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表(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)儀的(de)工作原理表(biao)面(mian)(mian)質量(liang)的(de)特性(xing)是零(ling)件(jian)zui重要的(de)特性(xing)之一(yi)，在計量(liang)科學中表(biao)面(mian)(mian)質量(liang)的(de)檢測具(ju)有重要的(de)地(di)位(wei)。zui早人們是用標(biao)準樣(yang)(yang)件(jian)或樣(yang)(yang)塊，通過肉眼觀(guan)察或用手(shou)觸摸，對表(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)做出定(ding)性(xing)的(de)綜(zong)合評定(ding)。
1929年德國的施馬爾茨（g.schmalz）首先對表面(mian)微觀(guan)不平度的深度進(jin)行了(le)定量(liang)測量(liang)。1936年(nian)美國(guo)的艾卜特（e.j.abbott）研制成(cheng)功*臺(tai)車(che)間用的測量表(biao)面粗糙度的輪(lun)廓儀。1940年(nian)英國taylor-hobson公司(si)研(yan)制成功表面粗(cu)糙度測量儀“泰呂塞夫（talysurf）”。以后，各國又相繼研制出多種(zhong)測(ce)量(liang)(liang)(liang)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度的儀器。目前(qian)，測(ce)量(liang)(liang)(liang)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度常用(yong)的方法(fa)有(you)：比較(jiao)(jiao)法(fa)、光切(qie)法(fa)、干(gan)涉法(fa)、針描法(fa)和(he)印模(mo)法(fa)等(deng)，而(er)測(ce)量(liang)(liang)(liang)迅速方便(bian)、測(ce)值精度較(jiao)(jiao)高、應用(yong)的就(jiu)是(shi)采(cai)用(yong)針描法(fa)原理的表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度測(ce)量(liang)(liang)(liang)儀。
將詳細討論表面粗糙度測量儀的原(yuan)理及(ji)其改進方案。
1傳統表(biao)面粗糙度(du)測量儀的工作原(yuan)理
1.1針描法針描法又稱觸針法。
當觸(chu)(chu)針直(zhi)接在工件(jian)被測表(biao)面上輕輕劃過時，由于(yu)被測表(biao)面輪廓峰(feng)谷起(qi)伏，觸(chu)(chu)針將(jiang)(jiang)在垂直(zhi)于(yu)被測輪廓表(biao)面方向(xiang)上產(chan)生上下移動，把這種移通(tong)(tong)過電子裝置把信(xin)號(hao)加以放大(da)，然(ran)后通(tong)(tong)過指零表(biao)或其它輸出(chu)裝置將(jiang)(jiang)有關粗糙度(du)的數據或圖形輸出(chu)來。
1.2儀器的工(gong)作原理采用針描法原理的表(biao)面(mian)粗糙度測量(liang)儀由傳感器、驅動器、指零(ling)表(biao)、記錄器和工(gong)作臺等主要部件(jian)組(zu)成。
電感傳感器(qi)是輪廓儀的主(zhu)要部(bu)件之(zhi)一，其工作原理見圖2，在傳(chuan)感(gan)器測(ce)桿的(de)一端裝(zhuang)有(you)金剛石觸(chu)針(zhen)(zhen)，觸(chu)針(zhen)(zhen)曲率半(ban)徑r很小，測量(liang)時將觸針搭在工件上(shang)(shang)，與被測表(biao)面(mian)(mian)(mian)垂直接(jie)觸，利用驅(qu)動(dong)器(qi)以一(yi)定的速度(du)拖動(dong)傳感(gan)器(qi)。由(you)于(yu)被測表(biao)面(mian)(mian)(mian)輪(lun)廓峰谷起伏(fu)，觸狀在被測表(biao)面(mian)(mian)(mian)滑行時，將產生上(shang)(shang)下移(yi)動(dong)。