張成云，劉佐濂，揭 海，鄭 佳，吳偉豪

(廣州大學(xué)，廣東 廣州 510006)

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光纖表面粗糙度檢測(cè)系統(tǒng)的研究

張成云，劉佐濂，揭 海，鄭 佳，吳偉豪

(廣州大學(xué)，廣東 廣州 510006)

基于傳光型光纖傳感器，利用反射式光強(qiáng)調(diào)制原理，設(shè)計(jì)了一套材料表面粗糙度的檢測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包含光源、Y型光纖束、反射調(diào)節(jié)控制裝置和數(shù)據(jù)采集部分，采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)。分析了光纖束端面與檢測(cè)樣品距離的變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

光纖傳感器；表面粗糙度；光散射

表面粗糙度在機(jī)械加工中描述表面微觀形貌十分重要的一個(gè)參數(shù)。目前常見的表面粗糙度測(cè)量方法分為接觸式和非接觸式兩類，包括觸針?lè)?、光切法、散斑法、光學(xué)傳感器法和AFM等[1]，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的不斷提高，精密檢測(cè)技術(shù)不斷向高精度方向發(fā)展，但檢測(cè)設(shè)備的價(jià)格也就不斷上升?；诠饫w傳光的反射式表面粗糙度檢測(cè)方案可以實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)測(cè)量，具有較高的性價(jià)比[2]。

1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳光型光纖表面粗糙度檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示[3]。

圖1 光纖表面粗糙度檢測(cè)系統(tǒng)框圖

用白光LED作為檢測(cè)用光源，白光耦合進(jìn)Y型光纖的入射端，由光纖束端面出射照射到待測(cè)樣品表面，發(fā)生反射和散射，樣品表面越粗糙，散射光越強(qiáng)，經(jīng)由光纖束端面耦合進(jìn)光纖的光就越多，所以耦合進(jìn)光纖的光強(qiáng)就包含了樣品表面粗糙度的信息，包含待測(cè)信息的光經(jīng)過(guò)出射光纖被光電二極管探測(cè)，反向偏置的光電二極管將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，最終通過(guò)運(yùn)放轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。被測(cè)樣品固定在微動(dòng)工作臺(tái)上，可沿著光傳輸方向微調(diào)[4]。

采用STC89C52作為控制器，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換和控制器處理后，最終通過(guò)液晶顯示器顯示。由于是基于反射式光強(qiáng)的檢測(cè)原理，所以光源的穩(wěn)定性尤為重要，為此需要給白光LED提供恒定的穩(wěn)壓電源，以保證光強(qiáng)的穩(wěn)定性，減少對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

Y型光纖如圖2a所示,光纖束端面采用同心圓分布結(jié)構(gòu)，光纖束端面的實(shí)物和結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖2a內(nèi)插圖(紅色圈內(nèi))和圖2b所示,圓心處為入射光纖束(藍(lán)色所示)，同心圓環(huán)處為出射光纖束(紅色所示)。

圖2 a)Y型光纖束實(shí)物圖；b)光纖束端面結(jié)構(gòu)示意圖

2 待測(cè)樣品的處理

可以看出測(cè)量過(guò)程中需要微調(diào)被測(cè)樣品和光纖束端面的距離，為此在螺旋測(cè)微頭的一端固定一個(gè)圓盤，待測(cè)樣品通過(guò)磁鐵吸合在固定圓盤上，螺旋測(cè)微頭通過(guò)支架水平固定在底盤上，測(cè)量過(guò)程中通過(guò)螺旋測(cè)微頭來(lái)微調(diào)待測(cè)樣品和光纖探頭的距離。樣品處理時(shí)，使用了六種不同目數(shù)的砂紙對(duì)鋁膜的表面進(jìn)行研磨加工，分別是80目、220目、600目、1 200目、2 000目、2 500目以及5 000目，可以得到7個(gè)表面粗糙程度不同的待測(cè)樣品，通過(guò)蔡司顯微鏡觀測(cè)不同粗糙度的鋁箔樣品，得到的光學(xué)顯微鏡圖片(20×)如圖3所示，可以看出，使用研磨砂紙的目數(shù)越高，樣品表面越光滑。

