表面粗糙度测量装置制造方法

表面粗糙度测量装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种表面粗糙度测量装置，该装置包括含有一根主发射光纤及若干收集光纤的光纤束、一根副发射光纤、一个用于容置该光纤束及副发射光纤且开设有接触待测物体的测量口的光学腔、容置于光学腔内的主副反射镜、及外部电路。该主反射镜用于将该主发射光纤发射的光线反射至该测量口的一个测试点上，还用于将待测物体反射后的光线反射至该收集光纤中。该副反射镜用于将该副发射光纤发射的光线反射至该测量口的该测试点上。该外部电路用于选择性将一束激光发射至该主发射光纤及副发射光纤，用于接收该若干收集光纤收集的光线，及用于根据接收的光线计算该待测物体的表面粗糙度。
【专利说明】表面粗糙度测量装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种表面粗糙度测量装置。

【背景技术】
[0002] 表面粗糙度是描述表面微观形貌最常用的参数之一，是表面品质的直接反映，它 在很大程度上影响和决定着零部件的使用性能，这种影响作用在机械、电子、生物医学和光 学等诸多领域都有重要体现。近几十年来表面粗糙度测量问题一直是学术界重要的研究课 题之一，随着产业发展的推动和新技术的引入，各领域内发展出许多新的测量方法。
[0003] 现有的测量方法按类型分包括接触式测量方法与非接触式测量方法。但是，现有 的测量方法大部分仅仅用于测量物体外部较大表面上的粗糙度，而对于一些物体的内部表 面粗糙度或其他难进入的区域进行表面粗糙度的测量则很困难，尤其对于一些小尺寸元件 或其上的窄槽部分进行测量则更加困难。目前最大的问题是表面粗糙度测量装置的小型化 问题。另外，若待测物体的表面很光滑，现有的测量方法很难找出该待测物体表面上加工纹 理的方向，故测试的准确度可能不满足要求。再者，现有的测试方法可能无法消除一些参数 变化带来的测试影响，例如材料反射率的变化、测试时产生的振动变化等都会影响测试的 准确性。
[0004] 所以，需要提供一种新的表面粗糙度测量装置来至少解决上述问题。


【发明内容】

[0005] 现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是 本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反， 该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。
[0006] 本发明的一个方面在于提供一种表面粗糙度测量装置。该装置包括：
[0007] -个光纤束，该光纤束包括一根主发射光纤及若干收集光纤；
[0008] 一根第一副发射光纤；
[0009] -个用于容置该光纤束及第一副发射光纤的光学腔，该光学腔开设一个接触待测 物体的测量口；
[0010] 一个容置于该光学腔内的主反射镜，用于将该主发射光纤发射的光线反射至该测 量口的一个测试点上，还用于将待测物体反射后的光线反射至该收集光纤中；
[0011] 一个容置于该光学腔内的第一副反射镜，用于将该第一副发射光纤发射的光线反 射至该测量口的该测试点上；及
[0012] 一个外部电路，用于选择性将一束激光发射至该主发射光纤及第一副发射光纤， 用于接收该若干收集光纤收集的光线，及用于根据接收的光线计算该待测物体的表面粗糙 度。
[0013] 本发明的另一方面在于提供一种表面粗糙度测量装置。该装置包括：
[0014] 一个光纤束，该光纤束包括一根主发射光纤及若干收集光纤；
[0015] 若干副发射光纤；
[0016] 一个用于容置该光纤束及副发射光纤的光学腔，该光学腔开设一个接触待测物体 的测量口；
[0017] 一个容置于该光学腔内的主反射镜，用于将该主发射光纤发射的光线反射至该测 量口的一个测试点上，还用于将待测物体反射后的光线反射至该收集光纤中；
[0018] 若干容置于该光学腔内的副反射镜，分别用于将该若干副发射光纤发射的光线反 射至该测量口的该测试点上；及
[0019] 一个外部电路，用于选择性将一束激光发射至该主发射光纤及该若干副发射光 纤，用于接收该若干收集光纤收集的光线，及用于根据接收的光线计算该待测物体的表面 粗糙度。
