粗糙度儀簡介

    表面質(zhì)量的特性是零件 重要的特性之一,，在計量科學(xué)中表面質(zhì)量的檢測具有重要的地位,。 早人

們是用標(biāo)準(zhǔn)樣件或樣塊，通過肉眼觀察或用手觸摸,，對表面粗糙度做出定性的綜合評定,。1929年德國的

施馬爾茨（G.Schmalz）先對表面微觀不平度的深度進行了定量測量。以后,，各國又相繼研制出多種測

量表面粗糙度的儀器,。目前，測量表面粗糙度常用的方法有：比較法,、光切法,、干涉法、針描法和印模

法等,，而測量迅速方便,、測值精度較高、應(yīng)用 為廣泛的就是采用針描法原理的表面粗糙度測量儀,。本

文將將討論表面粗糙度測量儀的原理及其改進方案,。

1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的工作原理
      1.1 針描法
      針描法又稱觸針法,。當(dāng)觸針直接在工件被測表面上輕輕劃過時，由于被測表面輪廓峰谷起伏,，觸

針將在垂直于被測輪廓表面方向上產(chǎn)生上下移動,，把這種移通過電子裝置把信號加以放大，然后通過指

零表或其它輸出裝置將有關(guān)粗糙度的數(shù)據(jù)或圖形輸出來,。
      1.2 儀器的工作原理
      采用針描法原理的表面粗糙度測量儀由傳感器,、驅(qū)動器、指零表,、記錄器和工作臺等主要部件組

成,。
      電感傳感器是輪廓儀的主要部件之一，在傳感器測桿的一端裝有金剛石觸針,，觸針曲率半徑

r很小,，測量時將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸,，利用驅(qū)動器以一定的速度拖動傳感器,。由于

被測表面輪廓峰谷起伏，觸狀在被測表面滑行時,，將產(chǎn)生上下移動,。此運動經(jīng)支點使磁芯同步地上下運

動,，從而使包圍在磁芯外面的兩個差動電感線圈的電感量發(fā)生變化,。
      傳感器的線圈與測量線路是直接接入平衡電橋的，線圈電感量的變化使電橋失去平衡,，于是就輸

出一個和觸針上下的位移量成正比的信號,，經(jīng)電子裝置將這一微弱電量的變化放大、相敏檢波后,，獲得

能表示觸針位移量大小和方向的信號,。此后，將信號分成三路：一路加到指零表上,，以表示觸針的位置

,，一路輸直流功率放大器，放大后推動記錄器進行記錄,；另一路經(jīng)濾波和平均表放大器放大之后,，進

入積分計算器，進行積分計算,，即可由指示表直接讀出表面粗糙度Ra值,。
      指零表的作用反映鐵芯在差動電感線圈中所處的位置。當(dāng)鐵芯處于差動電感線圈的中間位置時,，

指零表指針指示出零位,，即保證處于電感變化的線性范圍之內(nèi),。所以，在測量之前,，必須調(diào)整指零表,，

使其處于零位。噪聲濾波的目的在于剔除一些干擾信號,，如電氣元件的噪聲所引起的虛假信號,。大量的

測試表明，高于400Hz的信號即不是被測表面粗糙度所引的信號,，必須從總信號中加以剔除,。所以噪聲

濾波器是一種低通（低頻能通過）濾波器，它使400Hz以下的低頻信號順利通過,，而將400Hz以上的高頻信

號迅速衰減,，從而達到濾波的目的。波度濾波的目的則是用以濾掉距大于取樣長度的波度,，因此它是一

個高通（高頻能通過）濾波器,，使表面粗糙度所引起的高頻（相對于波度引起的低頻而言）信號能自由通過

。
      經(jīng)過噪聲濾波和波度濾波以后,，剩下來的就是與被測表面粗糙度成比例的信號,，再經(jīng)平均表放大

器后，所輸出的電流I與被測表面輪廓各點偏離中線的高度y的值成正比,，然后經(jīng)積分器完成 的積

計算,，得出Ra值，由指零表顯示出來,。
      這種儀器適用于測定0.02-10μm的Ra值,，其中有少數(shù)型號的儀器還可測定更小的參數(shù)值，儀器配

