水平潜流人工湿地摘 要：本文详细介绍了利用光纤传感器进行油嘴内锥面表面粗糙度测量的原理和方法。该传感器具有快速、准确、无损检测的特点, 并且可以实现自动显示介绍一种基于光纤传感器的表面粗糙度在线检测系统,给出了一系列试验结果;讨论了在线检测仪的设计要点以及在线检测存在的问题,如光纤探头的结构a传感器的装夹与定位a仪器的元器件选择a仪器的标定a切削液和测量距离变化的影响等,提出了解决或改进的办法b研究结果表明,该检测系统具有结构简单a工作效率高a抗干扰能力强等特点,适用于静态条件下的快速检测和动态条件下的实时监测,有利于提高机械加工质量和生产效率b。
关键词：表面粗糙度 油嘴 探针 激光
引 言
表面粗糙度，是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响。
目前, 工业生产中对零件表面质量的评定还延用着传统的测量仪器: 触针式仪器和光切显微镜
或干涉显微镜。这些仪器一直存在着以下几方面缺陷: 其一, 测量效率太低, 仪器娇贵, 只能在实验
室进行抽检。随着当今技术的发展, 往往要求在现场进行成批检验或在生产过程中进行“在线测
量”, 而这些仪器是无法胜任的。其二, 对内表面、大型工件及软质表面无法测量和评定。
光纤式表面粗糙度测量仪完全克服了上述缺陷, 其测量效率极高, 体积小, 结构合理, 适合恶劣
环境(生产车间和现场)使用苹果灯, 尤其适于“在线测量”。对内表面、软质表面、大型工件表面都可进行评。
主体部分
表面粗糙度测量方法的历史：
表面粗糙度的测量是影响零件性能的一个重要指标，它直接影响到机加工表面的机械性能，因此表面粗糙度的测量与评定一直是机械行业的研究课题。1929 年，德国人施马尔茨（G.Schmalz）第一次对表面微观不平度得高度进行了定量的评价，并在此出版了一本论述表面粗糙度的专著，书中提出了评定参数H max 和测量基准线的概念。这两个概念是表面粗糙度研究历史上的一次质的飞跃，从此开始了对表面粗糙度的数量化描述。 同代人尼古拉(Nicolau)也对测量基准线的建立作出了贡献。1936年艾博特（E.J.Abbott）研制成了第一台车间用表面粗糙度的仪器，这种仪器用测量距离轮廓峰顶的深度与支撑面积比的关系曲线，即艾博特曲线来表征表面粗糙度。1940 年，英国成功研制出了泰勒雪夫（Talysurf）触针式表面粗糙度测量仪。从此以后，各国也先后研制出了许多测量表面粗糙度的轮廓仪。1951
年，联邦德国澳普托（Oputon）厂生产出表面粗糙度的干涉显微镜。1958年，苏联生产出性能良好的MHH-4 型干涉显微镜。1975 年，泰勒－霍布森（Taylor-Hobson ）公司研制出
Talysurf-5 型表面轮廓仪。它采用电子计算机对数据进行处理，能对15 个评定参数直接显
示测量结果。近年来，扫描电子显微镜（SEM）的出现，为表面粗糙度的测量又开拓了一个新的途径。随着生产的发展和工艺水平的提高，对零件的表面质量提出了愈来愈高的要求，特别是超精密加工技术和光学技术的发展，使得表面粗糙度的测量技术向着纳米级的水平发展。各国纷纷在这方面展开了研究工作。
光纤式表面粗糙度测量方法的现状：
一、测量的基本原理
激光照射到被测金属工件的表面时, 在观察面可以观察到明显的光散射现象, 如图2 哈特曼光阑所示〔1〕。随着表面粗糙度的变化, 散射光强度分布也发生变化。忽略了金属表面的阴影效应和多重散射的影响后, 可以假定被照射表面为一个薄的随机相位屏。在垂直入射光线照射下, 光经表面散射后仅发生相位的变化。实验发现, 这种散射光强度分布近似为正态分布。由于被检测的油嘴是用同一种材料、同一种工艺加工而成的, 因此可以根据其散射光强度分布的测量来确定其表面粗糙度的大小。
二、测量装置
光源发出的激光, 经过光纤耦合器后, 耦合到入射光纤中。该激光通过入射光纤传送后照射在油嘴的内锥面上。然后由接收光纤接收由图10 知
A= H / L , H = ( b
2 / 2R)
式中, H 为传感器移动距离b 后触针下降值; L为传感器臂长。则D托=32R L。
