專利名稱：激光表面阻糙度檢測儀裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及激光和光電技術(shù)在表面粗糙度測量中的應(yīng)用。
用光散射原理測量表面粗糙度是一種新方法，其顯著特征是非接觸測量，面積采樣，測量速度快等?，F(xiàn)有的光散射測量方法中，多采用He－Ne激光器作為光源，用硅光電池接收反射光和散射光，其二者之比值與表面粗糙度輪廓算術(shù)平均偏差Ra值有一定的對應(yīng)關(guān)系。但這種方法受光強(qiáng)變化和工作材料不同的影響大，整個裝置龐大，使用不方便。1984－1986年，聯(lián)邦德國R.Brodman和G.Thurn等人在Ann.CIRP，33(1)1984；Opt.ENg.24(3)1985；和Wear，109(1)1986等雜志上發(fā)表了研究光學(xué)表面粗糙度測量儀器的報告，其原理是當(dāng)一束光投射到工件表面上時，由于表面粗糙度的調(diào)制，散射光呈特定的強(qiáng)度角分布，並近似地服從正態(tài)分布，其分布標(biāo)準(zhǔn)差與Ra值在一定范圍內(nèi)有確定的函數(shù)關(guān)系，這樣通過測量表面散射光的強(qiáng)度角分布的標(biāo)準(zhǔn)差SN，即光學(xué)散射特征值，便可得到Ra值。其特點(diǎn)是光路結(jié)構(gòu)緊湊，對被測工件的位置要求不高(位移±2mm，傾斜±2°)，但是，由于采用發(fā)光二極管作光源，用透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，導(dǎo)致儀器有以下不足之處1.發(fā)光二極管發(fā)光效率低，發(fā)散角大，儀器功耗大，2.透鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直效果差，光損失大，使得光電信號下降，信噪比低，3.光路調(diào)整困難，要求嚴(yán)格，對噪聲抑制能力弱。
本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)不足而提供一種激光表面粗糙度檢測儀裝置，它采用半導(dǎo)體激光器、光學(xué)纖維和更合理的光路結(jié)構(gòu)，具有功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，測量范圍大，體積小、成本低的便攜式激光表面粗糙度測量儀器。


圖1為激光表面粗糙度檢測儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為激光表面粗糙度檢測儀結(jié)構(gòu)原理圖。
(1)激光電源，(2)半導(dǎo)體激光器，(3)自聚焦透鏡，(4)測量物鏡，(5)被測工件表面，(6)聚光柱面鏡，(7)光電三極管陣列，(8)前置放大器，(9)A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，(10)MCS－51單片微機(jī)，(11)LED顯示，(12)輸入鍵，(13)分光鏡。
本實用新型提供的激光表面粗糙度檢測儀裝置如圖1圖2所示，它由測量頭和電箱兩部分組成。測量頭含有半導(dǎo)體激光器(2)，光纖自聚焦透鏡(3)，測量物鏡(4)和聚光柱面鏡(6)，被測工件表面(5)和光電三極管陣列(7)分別位于測量物鏡的物、象方焦面處，被測工件位置變化允差±2mm；傾斜允許±2°；電箱由激光電源(1)，前置放大器(8)，A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)，MCS－51單片微機(jī)(10)，LED顯示(11)和鍵盤(12)組成。
由自穩(wěn)功率激光電源(1)提供電能使半導(dǎo)體激光器(2)輸出恒定功率的光，經(jīng)光纖自聚焦透鏡(3)后成為平行光，通過測量物鏡(4)聚焦于被測工件表面(5)，其光斑大約為1.5mm，表面的散射光經(jīng)測量物鏡后變?yōu)橐粠钇叫泄?，表面上的光斑相?dāng)于系統(tǒng)的光欄，構(gòu)成遠(yuǎn)心光路，可減小物鏡調(diào)焦不準(zhǔn)確帶來的影響，聚光柱面透鏡(6)將散射光帶會聚于光電三極管陣列(7)上，其作用是提高接收光的效率，擴(kuò)大測量范圍，陣列將散射光角分布變?yōu)殡娦盘?，?jīng)前置放大器(8)和A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)送入單片微機(jī)(10)進(jìn)行處理，并由數(shù)碼管LED顯示器(11)顯示出對應(yīng)的Ra，Rz或顯示出舊國標(biāo)的相應(yīng)級別。對不同的加工方法，其光學(xué)散射特征值SN與Ra值的關(guān)系不一致，由實驗歸結(jié)為三類表面，測量時由鍵盤(12)進(jìn)行選擇。
為使散射光信號穩(wěn)定，本實用新型采用自穩(wěn)功率激光電源，其電源電路原理如圖4所示。
圖4為自穩(wěn)功率激光電源電路原理圖。
由IC1、BG提供一穩(wěn)定的電壓，IC2將光探測器PD的光電流轉(zhuǎn)化為電壓，在電壓比較器IC3中，調(diào)節(jié)Ws可得到所需的激光功率輸出。
如果由于環(huán)境條件變化或者是電路本身的原因使得激光輸出光功率升高，那么對應(yīng)有PD中電流增大，IC2輸出電壓也增大，電壓比較器IC3輸出電壓減小，使BG2管阻抗增大，半導(dǎo)體激光器LD回路中電流IF減小，這樣LD的驅(qū)動電流減小，其輸出光功率的升高便得到抑制。