[0020] 相较于现有技术，本发明表面粗糙度测量装置，在一个光学腔内同时设置主副发 射光纤及主副反射镜，并分别在主发射光纤发射激光及副发射光纤发射激光后接收由收集 光纤接收的反射光线数据，并根据该两组反射光线的数据对物体的表面粗糙度进行测量。 由于应用了两组反射光线的数据，故在计算表面粗糙度时可自动补偿材料反射率的影响， 因此可大大方便测量。另外，由于本发明是应用光纤进行测量，故测量装置的尺寸可设计的 非常小，方便测量一些不容易进入的区域。此外，本发明应用两组反射光线的数据来计算表 面粗糙度还可降低由于振动或移动产生的测量偏差，并可方便寻找待测物体上加工纹理的 方向，使测量精度大大提高。再有，在无法寻找加工纹理的方向的情况下，还可提供两组或 以上的测量数据来提高测量精度。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图 中：
[0022] 图1为本发明表面粗糙度测量装置的较佳实施方式的立体示意图。
[0023] 图2为图1表面粗糙度测量装置的局部平面透视图。
[0024] 图3为图1表面粗糙度测量装置中光纤束的横截面示意图。
[0025] 图4a为图1表面粗糙度测量装置第一测量状态的示意图。
[0026] 图4b为图1表面粗糙度测量装置第二测量状态的示意图。
[0027] 图5a为本发明表面粗糙度测量装置的较佳实施方式的方框图。
[0028] 图5b为本发明表面粗糙度测量装置的另一较佳实施方式的方框图。
[0029] 图6a为仅应用一个主发射光纤测量两个不同材料反射率物体的粗糙度产生的光 强度与粗糙度之间的曲线关系图。
[0030] 图6b为仅应用一个副发射光纤测量两个不同材料反射率物体的粗糙度产生的光 强度与粗糙度之间的曲线关系图。
[0031] 图6c为同时应用主副发射光纤测量两个不同材料反射率物体的粗糙度产生的一 个比率值与粗糙度之间的曲线关系图。
[0032] 图7a为仅应用一个主发射光纤测量物体的粗糙度产生的振动位移与表征光强度 的电压之间的曲线关系图。
[0033] 图7b为仅应用一个副发射光纤测量物体的粗糙度产生的振动位移与表征光强度 的电压之间的曲线关系图。
[0034] 图7c为同时应用主副发射光纤测量物体的粗糙度产生的振动位移与粗糙度之间 的曲线关系图。
[0035] 图8a为本发明表面粗糙度测量装置测量过程中显示三个不同测试位置的示意 图。
[0036] 图8b为本发明表面粗糙度测量装置测试过程中不同测试位置角度与光强度之间 的曲线关系图。
[0037] 图9a为本发明表面粗糙度测量装置的再一较佳实施方式的方框图。
[0038] 图9b为图9a表面粗糙度测量装置计算得出的表示四组不同表面粗糙度的四组光 强度图像。
[0039] 图10为本发明表面粗糙度测量装置的另一较佳实施方式的立体示意图。

【具体实施方式】
[0040] 以下将描述本发明的【具体实施方式】，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述 过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详 尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工 程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商 业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施 方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂 并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开 揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不 应当理解为本公开的内容不充分。