此運動(dong)經支點使磁芯同步地上(shang)(shang)下運動(dong)，從(cong)而使包圍在磁芯外面(mian)(mian)(mian)的兩個差動(dong)電(dian)感(gan)線圈的電(dian)感(gan)量(liang)發(fa)生變化。圖(tu)3為儀器(qi)(qi)的(de)工作原(yuan)理主框圖。傳感器(qi)(qi)的(de)線圈(quan)與測量線路是(shi)直(zhi)接接入(ru)平衡電(dian)橋的(de)，線圈(quan)電(dian)感量的(de)變(bian)化(hua)使(shi)電(dian)橋失去平衡，于(yu)是(shi)就輸出一(yi)(yi)個和觸針(zhen)上(shang)下(xia)的(de)位(wei)移量成正比的(de)信號，經(jing)電(dian)子裝置將這一(yi)(yi)微弱電(dian)量的(de)變(bian)化(hua)放(fang)大、相敏檢波后(hou)(hou)，獲(huo)得能表示(shi)觸針(zhen)位(wei)移量大小和方(fang)向的(de)信號。此(ci)后(hou)(hou)，將信號分成三路：一(yi)(yi)路加到(dao)指零表上(shang)，以表示(shi)觸針(zhen)的(de)位(wei)置，一(yi)(yi)路輸至直(zhi)流功率放(fang)大器(qi)(qi)，放(fang)大后(hou)(hou)推(tui)動記錄器(qi)(qi)進行記錄；另一(yi)(yi)路經(jing)濾波和平均表放(fang)大器(qi)(qi)放(fang)大之后(hou)(hou)，進入(ru)積分計算(suan)器(qi)(qi)，進行積分計算(suan)，即可由指示(shi)表直(zhi)接讀出表面粗糙度ra值(zhi)。指(zhi)零(ling)(ling)(ling)(ling)表的作用反映鐵芯(xin)在(zai)差(cha)動(dong)電感(gan)線(xian)圈(quan)中所處的位(wei)(wei)置。當鐵芯(xin)處于差(cha)動(dong)電感(gan)線(xian)圈(quan)的中間位(wei)(wei)置時，指(zhi)零(ling)(ling)(ling)(ling)表指(zhi)針(zhen)指(zhi)示(shi)出零(ling)(ling)(ling)(ling)位(wei)(wei)，即保(bao)證處于電感(gan)變化的線(xian)性范圍之內。所以，在(zai)測(ce)量(liang)之前，必須調整(zheng)指(zhi)零(ling)(ling)(ling)(ling)表，使其處于零(ling)(ling)(ling)(ling)位(wei)(wei)。噪聲(sheng)濾波的目的在(zai)于剔除一些(xie)干擾信號，如電氣元件(jian)的噪聲(sheng)所引起(qi)的虛假信號。大(da)量(liang)的測(ce)試表明，高于400hz的信號(hao)即不是被(bei)測表(biao)面粗糙度所(suo)引的信號(hao)，必須(xu)從總信號(hao)中加以剔除。所(suo)以噪聲濾波器(qi)是一種低通（低頻能(neng)通過）濾波器(qi)，它(ta)使400hz以下(xia)的低頻信號順(shun)利通過，而(er)將400hz以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)高頻信(xin)號迅速(su)衰減，從而達到(dao)濾(lv)(lv)(lv)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)。波(bo)(bo)度濾(lv)(lv)(lv)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)則是(shi)用(yong)以(yi)(yi)濾(lv)(lv)(lv)掉距大(da)于取樣長(chang)度的(de)(de)(de)波(bo)(bo)度，因此它(ta)是(shi)一個高通（高頻能通過(guo)）濾(lv)(lv)(lv)波(bo)(bo)器，使表(biao)面粗糙(cao)度所引(yin)起(qi)的(de)(de)(de)高頻（相對于波(bo)(bo)度引(yin)起(qi)的(de)(de)(de)低頻而言(yan)）信(xin)號能自由通過(guo)。