本實用新型提供的光纖自聚焦透鏡作為半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)直系統(tǒng)，光纖長度L取為0.23P，P為光纖節(jié)距。與激光波長有關(guān)，其準(zhǔn)直光束平行性達(dá)1°左右。
本實用新型提供的測量頭光路結(jié)構(gòu)有兩種形式如圖2、圖3所示。
圖2為第一種形式的測量頭光路結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)光損失小，光路緊湊，但散射光帶稍許彎曲影響測量范圍，加柱面鏡后有一定改善。
圖3為第二種形式測量頭光路結(jié)構(gòu)圖。
(13)分光鏡，其編號同前。
第二種形式的測量頭光路結(jié)構(gòu)由激光器、光纖自聚焦透鏡、分光鏡(13)，測量物鏡組成，被測工件表面和光電三極管陣列也位于測量物鏡的物、象方焦面處，被測工件位置變化允差±2mm，傾斜允許±2°這種結(jié)構(gòu)光損失大，由于為垂直入射，散射率減小，但散射帶為直線，測量范圍較大。
本實用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1.光能利用率高，耗電小(300mW－500mW)，可采用干電池供電。
2.散射光信號光強(qiáng)大，信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)。
3.測量范圍大，0.001＜Ra＜3.2μm，重復(fù)精度高，優(yōu)于2％，對被測表面材料不敏感。
4.對被測表面的位置，振動等干擾不敏感，位置變化允許±2mm，傾斜允許±2°。
5.儀器體積小、重量輕、攜帶方便、靈活、適用于廣大工廠或企業(yè)生產(chǎn)上推廣應(yīng)用，有顯著地經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
實施例本實用新型提供的激光表面粗糙度檢測儀裝置如圖1，2，3所示，可用常規(guī)的光學(xué)、機(jī)械加工制作。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品如A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，MCS－51單片微機(jī)，LED顯示和輸入鍵盤等都可在市場購置，一般工程技術(shù)人員均能按圖制造組裝、調(diào)試和正常使用。
權(quán)利要求1.一種激光表面粗糙度檢測儀裝置[1][2]，其特征在于它由可以手持工作的測量頭和電箱組成，測量頭含有半導(dǎo)體激光器(2)，光纖自聚焦透鏡(3)，測量物鏡(4)和聚光柱面鏡(6)，被測工件表面(5)和光電三極管陣列(7)分別位于測量物鏡的物、象方焦面處，電箱由自穩(wěn)功率激光電源(1)，前置放大器(8)，A/D轉(zhuǎn)換器(9)，Mcs-51單片微機(jī)(10)，LED顯示(11)和鍵盤(12)組成。
2.按照權(quán)利要求1所述激光表面粗糙度檢測儀裝置，其特征在于所述測量頭光路結(jié)構(gòu)由自穩(wěn)功率激光電源(1)提供電能使半導(dǎo)體激光器(2)輸出恒定功率的光，經(jīng)光纖自聚焦透鏡(3)后成為平行光，通過測量物鏡(4)聚焦于被測工件表面(5)，其光斑大約為1.5mm，表面的散射光經(jīng)測量物鏡后變?yōu)橐粠钇叫泄?，表面上的光斑相?dāng)于系統(tǒng)光欄，構(gòu)成遠(yuǎn)心光路，可減小物鏡調(diào)焦不準(zhǔn)確帶來的影響，聚光柱面透鏡(6)將散射光帶會聚于光、電三極管陣列(7)上，陣列將散射光角分布變?yōu)殡娦盘枺?jīng)前置放大器(8)和A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)送入單片微機(jī)(10)進(jìn)行處理，并由數(shù)碼管LED(11)顯示出對應(yīng)的Ra、Rz值或顯示出舊國標(biāo)的相應(yīng)級別，對不同的加工方法，由實驗歸結(jié)為三類表面，測量時由鍵盤(12)進(jìn)行選擇?！?〕
3.按照權(quán)利要求1或2所述激光表面粗糙度檢測儀裝置，其特征在于所述自穩(wěn)功率激光電源有一個電源電路裝置〔4〕。
4.按照權(quán)利要求1或2所述激光表面粗糙度檢測儀裝置，其特征在于所述光纖自聚焦透鏡(光纖)作為半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)直系統(tǒng)，光纖長度L取為0.23P，P為光纖節(jié)距，與激光波長有關(guān)，直徑d＝φ1.8mm，數(shù)值孔徑NA＝0.37，其準(zhǔn)直光束平行性可達(dá)1°左右。
專利摘要一種激光表面粗糙度檢測儀裝置。該裝置由測量頭和電箱組成，測量頭含有激光器2，光纖自聚焦透鏡3，測量物鏡4，聚光柱面鏡6組成，電箱由自穩(wěn)功率激光源1，前置放大器8，A/D轉(zhuǎn)換器9，單片機(jī)10，LED顯示11和鍵盤12組成。它通過對表面散射光的分析，快速的確定表面粗糙度的表征參數(shù)R
文檔編號G01B11/30GK2075770SQ90214799
公開日1991年4月24日 申請日期1990年7月24日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月24日
發(fā)明者周衛(wèi)東, 王世華, 周肇飛 申請人:成都科技大學(xué)