CN103615992B - 一种微孔内表面粗糙度的检测方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微孔内表面粗糙度的检测方法及其装置，采集经粗糙面强度调制的不同位置的漫散射光通量进行粗糙度评定，两组光通量产生电压的比值与粗糙度成非线性关系，先将已知粗糙度的微孔进行标定，再将待测微孔与标定值进行对比，即检测出待测微孔的粗糙度。本发明解决了现有技术中传感器无法伸入微孔的问题，传感器角度变化灵活方便，测量精度高、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术测量领域，具体是一种微孔内表面粗糙度的检测方法及其装置。
背景技术
随着现代科学技术的进步和发展，各种超精度加工技术的出现，高质量表面加工得以实现，从而对表面粗糙度侧量提出了越来越高的要求。而且在一些高尖端技术领域，产品越来越多的呈现微型化的发展趋势，其中微孔器件在机械、仪表、航空、电子、生物医疗和纺织工业的应用越来越广泛。随之而来的问题是如何对微孔内壁的表面粗糙度的检验，目前的比较常用的方法测量微孔内壁表面的粗糙度的方法按照测量原理和实现方式的不同，一般可分为比较测量法、机械触针法、电子显微镜法、光学法及其它一些综合测量方法等。然而在某些领域，比如在航空工业上，大飞机发动机和火箭发动器喷注器小孔直径均在400μm以下，以上方法多少受到限制，比如用机械触针法，很难伸入微孔中，而生产更微型的探针则成本过高等。这些微孔内壁质量直接影响到整个产品的使用性能和寿命，特别是对于运转速度快、装配精度高、密封性要求严且高温作业下的产品，其影响作用表现得更加突出。
多年来，微孔内壁粗糙度的测量的问题始终是实验和理论研究的重要课题之一。特别是上世纪70年代中后期，随着计算机应用的逐步普及和微电子技术、现代光学技术和激光应用技术的发展，微孔粗糙度测量技术得到了一定的发展。目前，微孔内表面粗糙度的检验方法，趋于FOS-RIM型光纤表面粗糙度伸入式传感器微孔内壁的非破坏性测量方面。但是，由于测量器的活动空间受到限制，且操作调整不便，测量效率不高，无法实现在线测量，不能满足日益增长的工业化需求。
发明内容
本发明提供了一种微孔内表面粗糙度的检测方法及其装置，有效的克服了现有技术中传感器无法伸入微孔的问题，传感器角度变化灵活方便，测量精度高、效率高。
本发明提供的微孔内表面粗糙度的检测方法包括以下步骤：
1)将激光发射器，光电探测器导通电源，预热10-30分钟；
2)将已知微孔内壁粗糙度的标准样块放置在三维工作台上，并用夹具固定，调整三维工作台，使RIM_FOS传感器发射激光在经过微孔轴线的平面上，与标准样块间距为2-4mm，并调整传感器夹具使RIM_FOS传感器与水平面呈30-60°；
3)由光电探测器采集激光经标准样块微孔内部粗糙度调制后的两组光通量，将数据处理后保存于上位机中；
4)选择若干已知微孔内壁粗糙度的标准样块，重复步骤2)3)，上位机将所得数据进行处理，分别记录各微孔对应的两组光通量产生的电压U1和U2的比值，由于微孔内壁粗糙度σ2和两组光通量产生的电压U1和U2的比值成非线性关系：
根据统计的数据对f(x)进行标定；
5)将步骤2)中的标准样块换成待测样块，重复步骤2)3)，将所得U1和U2带入公式中，实现对待测微孔内部粗糙度的评定。
进一步改进，所述的标准样块的微孔成排设置，步骤3)中，通过三维工作台的调整，先对单个微孔四个互成90°的方位进行多点采样，再对标准试件上成排的微孔逐列采集。
进一步改进，所述的步骤3)3)中的处理过程包括放大，滤波和去噪预处理。
本发明还提供了一种实现微孔内表面粗糙度的检测方法的装置，包括三维工作台、激光发射器、光电探测器和RIM_FOS传感器，样块固定在三维工作台上，RIM_FOS传感器通过传感器夹具夹在三维工作台上，悬置于样块上方，激光发射器和光电探测器连接在RIM_FOS传感器后端。
