反射式強度調(diào)制型光纖傳感孔內(nèi)表面粗糙度檢測技術(shù)研究.pdf

1、表面粗糙度是描述表面微觀形貌最常用的參數(shù)之一，是表面質(zhì)量的直接反映，它在很大程度上影響和決定著零部件的使用性能，這種影響作用在機械、電子、生物醫(yī)學(xué)和光學(xué)等諸多領(lǐng)域都有重要體現(xiàn)。近幾十年來表面粗糙度測量問題一直是學(xué)術(shù)界重要的研究課題之一，隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動和新技術(shù)的引入，各領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展出許多新的測量方法。本文對各類典型的表面粗糙度測量方法進行了綜述分析，針對目前內(nèi)表面粗糙度測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀和反射式強度調(diào)制型光纖傳感器(Reflective

2、 Intensity Modulation Fiber Optical Sensor, RIM-FOS)測量表面粗糙度存在的主要問題，以Φ5mm、Φ8mm和Φ10mm的孔為研究對象，提出了一種基于新結(jié)構(gòu)的RIM型光纖內(nèi)表面粗糙度傳感器的測量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)較小尺寸的孔內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測量。
　　本文對RIM-FOS的工作原理進行了深入的理論研究，推導(dǎo)了一定假設(shè)條件下單光纖對的光強調(diào)制函數(shù)，從理論上分析了RIM-FOS強度調(diào)制特

3、性曲線的主要影響參數(shù)，并對強度調(diào)制特性曲線的主要特性參數(shù)進行了解釋，指出了表面粗糙度測量應(yīng)用對應(yīng)的目標(biāo)特性。根據(jù)RIM-FOS強度調(diào)制特性的計算機仿真分析結(jié)論，確定了RIM型光纖表面粗糙度傳感器設(shè)計的基本參考原則，設(shè)計了一種“1入12出”的雙層同軸結(jié)構(gòu)的光纖表面粗糙度傳感器(傳感器I)。利用微反射棱鏡對傳感器I的傳感頭進行結(jié)構(gòu)改進，研制出一種RIM型光纖內(nèi)表面粗糙度傳感器(傳感器II)。
　　在RIM-FOS強度調(diào)制特性的建模研究

4、中，光纖出射光強的分布假設(shè)若與實際情況不符，會直接影響模型的正確性和準(zhǔn)確性。本文推導(dǎo)了光纖出射光強符合高斯分布假設(shè)下的單光纖對光強調(diào)制函數(shù)，并在反射面為理想鏡面條件下建立了傳感器I的強度調(diào)制模型。深入研究粗糙表面的散射特性，基于Beckmann的散射幾何模型，推導(dǎo)了粗糙表面的光強調(diào)制函數(shù)。立足本文設(shè)計的雙路輸出的光纖表面粗糙度傳感器，給出了RIM-FOS測量表面粗糙度的理論模型，可以實際指導(dǎo)表面粗糙度測量。最后針對孔內(nèi)側(cè)表面的測量問題，

5、討論了工作距離控制和傳感頭偏心等問題對測量結(jié)果的影響，為孔內(nèi)表面粗糙度的測量提供了技術(shù)指導(dǎo)。
　　基于理論分析的結(jié)論，本文對傳感器I和傳感器II的強度調(diào)制特性進行了實驗研究，分析了兩個傳感器與表面粗糙度測量應(yīng)用相關(guān)的特性，驗證了光纖表面粗糙度傳感器設(shè)計原則的合理性。通過傳感器I和傳感器II強度調(diào)制特性曲線的對比分析，實驗研究了微反射棱鏡對傳感器應(yīng)用特性的影響，結(jié)果表明傳感器II在表面粗糙度測量方面有良好的應(yīng)用能力。通過大量的實驗，

6、重點研究了反射面的表面粗糙度大小、加工方式和表面形狀對傳感器II強度調(diào)制特性的影響。實驗結(jié)果表明，以傳感器雙路輸出之比定義的測量參數(shù)對表面粗糙度有很好的區(qū)分能力，并通過分析確定了表面粗糙度測量時工作距離的取值范圍；而反射面的加工方式和表面形狀對傳感器的輸出有不同程度的影響，因此在對不同加工方式和不同表面曲率樣本進行測量時要區(qū)別對待，分別標(biāo)定測量曲線。
　　應(yīng)用傳感器II，本文搭建了一套孔內(nèi)表面粗糙度的光纖傳感測量系統(tǒng)，對不同直徑的

7、孔進行了非破壞性測量。測量結(jié)果與TimeSurf TR220型觸針式粗糙度儀的測量結(jié)果作了對比分析，論證了測量模型的正確性和測量方法的有效性、測量精度及測量范圍，分析了測量結(jié)果的主要影響因素，指出了今后研究的努力方向。
　　本文研制的反射式強度調(diào)制型光纖內(nèi)表面粗糙度傳感器不僅體積小、操作簡便和經(jīng)濟性好，而且具有測量精度高和測量范圍大的特點。因此，本文提出的基于該傳感器的新測量方法將在較小零件內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測量方面具有很好的