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摘 要

在对物体进行加工处理时，常需要考虑到加工表面的粗糙程度，而且在一定程度上，其对部件的质量、性能都有着重要影响。现如今，在诸多领域中，表面粗糙度也备受关注，已经成为了生产中的重要指标。随着测量技术的发展，在研究表面粗糙度方面，已经取得了重大进步，但仍存在诸多问题：如测量结果不精准、效率低等。

对于上述中存在的问题，本文对于常见的粗糙度测量方法进行了介绍，并根据已有的知识及资料参考，提出了一种测量表面粗糙度的新方法。首先分析了RIM-FOS的工作原理，考虑到其设计要素，并对其光强调制函数M以及光强影响因素等进行理论研究；其次搭建了测量粗糙度的数学模型，根据标定数值，从而得出电压值和粗糙度值两者间关系；然后就是设计了光源模块、光电检测模块、数据采集模块；最后通过实验进行标定，得出相对应的表面粗糙度值，并进行实验系统分析，总结出实验结果的影响因素，探讨相应误差以及在以后相关领域需要努力的方向。

关键词：表面 光纤传感器 粗糙度 测量 RIM-FOS

Research on surface roughness measurement method

based on optical fiber sensor

Abstract

In the processing of objects, it is often necessary to take into account the roughness of the machined surface, and to some extent, it has an important influence on the quality and performance of the parts. Nowadays, in many fields, surface roughness has also attracted much attention, and has become an important index in production. With the development of measurement technology, great progress has been made in the study of surface roughness, but there are still many problems: such as inaccurate measurement results and low efficiency.

For the problems mentioned above, the common roughness measurement methods are introduced in this paper, and a new method of surface roughness measurement is proposed according to the existing knowledge and data reference. Firstly, the working principle of RIM-FOS is analyzed, the design elements are taken into consideration, and the optical stress manufacturing function M and the factors affecting the light intensity are studied theoretically. Secondly, the mathematical model of measuring roughness is built, and the relationship between voltage value and roughness value is obtained according to the calibration value. Then, the light source module, photoelectric detection module and data acquisition module are designed. Finally, the corresponding surface roughness value is obtained through the calibration experiment, and the experimental system is analyzed to summarize the influencing factors of the experimental results, and to discuss the corresponding errors and the direction of efforts in the related fields in the future.

Keyword：Surface；Fibre optic sensor；Roughness Measure；RIM-FOS

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 表面粗糙度测量方法 2

1.3.1 比较法 3

1.3.2 触针法 3

1.3.3 电子显微镜法 4

1.3.4 光学法 4

1.4 论文主要研究内容 4

第二章 光纤传感器测量表面粗糙度原理与设计 6

2.1 RIM-FOS型光纤传感器工作原理 6

2.2 传感器特征参数对光强的影响 8

2.3 单路RIM-FOS设计要素 9

2.3.1 光纤选择 9

2.3.2 光纤参数选取 9

2.3.3 光纤束端面结构选择 9

2.4 本章小结 10

第三章 表面粗糙度测量系统理论建模与分析 11

3.1 表面粗糙测量系统总体工作原理 11

3.2 系统测量粗糙度数学模型 12

3.3 本章小结 15

第四章 系统设计与平台的搭建 16

4.1 光纤结构设计 16

4.2 光源模块 16

4.3 光电检测模块设计 17

4.3.1 光探测器的选择 17

4.3.2 光电检测电路设计 18

4.3.3 光电检测电路噪声检测 20

4.3.4 光电检测模块搭建与调试 20

4.4 数据采集与显示系统 20

4.4.1 主程序设计 21

4.4.2 数据采集模块程序设计 22

4.5 本章小结 23

第五章 表面粗糙度实验系统分析 24

5.1 表面粗糙度评定理论 24

5.1.1 取样长度 24

5.1.2 评定长度 24

5.2 RIM-FOS实际特性测试与标定 25

5.3 测量系统性能实验与理论误差分析 29

5.3.1 背景光的影响 29

5.3.2 光源的影响 30

5.3.3 表面材料及处理方法的影响 30

5.3.4 连接器连接时损耗产生的影响 30

5.3.5 其他因素的影响 30

5.4 本章小结 30

第六章 总结与展望 31

6.1 总结 31

6.2 展望 31

参考文献 33

致 谢 35

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