进一步改进，所述的RIM_FOS传感器包括杆头以及杆头内通过光纤接口固定夹具固定的三组光纤，三组光纤包括位于中心与激光发射器相连的输入光纤，以及围绕在输入光纤四周与光电探测器连接的接收光纤组一和接收光纤组二。
进一步改进，所述的输入光纤包层直径125um，纤芯直径62.5um；所述的接收光纤组一包含三根接收光纤，包层直径105um，纤芯直径105um；所述的接收光纤组二包含三根细光纤，包层直径125um，纤芯直径62.5um。
进一步改进，所述的光电探测器连接有多路微弱信号采集处理电路。
本发明有益效果在于：
1、本发明通过测定激光斜射待测微孔内壁两组角度不同漫散射回来的光通量比值与所对应的标准微孔的比值进行比较，以评判待测微孔内表面的各个角度的粗糙度，为许多传感器不可伸入的粗糙度测量，提供了一种全新的方法。
2、进行标准粗糙度微孔散射光通量采集时，对单个微孔四个互成90°的方位进行多点采样，再对成排标准试件上开设的标准粗糙度微孔逐列进行光电标准值的采集；各列标准粗糙度微孔所对应的光电流标准两组光电流的比值之间的差异用于对所采集的相应各列待测粗糙度微孔对应的两组光电流比值进行误差补偿；由于光电探测器的两组光电流的比值与微孔内壁的粗糙度，激光的功率以及探测器的灵敏度成正比，因此以第一列的测量值为标准，其他列的光电流比值与其的比值即为该列的补偿系数，进行归一化处理；当测量待测件时，其他列的测量光电流比值均除以相应的补偿系数，则可以消除各列微孔所在的激光源与探测器的误差影响，提高了测量精度。
3、由于光电探测器的响应频率很高，测量过程中线阵式传感器可同时扫描工件上多个微孔的出射光强信号，实现多微孔几何参数的并行测量，此外放大、滤波及去噪步骤由测量电路完成，其检测时间与基于机器视觉的单孔检测相比大大缩短，对于具有数千微孔的零件板检测时间将从数十分钟降低到数十秒，从而大大提高了微孔的检测效率。
4、本发明采用多路微弱信号采集处理电路对各光电探测器输入的电流信号进行放大、滤波、去噪处理，以将该电流信号中的大部分噪声滤除，提高信噪比，提高测量精确度。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为图1中RIM_FOS传感器部分放大示意图。
图3为RIM_FOS传感器主视图。
图4为RIM_FOS传感器右视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供的实现微孔内表面粗糙度的检测方法的装置如图1所示，包括三维工作台、激光发射器9、光电探测器14和RIM_FOS传感器15，三维工作台底座1上依次设有Y轴精密移动台2、X轴精密移动台3和样品台4，X轴精密移动台3和底座1之间开有Y轴精密导孔17。底座1上方通过支架5装有横杆7，横杆7中间依次通过Z轴精密导向箱11、Z轴精密移动台12、Z轴转动竖直杆13和传感器夹具6夹有RIM_FOS传感器15，激光发射器9和光电探测器14连接在RIM_FOS传感器15后端。
各光电探测器14的信号输出端分别与多路微弱信号采集处理电路10的相应信号输入端连接；由于微孔孔径在数十至数百微米之间，再加上漫反射量在反方向的量相对微弱，因此光电探测器接收的信号非常微弱，同时，由于各种噪音的存在如热噪音、散粒噪声等，光电探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此微弱信号处理器包括前置放大电路、二阶压控低通滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并滤除掉大部分噪声的待检测信号。
如图2和图3所示，RIM_FOS传感器15包括杆头18以及杆头18内通过光纤接口固定夹具8固定的三组光纤，三组光纤包括位于中心与激光发射器相连的输入光纤19，以及围绕在输入光纤四周与光电探测器14连接的接收光纤组一20和接收光纤组二21。
