摘 要

表面粗糙度是机械加工制作中一个非常重要的概念，表面粗糙度将会影响到工件的性能，而随着表面要求的不断提高，对表面粗糙度的测量精度也随着提高，传统的触针式表面粗糙度测量仪采用机械触针扫描待测表面，测量结果比较稳定可靠，但是随着加工质量的提高，传统的触针式测量方法将会对表面要求很高的零件造成划痕，影响工件的性能，本论文设计了一种光纤式表面粗糙度测量仪，相对于传统的机械式测量方法这种方法可以有效的避免被测表面被划伤。

本论文对基于光纤的表面粗糙度测量系统的原理以及结构进行了详细的介绍，本系统通过外观表面轮廓对光信号的调制来实现对表面粗糙度的测量，运用了虚拟仪器的思想，通过Labview软件进行整个系统的设计以及仿真，整个系统测量精度高，测量速度快，有很大的发展前景。

关键词：表面粗糙度，虚拟仪器，光纤，强度调制，耦合效率。

Abstract

The surface roughness is mechanically manufacture a very important concept, the surface roughness will affect the performance of the work, and with the continuous improvement of the quality of processing, surface roughness measurement accuracy along with the increase, the traditional stylus surface roughness measuring instrument mechanical stylus scanning surface to be measured, the measurement results more stable and reliable, but with the improvement of processing quality, traditional stylus measurements will be on the surface of demanding parts caused by scratches, impact performance of the work, this paper designed a fiber-type surface roughness measuring instrument, as opposed to the traditional mechanical measurement method this method can effectively prevent the surface from being scratched.

In this paper, based on the fiber surface roughness measuring system principle and structure are described in detail, the present system by modulating the surface profile of the light signal crowd to realize the measurement of surface roughness, the idea of using virtual instruments by Labview software to design and simulate the entire system of high accuracy, fast measurement speed, there are great prospects for development.

Key Words：Surface roughness, virtual instruments, optical fiber, intensity modulation, coupling efficiency.

目 录

第1章 绪论 2

1.1光纤传感技术的发展与现状 2

1.2 表面粗糙度测量技术发展与现状 2

1.3光纤传感粗糙度测量技术 3

第2章 表面粗糙度的基本概念 4

2.1 表面粗糙度的定义 4

2.1.1 表面粗糙度 4

2.1.2 表面粗糙测量的意义 4

2.2 表面粗糙度的测量基准 4

2.3 表面粗糙度测量中的一些术语 5

2.3.1 测量方向 5

2.3.2 取样长度 5

2.3.3 评定长度 6

2.3.4 表面缺陷 6

2.4 表面粗糙度的评定参数 6

2.4.1 轮廓算术平均差 6

2.4.2 轮廓微观不平度十点高度 7

2.4.3 轮廓均方根偏差 8

2.4.4 轮廓最大高度 8

第3章 光纤探针式表面粗糙度测量原理 10

3.1 一般触针式表面粗糙度测量技术 10

3.2 光纤探针式表面粗糙度测量理论分析 11

3.2.1 理想状态下的耦合效率 11

3.2.2 传感机理 13

第4章 光纤探针式表面粗糙度仪的设计 16

4.1 光纤探针式表面粗糙度仪的工作原理 16

4.2 光纤探头的设计 17

4.3 信号处理电路 18

4.3.1 光电变换与前置放大电路 19

4.3.2 主放电路与滤波电路 20

4.3.3 滤波电路 20

4.4 数据采集卡 22

4.5 系统软件部分设计 23

第5章 仿真结果及误差分析 26

5.1 仿真结果 26

5.2 误差分析 27

5.3 改进办法 28

第1章 绪论

1.1光纤传感技术的发展与现状

现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通讯技术和计算机技术， 它们就像是信息技术系统组成中的“感官”、“神经”和“大脑”。传感器技术是现代信息社会的重要组成部分，传感器的品种、数量、质量和技术水平直接决定了信息技术系统的功能和质量。

光纤传感技术是七十年代后期迅速发展起来的一项新技术，它是纤维光学在非通信领域中的应用。光纤传感器的工作原理，可以概括为这样一个过程：通过置于光路中的光调制器，将一个携带着被测信息的信号叠加到载波光波上，承载信息的调制光波在光纤中传输，最后由光探测系统解调，经信号处理后检测出所需要的待测信号。从其调制原理来看，光纤传感器一般可分为这样几类：强度(或振幅)调制型、相位调 制(干涉测量)型、偏振态调制型、波长或频率调制型^[1]。

虽然光纤传感技术的发展与光纤通信相比显得较为缓慢。但是光纤传感技术的优越性和巨大的发展前景使其成为一个非常活跃的研究领域。在光纤通信领域，光纤作为一种传输媒介，人们关心的仅是它的衰减与色散等问题。而在光纤传感领域，光纤既是一种传输媒介，又包含了对各种物理量的响应。这就使得它的应用领域极为广泛，也相对分散。目前，光纤传感技术可以探测的物理量已有一百多种。它的优点是：应用范围广，灵敏度高，抗电磁干扰，绝缘性好，耐腐蚀，可绕曲，体积小，成本低。以及与光纤传输线路的兼容性好等^[2]。因此，光纤传感技术正受到世界各国的广泛重视，在军事、科技、工业过程控制、环境监测及医疗测量等各个领域都有广泛应用。另外，光纤传感技术的应用往往是各学科交叉的结果，因而具有十分广阔的应用潜力和发展前景。

