金屬表面粗糙度的白光干涉法測量實驗研究

趙 樂 姬寧博 李高益

（西安工業(yè)大學，陜西 西安710021）

1 概述

金屬表面的微觀形貌的測量一般分為接觸式和非接觸式測量[1]，接觸式測量具有測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測量范圍大等優(yōu)點，但接觸式測量在測量時由于觸針與被測表面一直處于接觸狀態(tài)，會存在劃傷被測件表面的問題[2]，而非接觸測量具有非接觸、效率高等優(yōu)點，目前很多非接觸測量法的主要問題無法達到傳統(tǒng)測量法的精度，且測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。而白光干涉儀是一種高精密的輪廓測量儀器[3]，為了探究白光干涉儀測量表面粗糙度的可行性，本文使用白光干涉儀對已經(jīng)標定好Ra 值的立銑和平磨粗糙度樣塊分別進行實驗，對比測量結(jié)果，探究白光干涉法在測量金屬表面粗糙度的精度等級，分析其測量的優(yōu)缺點。

2 白光干涉儀的測量原理

白光干涉儀是結(jié)合傳統(tǒng)的光學顯微鏡和白光干涉的組件組成[4]。該儀器可以進行3D 表面檢測，表面粗糙度檢測等[5]。白光干涉儀的原理是利用白光相干性短不容易發(fā)生干涉，從而形成低相干性的白光干涉波，被測物體表面的高低起伏都會在CCD 相機中的每一個像素點上形成不同干涉波，求取干涉波為零光程差的位置，就可以知道每個像素點上干涉波所映射的高度信息，從而求出被測物的表面形貌信息[6]。

3 白光干涉儀測量實驗結(jié)果

3.1 測量對象

為了確定白光干涉儀測量精度，選擇已經(jīng)標識粗糙度的立銑樣塊和平磨樣塊作為測量對象。

3.2 實驗器材選擇

根據(jù)實驗室現(xiàn)有的美國ZYGO ZEGAGE 3D 光學表面輪廓儀對粗糙度樣塊進行測量，實驗儀器如圖1 所示。

3.3 白光干涉儀測量數(shù)據(jù)

圖1 ZYGO ZEGAGE 3D 光學表面輪廓儀

在測量時首先需要根據(jù)所測的粗糙度樣塊選擇合適的無限共軛干涉物鏡，不同的物鏡具有不同的工作距離，安裝好物鏡之后需要先驗證測量平臺是否水平，可以用陶瓷量塊進行測量，在移動樣塊時其測量的數(shù)據(jù)若沒有上升或者下降的趨勢說明測量臺是調(diào)平的，然后對粗糙度樣塊進行實驗，根據(jù)選取的物鏡調(diào)整合適的測量工作距離，軟件中有幾種速度調(diào)節(jié)可供選擇，我們使用旋鈕調(diào)整到合適的距離之后，使用最慢速進行調(diào)焦，當光全部調(diào)整在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)就完成了調(diào)焦，劃分測量方向就可以得到該測量方向上的粗糙度數(shù)值。

3.3.1 立銑樣塊數(shù)據(jù)（如圖2）

使用白光干涉儀測量立銑粗糙度樣塊時，從繪制的輪廓曲線可以看出測量趨勢基本滿足樣塊的輪廓趨勢，根據(jù)計算的Ra 值可以看出，極差值很小，測量數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，把四次測量的平均值作為測量值，與標定的值進行對比誤差很小，測量精度很高。可以完成對立銑樣塊的精密測量。

3.3.2 平磨樣塊數(shù)據(jù)

圖2 立銑輪廓圖

使用白光干涉儀測量平磨粗糙度樣塊時，因平磨樣塊的輪廓曲線不固定因此只參照Ra 值，根據(jù)計算的Ra 值可以看出，極差值很小，測量數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，把四次測量的平均值作為測量值，與標定的值進行對比發(fā)現(xiàn)隨著測量精度等級的提高，當測量Ra=0.1um 的平磨樣塊時，測量的值跳動變大，和樣塊本身的標定值相差較大，不能準確的進行測量。

4 結(jié)論

白光干涉儀用來測量立銑粗糙度樣塊時，繪制的輪廓曲線與真實輪廓基本一致，測量樣塊的Ra 值比較穩(wěn)定，極差很小，分辨率很高。可以準確的對立銑樣塊進行測量，當測量平磨樣塊時，可以基本繪制出樣塊的輪廓曲線，根據(jù)測量的Ra 值可知隨著測量精度等級的提高，當測量Ra=0.1um 的平磨樣塊時，測量的值為0.179um，與標定值相差很大，白光干涉儀基本能滿足金屬表面測量要求，可以達到傳統(tǒng)測量精度。

表1 測量立銑樣塊的數(shù)據(jù)

表2 測量平磨樣塊的數(shù)據(jù)