該信號經(jīng)放大和處理，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號貯存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存貯器中。計(jì)算機(jī)對此原始輪廓進(jìn)行數(shù)字濾波，分離出表面粗糙度并計(jì)算其參數(shù)。測量結(jié)果由顯示器輸出，也可由打印機(jī)輸出。

2 儀器的主要技術(shù)特征

2.1 觸針和測量力

觸針針尖的尺寸和形狀是影響獲取表面輪廓信息是否真實(shí)的首要因素。然而，實(shí)際輪廓的真實(shí)性不僅與觸針針尖半徑和形狀以及被測表面的加工溝槽有關(guān)，而且與觸針的測量力、傳感器的移動速度以及被測表面的硬度等因素有關(guān)。為使儀器能適應(yīng)用于測量較深谷底和較小的峰谷間距，并保持一定的移動速度，必須給觸針施加一定的測量力，以保證觸針與被測表面在測量過程中始終保持接觸。

2.2 測量基準(zhǔn)

傳感器觸針的運(yùn)行軌跡必須沿著被測表面基本平行的基準(zhǔn)線移動，才能獲得真實(shí)的被測輪廓形狀。儀器建立測量基準(zhǔn)的方式有獨(dú)立測量基準(zhǔn)和相對測量基準(zhǔn)兩類。獨(dú)立測量基準(zhǔn)是使傳感器沿直線或一定的弧形線移動；相對測量基準(zhǔn)是利用與傳感器殼體安裝成一體的導(dǎo)頭，支承在被測表面上，所測得的輪廓信息是觸針相對于導(dǎo)頭的垂直位移量。

2.3 濾波器和傳感器的移動速度

圖1 觸針式表面粗糙度測量儀結(jié)構(gòu)示意圖

儀器利用濾波器來消除或減弱表面波紋度對表面粗糙度測量結(jié)果的影響，并采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的取樣長度數(shù)值作為截止波長，用“Cut-off”表示。

由觸針獲取并轉(zhuǎn)換為電信號的頻率f取決于微觀不平度間距s和傳感器的移動速度v，f = v/s ，這表明傳感器的移動速度與截止波長有關(guān)。

3 儀器的種類

根據(jù)傳感器原理的不同，觸針式表面粗糙度測量儀可分為電感式、壓電式、光電式、激光式和光柵式等。

根據(jù)測量基準(zhǔn)的不同，觸針式表面粗糙度測量儀可分為帶導(dǎo)頭式和無導(dǎo)頭式。帶導(dǎo)頭式儀器只能用于測量表面粗糙度，無導(dǎo)頭式儀器不僅可測量表面粗糙度，還可測量表面波紋度和表面形狀。

根據(jù)儀器的結(jié)構(gòu)、外形、重量和使用方法的不同，觸針式表面粗糙度測量儀還可分為臺式和便攜式兩種。臺式儀器一般帶有大理石底座，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝夾、調(diào)整方便，測量準(zhǔn)確度高，通常用于實(shí)驗(yàn)室。便攜式儀器結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，通常用于加工現(xiàn)場。

4 儀器計(jì)量特性的校準(zhǔn)

4.1 儀器校準(zhǔn)項(xiàng)目和計(jì)量特性

儀器校準(zhǔn)項(xiàng)目和主要計(jì)量特性要求見表1。

表1 校準(zhǔn)項(xiàng)目和計(jì)量要求

4.2 校準(zhǔn)方法

4.2.1 殘余輪廓

選用儀器最小量程和最大放大倍數(shù)，對1級平面平晶進(jìn)行測量，讀取Ra值。殘余輪廓是由導(dǎo)向基準(zhǔn)的偏差、外部和內(nèi)部的干擾、輪廓傳輸中的偏差等因素造成的，又稱虛假信號、虛假輪廓。

4.2.2 示值誤差

采用一組多分度線標(biāo)準(zhǔn)樣板，在相應(yīng)量程和取樣長度分別對其進(jìn)行測量。在樣板工作區(qū)域內(nèi)的三個(gè)不同位置各測量3次，取其平均值，按下式計(jì)算儀器的相對示值誤差δRa。

式中：Ra ─ 測量值的平均值；

Ra0─ 多刻線標(biāo)準(zhǔn)樣板檢定值。

4.2.3 示值重復(fù)性

在小量程高放大倍數(shù)條件下，選用一塊相應(yīng)的多刻線標(biāo)準(zhǔn)樣板，對樣板某一固定位置重復(fù)測量10次，其最大值與最小值對測量平均值的百分比即為示值重復(fù)性。

4.2.4 示值穩(wěn)定性

在小量程高放大倍數(shù)條件下，選用一塊相應(yīng)的多分度線標(biāo)準(zhǔn)樣板，在一固定位置上，每小時(shí)按示值重復(fù)性的要求測量一次，共測4次。4 h后，再按示值誤差的要求測量一次。儀器連續(xù)工作4 h后，仍能滿足示值誤差和示值重復(fù)性的要求。