1.2 表面粗糙度测量技术发展与现状

表面粗糙度与零件表面功能有着非常密切的联系，因此人们在很早以前就已经认识到测量表面粗糙度是非常重要的。但由于技术工艺水平的不发达，最早的测量只能单纯依靠人的视觉和触觉来估计，随着生产技术的进一步发展，人们又采用了比较显微镜对比法。但这些传统的测量方法只能对表面微观不平度做出一个定性的综合评定，无法给出具体的数值。

1940年英国成功的研制出了泰勒雪夫(Taylorsurf)触针式表面粗糙度测量仪。自此以后各国也相继研制出各种类型的表面粗糙度轮廓仪。这些触针式表面糙度测量仪器，操作相对简便，测量速度很快，在各行各业都得到了非常广泛的应用。但是因为这类仪器在测量时金刚石触针会与被测表面产生直接接触，非常容易损伤被测工件的表面，尤其是那些经研磨加工之后的表面，而且因为受到触针曲率和仪器放大倍数因素的影响，测量系统的精度受到了很大的限制，因此这类触针式表面轮廓仪对轻金属材料、塑料以及超精加工零件的表面等都不适用。所以无接触的光学式表面粗糙度测量仪随之发展出来，主要测量方法分光切法、光学干涉法、光学散射法、光学散斑法、光纤法等方法 ^[3] 。

随着生产要求的发展和工艺水平的逐渐提高，零件的表面质量要求变得越来越高，要求的精度已经从以前的百分之几mm提高到百分之几。故因此怎样进行高精度测量以及评定已经变成了国内外学者当前研究的主要课题。 另外，还有如何高效率地为自动化工艺过程提供表面粗糙度的相关信息，实现在加工过程中对表面粗糙度表面进行测量也成为研究的主要方向。

1.3光纤传感粗糙度测量技术

为了克服机械触针式粗糙度测量仪和目前用光纤法制作的测量仪器功能上存在的不足，本文对光学针描法粗糙度测量技术进行了研究，并设计了一种光纤探针式表面粗糙度测量仪。这种仪器原理是基于光反射原理，它的测量探头采用一根单模光纤作为发射光纤，这根光纤不但具有发射激光的作用而且还可以起到接收从被测表面反射回来的光信号的作用。激光器发射出的激光通过这根单模光纤垂直照射在待测物体表面上，成为理论上的光“探针”。由于被测表面距离光纤端面的距离不同，经被测表面反射回来的光强大小不同，距离越近，光强越大，距离越远，光强越小。由于单根光纤非常细，它和被测物体表面之间的耦合区域比较小，所以，可认为返回光纤的光是从被测表面的某一个点上反射回来的，通过检测这部分反射光的强度就可以得出这一点到光纤端面的距离。通过移动光纤扫描待测表面，就可以测量出被测表面上各个不同的点距探头端面的距离，这样可以测出被测物体表面的轮廓曲线，并根据这个轮廓的曲线计算出物体表面粗糙度的不同参数^[4]。从测量的过程和测量的结果来看，这种方法和机械触针式粗糙度仪比较类似，因此把它叫为光纤探针式粗糙度测量仪。

第2章 表面粗糙度的基本概念

2.1 表面粗糙度概念

表面粗糙度(surface roughness)是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度 。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的，例如加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。一般标注采用Ra。

2.2 表面粗糙度的测量基准

表面粗糙度有两种测量基准，其中一种称为中线制，另一种为包络制。目前各国还没有研制出符合包络线定义的测量仪器，我国表面粗糙度标准GB1031-83采用的是中线基准，所以在这里对中线基准进行一下介绍。

中线制就是以待测表面的中线作为基准线来评定表面轮廓曲线的计算方法。轮廓中线m就是工件理想的几何轮廓，它是一条为测量表面粗糙度数值而假象的一条基准线。按照国家标准的规定：轮廓中线m是一条具有工件几何轮廓形状，并能把被测轮廓加以划分的一条线，在规定的取样长度范围内，被测轮廓上的每个点到这条线距离的平方和为最小。因此，要用最小二乘法来求中线。本设计中采用了计算机处理数据的方式，用这种方法可以轻松的计算出中线位置。^[6]

最小二乘法求得的中线具有唯一性，即一个被测表面内只存在一条中线，而且轮廓中线的几何形状与被测表面的几何形状是相同的^[7]。若被测表面是平面，则轮廓中线就是直线；若被测表面是曲线，则轮廓中线也是曲线。

2.3 表面粗糙度测量中的一些术语

2.3.1 测量方向

表面粗糙度计算出的数值，是在垂直于被测表面的法向截面上给出来的。但是如果技术文件上已经注明了测量方向的，应该根据文件所规定的方向进行测量。由于测量时，垂直于几何表面的法向剖面有很多，当取样长度一定时，若沿如图2．1所示的不同的法向剖面进行测量，就会因为测量方向不同，波距也不相同，所测出来的表面粗糙度的值也不同。图中的A线与加工痕迹方向相垂直，如果按照A线方向进行测量，得到的表面粗糙度的测量值最大；C线与加工痕迹方向相平行，如果按照C线方向进行测量，得到的表面粗糙度的测量值最小；如果按B线方向测量，得到的测量值在最大值与最小值之间。^[8]

所以对于一般切削加工的表面，应该在垂直于加工痕迹的方向上进行测量。如果不能确定出被测表面的加工痕迹方向时，就应该通过在几个不同方向上测量比较得出结果。