經(jing)過(guo)噪(zao)聲濾(lv)(lv)(lv)波(bo)(bo)和波(bo)(bo)度濾(lv)(lv)(lv)波(bo)(bo)以(yi)(yi)后，剩(sheng)下來的(de)(de)(de)就是(shi)與被測表(biao)面粗糙(cao)度成比例的(de)(de)(de)信(xin)號，再經(jing)平均表(biao)放大(da)器后，所輸出(chu)的(de)(de)(de)電流(liu)i與被測表面輪廓各(ge)點偏離中線的高度(du)y的(de)值(zhi)成(cheng)正(zheng)比，然(ran)后經(jing)積(ji)分器完成(cheng)的(de)積(ji)計算(suan)，得出ra值，由(you)指零(ling)表顯示出(chu)來。這種(zhong)儀器適用于(yu)測定0.02-10μm的ra值(zhi)，其中(zhong)有少數型號的儀器還可(ke)測定(ding)更(geng)小的參數值(zhi)，儀器配有各種附件，以(yi)適應平(ping)面(mian)、內外圓(yuan)柱面(mian)、圓(yuan)錐面(mian)、球面(mian)、曲面(mian)、以(yi)及小孔、溝槽等形狀的工件表面(mian)測量(liang)。測量(liang)迅速方便(bian)，測值(zhi)精度高。2傳(chuan)統(tong)表面粗糙度測量儀的不(bu)足(zu)傳(chuan)統(tong)表面粗糙度測量儀存在以下幾個(ge)方面的不(bu)足(zu)：
（1）測量參數較(jiao)少，一般(ban)僅(jin)能測出ra、rz、ry等少量參數；
（2）測量精度(du)較低，測量范圍較小，ra值的范圍(wei)一(yi)般為0.02-10μm左右；
（3）測量方式不靈(ling)活，例如：評定(ding)長度的(de)選取，濾波(bo)器的(de)選擇(ze)等；
（4）測量結果的(de)輸出不直觀。造成上述幾個(ge)方(fang)面不足的(de)主(zhu)要原(yuan)因(yin)是：系統的(de)可靠性不高(gao)，模(mo)擬信(xin)號的(de)誤差(cha)較大且不便(bian)于處理等(deng)。
3對傳統表面(mian)粗糙度測量(liang)儀(yi)的改進
3.1傳統表(biao)面粗糙度(du)測量儀的改進方案為了克服傳統表(biao)面粗糙度(du)測量儀的不足，應該采(cai)用(yong)計(ji)算機系(xi)統對其進行改進。例如，英國蘭克精密機械有(you)限公司制造的“泰呂塞夫（talysurf）”10型(xing)和我國哈爾濱量具(ju)刃具(ju)廠制造的2205型表面粗糙度(du)測量(liang)儀就(jiu)采(cai)用了計算(suan)機(ji)系統，使其性能較之傳統表面粗糙度(du)測量(liang)儀有極(ji)大的提高。
其基本原理如圖(tu)4所示(shi)，從相(xiang)敏整流輸出的(de)模擬信號，經過放大及(ji)電平(ping)轉換之后進(jin)入數據采集系統，計(ji)算(suan)(suan)機(ji)自動地將(jiang)其采集的(de)數據進(jin)行數字(zi)濾波和(he)計(ji)算(suan)(suan)，得到測(ce)量結果，測(ce)量結果及(ji)輪廓圖(tu)形在顯示(shi)器顯示(shi)或打印(yin)輸出。要采用(yong)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)系統對傳統的(de)表面粗糙(cao)度(du)測(ce)量儀進(jin)行改進(jin)，就要編制相(xiang)應的(de)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)軟件，zui*采用(yong)比較直觀(guan)的(de)菜單形式。可以按(an)如圖(tu)5所示的菜(cai)單(dan)使用(yong)流程圖編制軟件：
3.2改進(jin)后的(de)表(biao)面粗(cu)糙度測量儀的(de)功能及(ji)使用效果(guo)由于(yu)采(cai)用計算機系統，將模(mo)擬信號轉換為(wei)數(shu)字信號進(jin)行靈活的(de)處理，顯(xian)著地提高(gao)了系統的(de)可靠性(xing)，所以既(ji)大大增加了測量參數(shu)的(de)數(shu)量，又提高(gao)了測量精(jing)度。例如：哈爾濱量具(ju)刃具(ju)廠制(zhi)造的(de)2205型表面粗(cu)糙(cao)度測(ce)量儀(yi)的測(ce)量參(can)數多(duo)達二十六(liu)個，測(ce)量范圍(wei)為0.001～50μm，可任選1～5倍的(de)(de)(de)取(qu)樣長度作為評定長度，測(ce)量結(jie)果及(ji)圖(tu)形(xing)在(zai)顯示器、打印機或(huo)繪圖(tu)儀上非常直觀(guan)地輸出來。