基于光纤的孔表面粗糙度测量方法研究

摘 要：孔类零件内表面粗糙度测量是保证零件加工质量、产品性能、以及零件使用寿命的重要环节。特别是对于深孔类零件，由于其内部空间狭小不易接近，导致测量无法有效进行。尽管现有的深孔内表面粗糙度测量方法可以对其进行测量，但仍然存在测量效率低、接触磨损等不足。为此，论文提出了一种利用RIM-FOS（反射式强度调制型光纤传感器）技术进行孔内表面粗糙度非接触检测的新方法，首先从理论上建立了RIM-FOS测量数学模型，并进行了仿真分析，在此基础上设计出了单光纤孔类零件内表面粗糙度测量系统，实际测试结果表明，该系统测量结果相对误差小于8%，且系统稳定性较好，检测效率大大提高。

关键词：孔类零件；内表面粗糙度测量；RIM-FOS

1. 引言

表面粗糙度是表征表面特性的一个重要参数，也是影响零件功能特性最直接的参数，对现代科学工程和生产具有重要的价值。表面粗糙度能够直接影响物体表面技术性能，在很大程度上反映了物体表面的功能特性。然而现有的大多数表面粗糙度测量方法主要是针对外表面的检测，孔内表面粗糙度测量技术的研究因其复杂性和困难性发展还远远不够，依然存在成本高、精度低、操作难度大等问题[1 ]。

内表面粗糙度测量主要分为接触法与非接触法，目前应用最为广泛且优势最大测量方法为非接触法中的光学法，国内已经完成的光学法测内表面粗糙度研究成果有：应用光散射原理开展了内表面粗糙度测量仪的研制工作[2]；搭建应用结构光学三维视觉检测技术的测量系统[3]；开发基于光漫射模型对孔内表面粗糙度进行测量的系统[4]；开发基于斜射式散射法的曲表面粗糙度测量系统[5]。国外研究人员设计了一种基于散射原理利用图像处理技术测量材料粗糙度值的系统[6]；还有研究人员基于Beckmann的散射模型，提出了一种光斜入射被测表面的内表面粗糙度测量光纤传感器[7]。但目前国内外研究成果均存在一些问题，比如精度不够高、分辨率低、价格昂贵以及操作难度大等。

本文针对现有的孔内表面粗糙度测量方法与技术存在的测量效率低、操作难度大以及测量精度低的问题，提出了一种基于光纤传感器的孔内表面粗糙度测量方法。

2. RIM-FOS粗糙度测量原理

围绕光纤传感器设计的孔内表面粗糙度测量系统总体示意图如图1所示，该系统主要包括激光器、耦合装置、发送接收光纤、测试控制平台、光纤传感器、PIN二极管、滤波放大电路、A/D转换电路等模块，该系统工作原理为：激光器发出的光耦合连接进入光纤传感器的输入端，即发送光纤，传感头在测试控制移动平台的控制下移动，传感器的探测端轴线平行被测表面，这样发送光纤出射的光经过圆柱反射棱镜即垂直入射被测表面，光线与被测表面相互作用后，返回的散射光携带有被测表面的轮廓信息被接收光纤接收。光电二极管将带有被测表面信息的光信号转换为电压信号，然后对电信号进行滤波放大预处理，进而通过A/D转化，数字信号输入到计算机内，以待进一步处理。在计算机上还要对测量信号进行除噪、运算、定标和拟合等处理，最终实现孔内表面粗糙度的参数测量。

因此系统单路输出电压 与粗糙度值 呈指数关系，再通过标定试验采用上式对定标数据散点进行拟合，计算出待定系数 以及补偿系数 ，就可以根据系统输出电压值计算得到对应的表面粗糙度值。

3. 试验分析

3.1 标定试验

要采用该系统实现对内表面粗糙的测量，必须先拟合出系统输出值与表面粗糙度值之间的具体转换关系，即完成标定试验。标定试验中的标称值使用TR200型触针式粗糙度测量仪的测量值。标定试验安排：首先，在孔径为12mm试块上放置好光纤传感器，将传感器的探测端面对准标定区域，再控制精密移动平台牵引光纤传感器在评定长度方向上（Y轴方向）等间隔0.1mm顺序采样，采样到4mm高度停止采样，选取电压值处于峰值的点作为该区域上的特征点，记录其对应的电压输出值，利用光纤传感器重复测量該区域5次。