RIM_FOS传感器15内部光纤如图4所示，具体参数如下：所述的输入光纤19包层直径125um，纤芯直径62.5um；所述的接收光纤组一20包含三根接收光纤，包层直径105um，纤芯直径105um；所述的接收光纤组二21包含三根细光纤，包层直径125um，纤芯直径62.5um。
本发明提供的微孔内表面粗糙度的检测方法包括以下步骤：
1)将激光发射器，光电探测器导通电源，预热10-30分钟；
2)将已知微孔内壁粗糙度的标准样块放置在三维工作台上，并用夹具固定，调整三维工作台，使RIM_FOS传感器发射激光在经过微孔轴线的平面上，与标准样块间距为2-4mm，并调整传感器夹具使RIM_FOS传感器与水平面呈45°；
3)由光电探测器采集激光经样品块微孔内部粗糙度调制后的两组光通量，将数据处理后保存于上位机中；
4)选择若干已知微孔内壁粗糙度的标准样块，重复步骤2)3)，上位机将所得数据进行处理，分别记录各微孔对应的两组光通量产生的电压U1和U2的比值，由于微孔内壁粗糙度σ2和两组光通量产生的电压U1和U2的比值成非线性关系：
根据统计的数据对f(x)进行标定；
5)将步骤2)中的标准样块换成待测样块，重复步骤2)3)，将所得U1和U2带入公式中，实现对待测微孔内部粗糙度的评定。
为了增加测量的精确度，所述的标准样块的微孔成排设置，步骤3)中，通过三维工作台的调整，先对单个微孔四个互成90°的方位进行多点采样，再对标准试件上成排的微孔16逐列采集。各列标准粗糙度微孔所对应的光电流标准两组光电流的比值之间的差异用于对所采集的相应各列待测粗糙度微孔对应的两组光电流比值进行误差补偿；由于光电探测器的两组光电流的比值与微孔内壁的粗糙度，激光的功率以及探测器的灵敏度成正比，因此以第一列的测量值为标准，其他列的光电流比值与其的比值即为该列的补偿系数，进行归一化处理；当测量待测件时，其他列的测量光电流比值均除以相应的补偿系数，则可以消除各列微孔所在的激光源与探测器的误差影响。
所述的步骤3)4)中的处理过程为多路微弱信号采集处理电路对各光电探测器输入的电流信号进行放大、滤波、去噪处理，以将该电流信号中的大部分噪声滤除，提高信噪比，提高测量精确度。
本发明工作原理如下：由于微孔内壁粗糙度σ2和两组光通量产生的电压U1和U2的比值成非线性关系：
通过已知粗糙度微小孔对f(x)进行标定，待测粗糙度的微小孔只将光通量差生的电压值U1和U2带入公式中，即可实现对待测微孔内部粗糙度的评定。
证明过程：
1.两组接收光纤接收的光强φ1，φ2，照射在光电池上产生微电压，再经过光电探测器的放大和滤波产生相应的电压U1和U2(可检测出U1和U2的值)。设定它们的比值(S'n：两组接收光纤接收的光强比)为S'n，则有关系式：
2.而影响S'n值的因素包括宏观和微观上，其表达公式为S'n＝Mf·Ms(公式2)(Mf：宏观光强调制函数；Ms：微观光强调制函数)。
3.求解宏观光强调制函数Mf：由宏观结构分析(其中M2：第二组接收光纤与发射光纤的结构光强调制函数；M1：第一组接收光纤与发射光纤的结构光强调制函数。)：由于求解M1,M2过程一样，故只用M表示它们
其中
Sr：光纤接收有效面积；
I(ρ,d,θi)：由ρ(ρ：接收点与光斑中心的距离)，d(d：接收光纤端面与散射面的距离)和θi(θi：激光入射角)三个参数决定的接收点光强表达式。
结论1：由于ρ,d,θi是设定值，所以M1,M2及它们的比值Mf可相当于一固定系数。4.求解微观光强调制函数Ms：根据B_K散射模型及原理(PS：接收方向的散射平均功率；PD：漫散射平均功率)，在本专利的初始条件即激光入射角θi＝-θs下：和其中：
ρ0：光滑表面的散射系数；
σ：粗糙度相关值；
λ：激光波长值；
T：表面相关长度；
A：散射发生处的区域矩形面积；
简化有其中K1：由参数ρ0,T,A决定的系数；K2：由参数λ决定的系数。
结论2：同样，θi为设定值，K1，K2系数固定，Ms只与σ2有关，且呈非线性关系。
5.将公式(3)代入公式(2)中，则S'n＝Mf·K1exp(-K2σ2cos2θi)，再由上述结论1和2可知，S'n只与σ2有关，且呈非线性关系，同时由公式(1)可知的比值只与σ2有关，且呈非线性关系，所以，综上，最终简化式