它(ta)還(huan)采用了較為先選的(de)(de)(de)可選擇(ze)的(de)(de)(de)數字濾(lv)波器，它(ta)與(yu)模擬濾(lv)波器相(xiang)比(bi)其特性更(geng)為準確，且不會有元器件(jian)(jian)參數誤差帶來的(de)(de)(de)影(ying)響。另一方面(mian)，若在(zai)表面(mian)粗糙(cao)度儀測(ce)量實驗的(de)(de)(de)教學過(guo)程(cheng)中(zhong)引入改進后(hou)的(de)(de)(de)表面(mian)粗糙(cao)度儀，就(jiu)實驗的(de)(de)(de)直觀(guan)教學功能而言(yan)，也很有意(yi)義。改進后(hou)的(de)(de)(de)電動輸廓儀，通過(guo)計算機軟件(jian)(jian)與(yu)硬件(jian)(jian)的(de)(de)(de)結(jie)合（尤其是軟件(jian)(jian)）大大加強(qiang)了實驗過(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)直觀(guan)性，這體現(xian)在(zai)以下幾(ji)個(ge)方面(mian)：
（1）整個(ge)實驗過程非常直(zhi)觀地(di)通過軟件的(de)各級菜單(dan)進行控(kong)制。操(cao)作簡單(dan)、一目了然。
（2）輸入與(yu)顯(xian)示同步，即在測量進(jin)行過程的(de)同時，觸針在被測表(biao)面上滑(hua)行的(de)軌跡動態地顯(xian)示在計算機屏(ping)幕上。
（3）測量(liang)結果(guo)及相關圖(tu)形能非常直(zhi)觀(guan)地(di)、準確(que)地(di)輸(shu)出在顯示(shi)器、打印機或繪圖(tu)儀上。很顯然，以上這些直(zhi)觀(guan)的(de)(de)教學(xue)效果(guo)是其(qi)(qi)它(ta)傳統的(de)(de)表面粗(cu)糙(cao)度測量(liang)實驗(yan)方(fang)法所不具備的(de)(de)。它(ta)在得到正確(que)的(de)(de)測量(liang)結果(guo)的(de)(de)同時，還充分(fen)運(yun)用了(le)直(zhi)觀(guan)教學(xue)的(de)(de)原(yuan)理，幫(bang)助(zhu)學(xue)生加深對表面粗(cu)糙(cao)度的(de)(de)概念及其(qi)(qi)各種(zhong)參數的(de)(de)直(zhi)觀(guan)理解。
4結束語
（1）傳(chuan)統(tong)的(de)(de)表面粗糙度(du)測(ce)量儀由傳(chuan)感(gan)器、驅動器、指零表、記錄器和工作(zuo)臺等主要部件組成，從輸(shu)入到輸(shu)出全過程均為模擬(ni)信號(hao)。而在傳(chuan)統(tong)的(de)(de)表面粗糙度(du)測(ce)量儀的(de)(de)基礎(chu)上，采用計算機(ji)系統(tong)對其進行改進后，通(tong)過模-數轉(zhuan)(zhuan)換(huan)將模擬量(liang)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)為數字(zi)量(liang)送入計算機進行處理，使得(de)儀器(qi)在(zai)測(ce)量(liang)參數的(de)數量(liang)、測(ce)量(liang)精度(du)、測(ce)量(liang)方式(shi)的(de)靈活性、測(ce)量(liang)結果輸出(chu)的(de)直觀性等方面有了(le)極大的(de)提(ti)高。
（2）從前面的分(fen)析知(zhi)，整個改進方案并(bing)不復雜，因此(ci)對于(yu)目前仍廣(guang)泛使用的傳統的表面粗糙度測量儀(yi)的改進具有一定的意義。
（3）隨(sui)著電子技術的(de)進(jin)步，某些型號的(de)表面粗(cu)糙(cao)度(du)儀(yi)還(huan)可將表面粗(cu)糙(cao)度(du)的(de)凹凸不(bu)平(ping)作三維處理(li)，測量(liang)時在相(xiang)互平(ping)行的(de)多個截面上進(jin)行，通過模-數變換器，將(jiang)模擬量轉換為(wei)數字量，送(song)入計算機進行數據處(chu)理，記錄(lu)其三維放大圖形(xing)，并(bing)求出等高線圖形(xing)，從而(er)更加合理的評(ping)定被測面(mian)的表面(mian)粗糙度(du)。
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