[0041] 除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发 明所属【技术领域】内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权 利要求书中使用的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而 只是用来区分不同的组成部分。"一个"或者"一"等类似词语并不表示数量限制，而是表示 存在至少一个。"包括"或者"包含"等类似的词语意指出现在"包括"或者"包含"前面的 元件或者物件涵盖出现在"包括"或者"包含"后面列举的元件或者物件及其等同元件，并 不排除其他元件或者物件。"连接"或者"相连"等类似的词语并非限定于物理的或者机械 的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。
[0042] 请参考图1，为本发明表面粗糙度测量装置10的较佳实施方式的立体示意图。该 表面粗糙度测量装置10包括一个线缆适配器11、一个光纤束12、一根副发射光纤13、一个 光学腔14、一个主反射镜15及一个微型的副反射镜16。为方便示意出位于该光学腔14的 元件安排，图1、图2、图4a、图4b、图10中的光学腔14均是以透明形式示意的，但是在一些 实施方式中，该光学腔14为不透明设计。例如，在一个实施方式中，该光学腔14为不锈钢 材料制成。
[0043] 在一些实施方式中，该线缆适配器11被设计成但不限于圆柱形，用于提供一个通 信介面，以实现该光学腔14内部的光纤与外部电路之间的通信，外部电路将在后续段落中 详细说明。该光纤束12包括一根主发射光纤122及若干根收集光纤124,该主发射光纤122 位于该光纤束12的中心位置处。同样，为了方便示意出光纤束12的内部结构，在图1中仅 示意出少量的收集光纤124,实际上该收集光纤124的数量可能更多，参见图3所示意的光 纤束12的横截面示意图。在不同实施方式中，该收集光纤124的数量可以根据实际测量的 要求作适应性的调整，例如，可以设置为126根。在示意图中，该光纤束12中的光线通过一 个光纤束外壳包裹住。
[0044] 在本实施方式中，该副发射光纤13设置于该光纤束12的上方并与其相邻，并且与 该主发射光纤122具有相同的光发射方向。在其他实施方式中，该副发射光纤13也可以设 置在该光纤束12的内部，作为其内部光纤中的其中一根。为了测量一些难进入的区域，该 光纤束12的尺寸可以设计的很小。例如，该光纤束12的直径可以设计为大约2. 1毫米，并 且该光纤束12内的光纤数量为127根。
[0045] 请继续参考图2,为图1表面粗糙度测量装置10的局部平面透视图。为方便说明， 图2中还示意了一个待测物体20。在一些实施方式中，该光学腔14设计为但不限定于圆 柱形，且在一端开设一个开口 141。该光纤束12与该副发射光纤13的末端穿过该光学腔 14的开口 141并容置固定在该光学腔14内部的一部分。在一些实施方式中，该光学腔14 的直径被设置为大约3毫米，以方便测量难以进入的区域。该主反射镜15设置于该光学腔 14的内部，并且其反射镜面呈45度角朝向该光纤束12设置。在一些实施方式中，该主反 射镜15的反射区域等于或者大于该光纤束12的横截面积，以使该光纤束12内的收集光纤 124可以收集充足的经该主反射镜15反射的反射光线，用以获得充足的数据来计算待测物 体20的表面粗糙度。
[0046] 该副反射镜16也设置于该光学腔14的内部，并且在本实施方式中其反射镜面呈 小于45度角朝向该副发射光纤13设置，例如角度设置为25-35度。该副发射光纤13与该 副反射镜16之间的距离小于该光纤束12与该主反射镜15之间的距离。
[0047] 该光学腔14还开设了一个测量口 142,直接位于该主反射镜15的反射镜面的下 方，且与主反射镜15呈45度角设置。也就是说，当一束激光'a'从该主发射光纤122发射 至该主反射镜15后，该主反射镜15将该束激光'a'反射后垂直传输至该测量口 142。另 夕卜，该副反射镜16的设置需要满足以下要求：当一束激光'b'从该副发射光纤13发射至该 副主反射镜16后，该副反射镜16将该束激光'b'反射后同样传输至该测量口 142,且传输 至该测量口 142的位置与该主反射镜15反射该束激光'a'至该测量口 142的位置基本相 同。
[0048] 换句话说，当将该表面粗糙度测量装置10的测量口 142接触该待测物体20的测 量表面时，该两束反射光'a'及'b'将分别传输至该待测物体20的测量表面的同一个测量 点上。该副反射镜16的反射镜面的倾斜角度可根据该副反射镜16在该光学腔14内部的 实际安排进行设计，只要满足上述要求即可。由于本发明表面粗糙度测量装置10的尺寸设 计的非常小(例如仅3_左右)，故可测量一些难以进入的区域，如测量小零件的内孔或内槽 的表面粗糙度。其他实施方式中，该光学腔14、光纤束12、主反射镜15及副反射镜16的几 何形状设计可根据不同需要进行设计，不拘泥上述实施方式给出的例子。