另外，本测量***采用光伏探测器硅光电池作为传感器，硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可以把入射到它表面的光能转化为电能，是基于光伏特效应制作的光伏探测器。由于光电探测器的响应频率很高，上述测量过程中线阵式传感器可同时扫描工件上多个微孔的出射光强信号，实现多微孔几何参数的并行测量。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种微孔内表面粗糙度的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将激光发射器，光电探测器导通电源，预热10-30分钟；
2)将已知微孔内壁粗糙度的标准样块放置在三维工作台上，并用夹具固定，调整三维工作台，使RIM_FOS传感器发射激光在经过微孔轴线的平面上，与标准样块间距为2-4mm，并调整传感器夹具使RIM_FOS传感器与水平面呈30-60°；
3)由光电探测器采集激光经标准样块微孔内部粗糙度调制后的两组光通量，将数据处理得到相应电压U1和U2后保存于上位机中；
4)选择若干已知微孔内壁粗糙度的标准样块，重复步骤2)3)，上位机将所得数据进行处理，分别记录各微孔对应的两组光通量产生的电压U1和U2的比值，由于微孔内壁粗糙度σ2和两组光通量产生的电压U1和U2的比值成非线性关系：
根据统计的数据对f(x)进行标定；
5)将步骤2)中的标准样块换成待测样块，重复步骤2)3)，将所得U1和U2带入公式中，实现对待测微孔内部粗糙度的评定。
2.根据权利要求1所述的微孔内表面粗糙度的检测方法，其特征在于：所述的标准样块的微孔成排设置，步骤3)中，通过三维工作台的调整，先对单个微孔四个互成90°的方位进行多点采样，再对标准样块上成排的微孔逐列采集。
3.根据权利要求1所述的，其特征在于：所述的步骤3)4)中的处理过程包括放大，滤波和去噪预处理。
4.一种实现权利要求1所述微孔内表面粗糙度的检测方法的装置，其特征在于：包括三维工作台、激光发射器、光电探测器和RIM_FOS传感器，样块固定在三维工作台上，RIM_FOS传感器通过传感器夹具夹在三维工作台上，悬置于样块上方，激光发射器和光电探测器连接在RIM_FOS传感器后端。
5.根据权利要求4所述的微孔内表面粗糙度的检测装置，其特征在于：所述的RIM_FOS传感器包括杆头以及杆头内通过光纤接口固定夹具固定的三组光纤，三组光纤包括位于中心与激光发射器相连的输入光纤，以及围绕在输入光纤四周与光电探测器连接的接收光纤组一和接收光纤组二。
6.根据权利要求5所述的微孔内表面粗糙度的检测装置，其特征在于：所述的输入光纤包层直径125um，纤芯直径62.5um；所述的接收光纤组一包含三根接收光纤，包层直径105um，纤芯直径105um；所述的接收光纤组二包含三根细光纤，包层直径125um，纤芯直径62.5um。
7.根据权利要求5所述的微孔内表面粗糙度的检测装置，其特征在于：所述的光电探测器连接有多路微弱信号采集处理电路。
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| 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;徐晓梅;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20110815(第08期);B022-611,第38-39、51-52、61-62、77-83页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103615992A (zh) | 2014-03-05 |
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