可见D护< D托, 这说明半径杆支点在A 型护架上比在枢托上触针轨迹更接近于圆弧, 故
测量时最好选用A 型护架。为减小测量误差应尽量减小行程长度l′。
( 2) 安装误差 在安装枢托时将枢托下底板与传感器杆部和仪器体交点凸台接触。此时
光纤探头
B 点位于传感器正中, 保证其正确安装位置。
( 3) 调整误差 半径杆尺寸l 应按其实测值调置, 以减小半径杆尺寸调整误差。计量技术 1997. № 8 9
其散射光强度分布的信息, 并且将光信号送往光探测器。光探测器将光信号转化为电信号输出, 并由放大、除法等电路处理, 最终由数字显示出油嘴内锥面的表面粗糙度值。在该测量装置中, 需要注意以下一些元件的选用:
1. 光纤耦合器
激光光源发出的激光光斑直径约为1mm,将这样的激光耦合到芯径为0. 05mm 的入射光纤中奇石底座, 显然是比较困难的。开始我们采用专门设计的会聚透镜组来耦合, 其耦合效率只有10%。以后我们选用自聚焦棒作为耦合器, 最终耦合效率提高到70% 。
2. 入射光纤
采用多模阶跃型光纤。根据油嘴尺寸, 照射距离l 最大为1mm。考虑到被测区域要有一定的统计特性及技术要求, 取该区域直径d3 为0. 8mm。选用的石英光纤的芯径d2 为0. 05mm, 则光纤的数值孔径必须满足下面公式:
N A ≥d3- d2
2l( 1)
经代入相应数据后计算, N A 必须大于0. 375, 实验中取N A 点火模块为0. 4。
3. 接收光纤
接收光纤的技术参数与入射光纤一致。在入射光照射下, 接收信号的光纤面上形成了较大尺寸的光斑, 而接收光纤的芯径相应的尺寸较小, 利用计算公式〔2〕, 信号接收效率为0. 09% 。在这样低的接收效率下, 必须选用高灵敏度的光探测器。另外, 从理论上讲, 接收光纤愈多, 可以获得愈多的测量信息。为了降低仪器成本, 同时满足一定的测量准确度, 可以用较少的接收光纤。装置采用两根接收光纤, 按翼核比方法来测量内锥面的表面粗糙度。
4、光探测器
光探测器主要分为二大类: 热探测器和光子探测器。在光纤传感器中多采用光子探测器。这类探测器有光电二极管、电荷耦合器、光导体和光电倍增管等。由于本装置中接收效率低,故选用了灵敏度较高的PIN 二极管, 它可以将接收的光信号转为电信号输出。
三、测量结果
测量中, 用表面粗糙度参数Ra 分别用
0. 1、0. 2、0. 4、0. 8 的四类油嘴零件来标定。测量数据见表1。
表1
Ra
序号及测量值y 1
1 2 3 4 5 6
平均值y-
0. 1 0. 50 0. 46 0. 51 0. 42 0. 48 0. 45 0. 47
0. 2 0. 60 0. 65 0. 72 0. 68 0. 63 0. 68 0. 66
0. 4 1. 05 1. 00 0. 91 1. 09 1. 00 0. 95 1. 00
0. 8 1. 25 1. 40 1. 48 1. 30 1. 35 1. 40 1. 36
拟合的曲线方程为
R a
* = A ·eB·Y ( 2)
式中, y 为测量值; A = 0. 39; B = 2. 26; 相关
系数为0. 99。测量误差见表2。
由表2 可见, 该装置的测量准确度适中。
表2
R a Ry 相对误差Ry / y-
0. 1 0. 03 7%
0. 2 0. 05 7%
0. 4 0. 06 6%
0. 8 0. 08 6%
四、结束语
以激光光纤传感器测量油嘴内锥面表面粗糙度参数Ra , 测量速度快, 能自动显示, 准确度较高。该装置进一步改进后, 可适用于各种特殊小区域内表面的表面粗糙度的测量。
参考文献
〔1〕母国光. 光学. 北京; 人民教育出版社, 1979.
〔2〕光纤制造及应用译文集. 光________
（3）田继成等, 测量表面粗糙度的新型光纤传感器, 计量学报, 1993; 14 (3) : 183～ 186
（4）光纤传感器用于内表面粗糙度的测量 袁杭筠 秦惠明
( 合肥工业大学精仪系, 合肥230009)
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议