[0049] 请再次参考图3,该光纤束12中包括若干收集光纤124及一个位于该收集光纤 124中心的主发射光纤122。在其他实施方式中，该一个主发射光纤122也可包括多根主发 射光纤，例如一圈主发射光纤同时发射激光束以提高光强。另外，图3中光纤排列方式及形 状仅仅为一个例子，在其他实施方式中限于该例子。
[0050] 请参考图4a，为该表面粗糙度测量装置10的第一测量状态的示意图。在该示意 图中，示意了当该主发射光纤122发射一束激光'a'后，并依次经该主反射镜15、该待测物 体20的表面、该主反射镜15的反射后传输至该收集光纤124内部的反射光'c'。图4a中 仅示意出了该反射光'c'中的两束光线，实际上该反射光'c'可能包含更多束的光线。一 般说来，当该待测物体20的表面粗糙度越大时，该反射光'c'包含的光线的数量就越多；反 之，当该待测物体20的表面粗糙度越小时，该反射光'c'包含的光线的数量就越少。该若 干根收集光纤124用于收集反射后的光线'c'，以进行后续的粗糙度计算处理。
[0051] 请参考图4b，为该表面粗糙度测量装置10的第二测量状态的示意图。在该示意 图中，示意了当该副发射光纤13发射一束激光'b'后，并依次经该副反射镜16、该待测物 体20的表面、该主反射镜15的反射后传输至该收集光纤124内部的反射光'd'。图4a中 仅示意出了该反射光'd'中的两束光线，实际上该反射光'd'可能包含更多束的光线。一 般说来，当该待测物体20的表面粗糙度越大时，该反射光'd'包含的光线的数量就越多；反 之，当该待测物体20的表面粗糙度越小时，该反射光'd'包含的光线的数量就越少。该若 干根收集光纤124还用于收集反射后的光线'd'，以进行后续的粗糙度计算处理。
[0052] 请参考图5a，为本发明表面粗糙度测量装置10的较佳实施方式的方框图，也即与 该光学腔14内部的光纤进行通信的外部电路的方框图。该外部电路包括一个激光发生器 41、一个光束切换器42、一个光电探测器43、一个信号处理器44及一个显示器45。
[0053] 该激光发生器41用于产生一束激光，其可通过该信号处理器44向该激光发生器 41发送驱动信号以触发其产生激光。该光束切换器42用于将该激光发生器41产生的激 光选择性的切换至该主发射光纤122或该副发射光纤13,即选择性地切换发射光线'a'或 'b'，其可通过该信号处理器44向该光束切换器42发送切换信号以实现切换功能。在其他 实施方式中，也可以应用两个激光发生器分别发送激光至该主发射光纤122及该副发射光 纤13,此时可去掉该光束切换器42。
[0054] 该光电探测器43用于侦测由该收集光纤124收集的经由待测物体20反射后再经 该主反射镜15反射的反射光'c'及'd'，并将该反射光'c'及'd'转换成电子信号(如电压 信号)，用于后续信号处理。在本实施方式中，该光电探测器43为一个单一的光电探测器， 在其他实施方式中，也可设置两个或多个光电探测器来提供冗余功能或每一个光电探测器 对应接收每一个反射光'c'及'd'。
[0055] 该信号处理器22用于接收经该光电探测器43转换后的电子信号，然后根据该电 子信号计算出该待测物体20的探测点处的表面粗糙度。该信号处理器22可以包括一个 或多个处理器及关联的存储器，以存储数据同时进行相应的数据处理。计算出来的数据或 结果还可储存起来并建立相应的数据库，以提供后续数据处理的参考。
[0056] 该显示器45用于将计算出来的表面粗糙度的值进行显示。本实施方式中通过显 示器45进行表面粗糙度值的显示，其他实施方式中，可将计算出来的结果直接传输至其他 的设备上，例如网络监控器上进行监控。在另一些实施方式中，计算出来的结果还可直接 与一预设的阈值进行比较，若小于或等于该阈值，这表明该结果符合要求，反之则不符合要 求。对数据处理的方式不限于上述给出的例子。