圖3 不同粗糙度鋁箔樣品光學(xué)顯微鏡圖片

本文的粗糙度通過(guò)不同目數(shù)的砂紙上顆粒大小來(lái)表征，目數(shù)簡(jiǎn)單定義為1英寸長(zhǎng)度中的篩孔數(shù)目，即1英寸的單位長(zhǎng)度內(nèi)排列的顆粒數(shù)量，利用下列公式計(jì)算不同目數(shù)砂紙上的顆粒大?。?/p>

D=15400/M

式中D為顆粒直徑大小，單位為μm，M為目數(shù)。則不同目數(shù)的砂紙表面的顆粒粒度大小由粗到細(xì)分別為：192.5 μm，70 μm，25.67 μm，12.83 μm，7.7 μm,6.16 μm，3.08 μm，用于表征研磨處理的鋁箔的表面粗糙度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)量不同粗糙度的樣品得到的輸出電壓信號(hào)如圖4所示。

圖4 不同粗糙度的鋁箔樣品輸出的電壓信號(hào)

對(duì)同一個(gè)樣品，測(cè)量距離由0逐漸增加，輸出電壓信號(hào)也由0逐漸增加到最大值后又逐漸減小，對(duì)應(yīng)耦合到出射光纖的光信號(hào)的變化趨勢(shì)，而在極大值附近輸出的電壓信號(hào)變化緩慢。不同粗糙度的樣品的測(cè)量結(jié)果顯示表面越光滑的樣品輸出的電壓信號(hào)也比較大，但整體變化趨勢(shì)一致，所有測(cè)量的樣品在距離 處都有極大值，表明在此位置處耦合效率最高，測(cè)量靈敏度最大，因此對(duì)于鋁合金樣品的微調(diào)位置為 處。取出所有樣品在此位置的輸出電壓極值，得到粗糙度和電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 粗糙度和電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)曲線

圖中的點(diǎn)表示實(shí)測(cè)的不同粗糙度所對(duì)應(yīng)的輸出電壓極值將不同粗糙度的待測(cè)樣品置于測(cè)量位置，測(cè)出電壓信號(hào)，通過(guò)編寫上述方程的程序，在控制單元計(jì)算出粗糙度的數(shù)值。

4 結(jié) 論

基于反射式光強(qiáng)調(diào)制的光纖粗糙度檢測(cè)系統(tǒng)，具有快速、在線、非接觸檢測(cè)和較高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，利用簡(jiǎn)易的螺旋測(cè)微裝置實(shí)現(xiàn)位置的微調(diào)，提高測(cè)量靈敏度。為工業(yè)生產(chǎn)中表面粗糙度的檢測(cè)提供了方便快捷的檢測(cè)方法。

[1] 劉斌,馮其波，匡革方.表面粗糙度測(cè)量方法綜述[J].光學(xué)儀器，2004,26(5)：54-58.

[2] 孫圣和，王廷云，徐影.光纖測(cè)量與傳感技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大些出版社,2007：98-99.

[3] 張曉鵬，韓仁學(xué)，張楊，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015(2)：114-116.

[4] 任俊山.物理綜合性實(shí)驗(yàn)研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015(1)：104-106.

Research of Surface Roughness Detection System Based on Fiber

ZHANG Cheng-yun,LIU Zuo-lian,JIE Hai,ZHENG Jia,WU Wei-hao

(Guangzhou University,Guangdong Guangzhou 510006)

The design of a surface roughness detection system is based on light-transmitting fiber-optic sensor and the principle of reflecting and optical intensity modulating.The whole system,by single chip microcomputer as the control system,includes light source,Y-type fiber bundle,reflection adjustment control device and data acquisition section.It analyzes thatthe change of distance between the fiber bundle end face and thetesting samples has a marked impactontest results.

fiber；surface roughness；detection system

2016-06-02

廣州大學(xué)2015年度大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201511078064)；廣州大學(xué)2015年度教育教學(xué)研究項(xiàng)目一般項(xiàng)目(JY201548)

1007-2934(2016)05-0030-03

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.008