基于白光干涉技术的表面粗糙度测量

论文摘要

三维表面粗糙度测量是从表面轮廓理论发展而来的一种测量方法,在航天、军工以及重大科研项目中都有广泛应用。而相移干涉术是光学测量理论的一种典型技术,它相比其他传统的测量方法而言,系统相对简单、调试相对容易、在线测量速度较快、测量精度更高,而且可以实现无值守测量。本文采用白光干涉相移理论建立测量系统,整个测量过程包括相移干涉、相位提取以及实验数据处理等。本文首先说明了三维表面粗糙度测量技术研究的意义,介绍了现今三维粗糙度及表面轮廓测量的现状和发展,然后阐述及比较了表面三维粗糙度测量的各种方法。其中,主要提到了两种应用较广泛的相位算法——相位提取和相位解包裹。作为一种精密测量手段,相移技术的最大缺陷就是它对各种误差源的敏感性,包括相移机构必然存在的相移误差、光场当中非正弦性原理误差、系统探测器的自有误差等等,本文也对其分别进行了分析,探讨了对误差的补偿算法。依据提取出来的相位信息,计算出图像各点对应的高度值。然后,利用高斯评定理论建立表面轮廓的中线信息,分离出有用的粗糙度特征。最后,通过对表面粗糙度三维评定参数的研究,选取了有代表性的R a参数进行实物测量,得到了表面各点高度差数据值,综合各种参数值还原三维表面粗糙度轮廓。实验系统采用宽带白光光源的卤钨灯作为测量光源,CCD传感器为图像采集装置,压电陶瓷晶体作为步进式相移器件,实现了整个测量的相移和数据采集。文中最后给出了实验分析及结果,数据显示文中理论分析基本与测量结果一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的目的与意义
• 1.3 相移干涉术的研究现状和发展趋势
• 1.3.1 相位提取算法
• 1.3.2 相位解包裹算法
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 表面粗糙度测量理论
• 2.1 表面粗糙度理论
• 2.1.1 测量方向选取
• 2.1.2 取样长度
• 2.1.3 评定长度
• 2.1.4 评定基准线
• 2.2 相移干涉术原理在表面粗糙度测量中的应用
• 2.2.1 干涉显微镜系统
• 2.2.2 白光干涉相移法
• 2.3 位相移动的误差分析
• 2.3.1 位相测量轮廓术的基本原理
• 2.3.2 相移误差的FFT 补偿算法
• 2.4 粗糙度三维评定参数
• 2.4.1 高度参数
• 2.4.2 空间参数
• 2.4.3 综合参数
• 2.5 本章小结
• 第3章 糙度测量系统软硬件设计
• 3.1 系统测量原理
• 3.2 系统硬件设计
• 3.2.1 压电晶体误差分析
• 3.2.2 压电陶瓷晶体线性区域标定
• 3.2.3 系统结构设计
• 3.2.4 相移系统中误差源分析
• 3.3 系统软件的设计
• 3.3.1 采集图像软件
• 3.3.2 图形数据处理软件设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 高斯滤波及改进算法在测量系统中的应用
• 4.1 数字滤波器的分类
• 4.1.1 FIR 滤波器模型分析
• 4.1.2 IIR 滤波器模型分析
• 4.2 高斯滤波原理
• 4.2.1 一维高斯滤波器
• 4.2.2 单位高斯冲激响应
• 4.2.3 单位高斯阶跃响应
• 4.2.4 二维的高斯滤波
• 4.3 改进算法研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验及结果
• 5.1 测量系统光路的调整
• 5.2 高斯滤波评定及仿真
• 5.2.1 信号的一维高斯滤波模型
• 5.2.2 二维高斯滤波仿真
• 5.3 Ra 参数的比较
• 5.4 系统的分辨率
• 5.4.1 水平分辫率
• 5.4.2 垂直分辫率
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