刮板細度計非接觸測量數據處理研究

金挺，陳挺

(浙江省計量科學研究院，浙江 杭州310018)

0 引言

刮板細度計是一種測量顆粒大小為微米量級的計量器具,廣泛應用于化工等領域[1]。刮板細度計的檢定工作依據JJG 905-2010《刮板細度計檢定規程規定》開展,示值誤差項目采用電感測微儀進行測量,表面粗糙度采用表面粗糙度比較樣塊或粗糙度測量儀進行測量。

針對目前采用電感測微儀接觸測量所存在的接觸點尺寸較大導致定位不準確、測量時磨損接觸表面等不足,文獻[2]提出了一種基于光譜共焦傳感器的刮板細度計非接觸測量方式[2]。光譜共焦傳感器是一種高準確度、非接觸式新型亞微米級位移傳感器[3-6],被廣泛應用于超精密幾何量[7]、膜厚測量[8-9]、表面結構掃描[10-11]、表面粗糙度測量[12]、航空發動機測量[13]、圓度測量[14]等領域,已成為近年來研究的熱點。采用光譜共焦位移傳感器進行非接觸測量時,需要對掃描得到的數據進行處理才能解算出檢定項目的結果。

本文對刮板細度計非接觸測量數據處理方法進行研究,利用高斯濾波對數據進行處理分析,并利用最小二乘法擬合,同時得到刮板的示值誤差及表面粗糙度兩個檢定項目的測量結果。將解算結果與電感測微儀的直接測量數據進行比對,驗證本文提出的數據處理算法的可行性和準確性。

1 高斯濾波原理

高斯濾波是國際16610-21標準及國內GPS體系中GB/T18777規定的表面粗糙度評定所用的濾波方法[15-16]。其濾波原理為:在對某一點數據進行濾波時,利用高斯權函數對該點和該點前后一定寬度內的數據進行加權,再將加權后的值進行累計,即可得到濾波后的數據。高斯濾波的權函數為

式中:a為常量;λc為截止波長;t為空間域變量。

高斯濾波中線w(x)可由高斯權函數與原始輪廓數據y(x)卷積得到

設每段取樣長度l內采樣點數為N,則對公式(2)進行離散化處理可得

求得高斯濾波中線w(i)后,對此中線進行最小二乘法擬合,計算任意掃描點到擬合直線的距離即可得出刮板細度計的示值誤差測量結果。利用原始輪廓信號y(i)減去高斯濾波中線w(i)后,可得粗糙度信號r(i),按照表面粗糙度常規計算方法,即可得出刮板細度計刮板的粗糙度值。

2 實驗結果

2.1 系統搭建

基于光譜共焦技術,針對刮板細度計刮板的斜槽面搭建了非接觸掃描測量裝置。選用法國STIL公司的CL系列光譜共焦位移傳感器,其測量范圍為0～400μm,樣品斜率±28°,準確度為45 nm,測量光點直徑為5μm。運動平臺選用美國Aeroteck高精度納米級定位直線平臺,型號為ANT130,運動行程為160 mm,單方向重復性為±0.025μm,最小步進為0.01μm。上位機采用LabVIEW軟件平臺進行運動控制及數據處理。搭建的測量裝置如圖1所示。

圖1 非接觸掃描測量裝置實物圖

2.2 高斯濾波處理

將刮板細度計放置于五維調整架工作臺表面,并調整到合適位置,使光譜共焦傳感器測量光點落在深度值為90μm的刻線附近,沿平行于刻線的方向行進掃描。掃描得到5848組幅值和橫向位移數據。原始輪廓數據如圖2所示。

圖2 原始輪廓掃描結果

利用高斯濾波對此原始輪廓進行濾波處理,擬分離出粗糙度信號。濾波結果如圖3所示。

圖3 整段掃描數據高斯濾波后結果分析

由圖3可知,高斯濾波中線偏離實際輪廓較多,表明常規高斯濾波不適用于階躍陡峭的輪廓表面的處理[17]。鑒于此,對圖2輪廓線中左上平面、斜槽底平面、右上平面數據分別進行高斯濾波處理。以右上平面為例,高斯濾波處理結果如圖4所示。處理后得到的左邊上平面、右邊上平面、斜槽底平面的表面粗糙度Ra值分別為0.187,0.141,0.323,符合規程對此項目的要求。

圖4 右上平面掃描數據高斯濾波后結果分析

2.3 中線數據的進一步處理

將高斯濾波中線作為對刮板細度計表面結構輪廓的表征,采用最小二乘法[18]進行進一步處理。設理想擬合直線為

式中:k,b分別為擬合直線的斜率和截距;x為橫向位移值;y為幅值,也為高度或者為深度值。

對三段高斯濾波中線進行最小二乘法擬合,得到左上平面、右上平面、斜槽底平面的三條擬合直線分別為

由結果可見,左上平面直線y1、右上平面直線y2的傾斜角度分別為0.2831°,0.2836°,兩條直線傾斜度相差1.8″,此差異可忽略不計。因此可以將兩條直線擬合為同一條直線,作為解算斜槽底面深度的基準線。擬合結果為

2.4 示值誤差最終處理結果

按照規程要求,將刮板的上表面作為基準平面,解算斜槽底面的深度。以擬合的y基準線作為基準,任意坐標點到直線的距離計算公式為

式中:k,b分別為基準直線的斜率和截距;Di為斜槽底面的深度值;(xi,yi)為斜槽底面掃描點的坐標值。斜槽底面深度標稱值為90μm的示值誤差計算結果為0.27～1.97μm,如圖5所示。規程規定此項目檢定的最大允許誤差(MPE)為±2.5μm,測量結果符合規程要求,且提供了斜槽深度的更多細節,反映了此刻線處斜槽底面的深度變化情況。

圖5 90μm刻線處斜槽底的示值誤差處理結果

應用Mahr公司型號為M1240的電感測微儀,采用量程 為±200μm,分 辨 力 為0.01μm,MPE為±0.08μm的檔位,按照規程規定的檢定方法,在90μm刻線點測得相對應位置附近幾個離散點的示值誤差結果分別為0.2,0.6,1.8,1.6,2.3,1.8μm,與利用本文提出的方法對刮板細度計非接觸測量數據進行處理后的結果比對如表1所示。

表1 不同測量方法示值誤差比對結果 μm

根據表1可知,利用本文提出的方法對刮板細度計非接觸測量數據進行處理后的結果與高準確度電感測微儀測得的結果差異很小,可證明本文提出的數據處理方法準確可靠。

3 結論

針對刮板細度計深度測量的非接觸掃描數據處理問題,使用高斯濾波方法進行分段濾波,解決深谷或者臺階的邊界畸變問題,分離出粗糙度信號及表面波紋度信號。將刮板細度計左右平面的兩條直線擬合為一條直線,作為深度測量的基準線,求得斜槽面掃描點至基準線的深度值,得到斜槽面深度標稱值為90μm的示值誤差為0.27～1.97μm。與電感測微儀接觸測量所得數據進行比對,驗證了本文提出的刮板細度計非接觸測量數據處理方法的可行性與準確性。未來將進一步開展刮板的平面度和橫向直線度兩個檢定項目的數據處理方法研究。