有各種附件,，以適應(yīng)平面,、內(nèi)外圓柱面、圓錐面,、球面,、曲面、以及小孔,、溝槽等形狀的工件表面測量

,。測量迅速方便，測值精度高,。
     
2 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足
      傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀存在以下幾個方面的不足：
      （1）測量參數(shù)較少,，一般僅能測出Ra、Rz、Ry等少量參數(shù),；
      （2）測量精度較低,，測量范圍較小，Ra值的范圍一般為0.02-10μm左右,；
      （3）測量方式不靈活,，例如：評定長度的選取，濾波器的選擇等,；
      （4）測量結(jié)果的輸出不直觀,。
      造成上述幾個方面不足的主要原因是：系統(tǒng)的可靠性不高，模擬信號的誤差較大且不便于處理等

,。
3.對傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的改進
      3.1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的改進方案
      為了克服傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足,，應(yīng)該采用計算機系統(tǒng)對其進行改進。例如,，英國蘭克精

密機械有限公司制造的“泰呂塞夫（TALYSURF）”10型和我國哈爾濱量具刃具廠制造的2205型表面粗糙度

測量儀就采用了計算機系統(tǒng),，使其性能較之傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀有大的提高。其基本原理如圖4所

示,，從相敏整流輸出的模擬信號,，經(jīng)過放大及電平轉(zhuǎn)換之后進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計算機自動地將其采集

的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波和計算,，得到測量結(jié)果,，測量結(jié)果及輪廓圖形在顯示器顯示或打印輸出。
      要采用計算機系統(tǒng)對傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀進行改進,，就要編制相應(yīng)的計算機軟件,， 好采用

比較直觀的菜單形式。
      3.2 改進后的表面粗糙度測量儀的功能及使用效果
      由于采用計算機系統(tǒng),，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行靈活的處理,，顯著地提高了系統(tǒng)的可靠性

，所以既大大增加了測量參數(shù)的數(shù)量,，又提高了測量精度。例如：哈爾濱量具刃具廠制造的2205型表面

粗糙度測量儀的測量參數(shù)多達二十六個,，測量范圍為0.001～50μm,，可任選1～5倍的取樣長度作為評定

長度，測量結(jié)果及圖形在顯示器,、打印機或繪圖儀上非常直觀地輸出來,。它還采用了較為先選的可選擇

的數(shù)字濾波器，它與模擬濾波器相比其特性更為準(zhǔn)確,，且不會有元器件參數(shù)誤差帶來的影響,。
      另一方面，若在表面粗糙度儀測量實驗的教學(xué)過程中引入改進后的表面粗糙度儀，就實驗的直觀

教學(xué)功能而言,，也很有意義,。改進后的電動輸廓儀，通過計算機軟件與硬件的結(jié)合（尤其是軟件）大大加

強了實驗過程的直觀性,，這體現(xiàn)在以下幾個方面：
      （1）整個實驗過程非常直觀地通過軟件的各級菜單進行控制,。操作簡單、一目了然,。
      （2）輸入與顯示同步,，即在測量進行過程的同時，觸針在被測表面上滑行的軌跡動態(tài)地顯示在計

算機屏幕上,。
      （3）測量結(jié)果及相關(guān)圖形能非常直觀地,、準(zhǔn)確地輸出在顯示器、打印機或繪圖儀上,。
      很顯然,，以上這些直觀的教學(xué)效果是其它傳統(tǒng)的表面粗糙度測量實驗方法所不具備的。它在得到

正確的測量結(jié)果的同時,，還充分運用了直觀教學(xué)的原理,，幫助學(xué)生加深對表面粗糙度的概念及其各種參

數(shù)的直觀理解。
     
4 結(jié)束語
      （1）傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀由傳感器,、驅(qū)動器,、指零表、記錄器和工作臺等主要部件組成,，從

輸入到輸出全過程均為模擬信號,。而在傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀的基礎(chǔ)上，采用計算機系統(tǒng)對其進行改

進后,，通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入計算機進行處理,，使得儀器在測量參數(shù)的數(shù)量、測量

精度,、測量方式的靈活性,、測量結(jié)果輸出的直觀性等方面有了大的提高。
      （2）從前面的分析知,，整個改進方案并不復(fù)雜,，因此對于目前仍廣泛使用的傳統(tǒng)的表面粗糙度測

量儀的改進具有一定的意義。
      （3）隨著電子技術(shù)的進步,，某些型號的表面粗糙度儀還可將表面粗糙度的凹凸不平作三維處理,，

測量時在相互平行的多個截面上進行，通過模-數(shù)變換器,，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,，送入計算機進行數(shù)

據(jù)處理,，記錄其三維放大圖形，并求出等高線圖形,，從而更加合理的評定被測面的表面粗糙度,。