使用TR200型触针式粗糙度测量仪分别对不同孔径的标定样块中8个区域进行测量，重复测量5次后求取的均值作为该区域上的粗糙度标称值，再按照上述标定试验安排分别对各孔径标定样块上8个区域进行标定试验。孔径12mm标定样块上的8个区域标称值与标定试验数据如表1所示。

将该换算公式写入单片机软件系统中，当测量对象为孔径12mm的孔时，使用人员可直接选择相应孔径使用系统进行测量。

由图3中的标定曲线可以得到，在表面粗糙度 时，该系统的灵敏度小于 ，意味着系统基本丧失对粗糙度变化的区分能力，因此为保证系统的测量精度，系统适合测量粗糙度分布在0.8～2.5μm范围内的微糙表面。

3.2 性能测试试验

在孔内表面粗糙度测量中，运动控制模块牵引光纤传感器在行进中完成孔内表面多个母线上的粗糙度测量，因此系统行进中的测量稳定性及测量数据有效性至关重要，为此要进行测量系统性能测试试验。为便于触针式测量仪进行测量验证，测试样块孔深设为100mm，孔径为12mm，试验组中含4个粗糙度未知的子样本。

测量稳定性试验：首先更换对应尺寸的测头，安装好光纤传感器，使RIM-FOS对准孔的270°方向上的母线，单片机中选择12mm孔径的粗糙度计算公式，在运动控制系统控制下光纤传感器进行孔内270°母线上的粗糙度连续测量，再从单片机中取出测量数据。控制测头与孔的相对位置不变，对同一孔重复测量10次。由于测量数据较多，故选取典型的样本孔进行论述，系统10次重复测得样本孔270°母线上的粗糙度均值和标准差如图4所示。

由图3可以得出，离散系数最大值为6.85%（离散系数=标准差/平均值），设计搭建的孔内表面粗糙度系统测量时具有较好的稳定性。

数据有效性试验：要验证该系统测量数据的有效性，还需要与其更为精密的仪器测量结果进行比对。因此在系统有效性验证试验中，将TR200型触针式粗糙度测量仪的测量数据作为真值。采用孔内表面粗糙度测量系统和TR200测量仪分别对12mm孔径样本孔的0°，90°，180°和270°方向上的母线粗糙度进行测量，0°，90°，180°和270°方向母线上的相对误差如图4所示。

由上图可以看出，系统测得4条母线上的粗糙度与触针式所获结果之间的相对误差小于8%，而且随着内表面粗糙度值的变大，该误差还会减小，因此该系统测量精度较高。

4. 结束语

随着科技的发展，越来越多孔内表面粗糙度测量仪器将被研制出来，孔内表面粗糙度测量系统不仅具有重要的学术价值，而且在航空、航天领域、军用机械、精密仪器等精密制造领域有着广阔的应用前景。因此如何对内表面进行精确有效的粗糙度检测变得尤为重要。本课题以孔内表面粗糙度的测量为研究对象，探索基于光纤的孔表面粗糙度测量系统的开发，为孔内表面粗糙度检测方法提供理论和技术支持，具有重要的学术和工程应用价值，同时经济效益显著。

参考文献

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[3] 贺俊吉， 张广军. 结构光三维视觉检测中光条图像处理方法研究[J]. 北京航空航天大学学报，2003，29（7）：593-597.

[4] 徐晓梅. 反射式强度调制型光纤传感孔内表面粗糙度检测技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学机电学院， 2010.

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[11] 郭瑞鹏. 基于激光散射的在线检测表面特性参数的理论分析和实验研究[D]. 上海：上海交通大学， 2011.

作者简介：

李昊（1996-3），男，安徽省马鞍山市人，民 族：汉 职称：无，学历：在读大学本科生。研究方向：测控技术及仪器。

宋寿鹏，男，汉族，江苏大学机械工程学院测控技术与仪器系主任

徐伟，男，汉族，江苏大学机械工程学院测控技术与仪器专业研究生在读

（作者单位：江苏大学机械工程学院仪器科学与工程系）