[0057] 请参考图5b，为本发明表面粗糙度测量装置10的另一较佳实施方式的方框图。 相较于图5a的实施方式，图5b的实施方式进一步增加了一个电荷藕合器件图像传感器 (charge-coupled device, CCD)46及一个分光器47。该分光器47用于将由该收集光纤124 收集到的光线（'c'或'd'）进行分光处理，即分成两个传播路径，一个仍传输至该光电探测 器43,进行后续处理，这里不再赘述；另一个则传输至该(XD46,并通过该(XD46将接收到光 线进行直接的显示，测试人员可根据该CCD46显示的图像对该待测物体20的表面粗糙度的 程度进行初步的判断，在一些测试要求不高或仅作初步判断时可应用该方法。
[0058] 请参考图6a，为仅应用该主发射光纤122测量两个不同材料反射率物体的粗糙度 产生的光强度与粗糙度（Ra)之间的曲线关系图，其中该光强度即为由该收集光纤124收集 到的光线'c'的光强度数据。图6a中的曲线61对应具有第一材料反射率的物体20,曲线 62对应具有第二材料反射率的物体20,该不同材料反射率的物体可以是相同材料制成的 物体但具有不同的材料反射率，也可以是不同材料制成的物体且具有不同的材料反射率。 由于该材料反射率的不同，则对应的光强度与粗糙度之间的关系曲线61及62也相应的不 同。换句话说，若仅应用该主发射光纤122发射光线来测量多个具有不同材料反射率的物 体时，则需要事先计算出多个对应的光强度与粗糙度之间的关系曲线(如61及62)，这就要 花费时间进行相应的计算，大大降低了效率，也就是测量粗糙度要受到材料反射率这一参 数的影响。
[0059] 请参考图6b，为仅应用该副发射光纤13测量两个不同材料反射率物体的粗糙度 产生的光强度与粗糙度（Ra)之间的曲线关系图，其中该光强度即为由该收集光纤124收 集到的光线'd'的光强度数据。图6b中的曲线63对应具有第一材料反射率的物体20， 曲线64对应具有第二材料反射率的物体20,该不同材料反射率的物体可以是相同材料制 成的物体但具有不同的材料反射率，也可以是不同材料制成的物体且具有不同的材料反射 率。由于该材料反射率的不同，则对应的光强度与粗糙度之间的关系曲线63及64同样也相 应的不同。换句话说，若仅使用该副发射光纤13发射光线来测量多个具有不同材料反射率 的物体时，也需要事先计算出多个对应的光强度与粗糙度之间的关系曲线(如63及63)，同 样要花费时间进行相应的计算，大大降低了效率，并使表面粗糙度测量装置失去实用价值， 因测量粗糙度要受到材料反射率这一参数的影响。
[0060] 请参考图6c，为同时应用该主发射光纤122及副发射光纤13测量两个不同材料 反射率物体的粗糙度产生的一个比率值与粗糙度之间的曲线关系图。其中，该比率值分别 为该具有第一材料反射率和第二反射率的物体20的主反射和副反射的光强按照一定的比 例关系公式得到，具体的比例关系公式后面会给出一个具体的例子。也就是说，图6c中的 一个比率曲线65是根据上述曲线61及63计算得出的，而另一个比率曲线66是根据上 述曲线62及64计算得出的。在一些实施方式中，该比率值R可通过以下公式计算得出： R=(kMI-kAlV(kMI+kAI) = (MI-AlV(MI+AI)。其中，k 为材料反射率，MI 为反射光线 'c' 产 生的光强度，AI为反射光线'd'产生的光强度。图6c中的比率曲线65即是根据上述公式 并基于曲线61及63计算得出的，而比率曲线66即是根据上述公式并基于曲线62及64计 算得出的。
[0061] 在上述公式 R= (kMI-kAI) AkMI+kAI) = (ΜΙ-ΑΙ) ΛΜΙ+ΑΙ)中，该材料反射率 k 被消 掉了，也就是说补偿掉了材料反射率的影响，因此计算出来的比率曲线65及66几乎重合。 也就是说，无论物体20的材料反射率如何变化，它们对应的比率曲线65及66几乎是相同 的，那么只要事先计算出其中的一个比率曲线即可，如此可大大提高效率，不需要在对不同 的材料反射率的物体测量时进行校准。例如，当该比率曲线65在测量之前被确定后，在测 量任何物体20时，分别计算出反射光线'c'及'd'产生的光强度再带入上述公式即可计算 出对应的比率值，然后根据曲线65即可得出物体20的表面粗糙度的值，而不需考虑物体20 的材料反射率这一参数对测量的影响。换句话说，本发明表面粗糙度测量装置10可自动补 偿由材料反射率变化引起的表面粗糙度的测量值的影响。
[0062] 请参考图7a，为仅应用该主发射光纤122待测物体20的粗糙度产生的振动位移 (stand-off distance)与表征光强度的电压之间的曲线关系图。也就是说，应用上述曲线 61或62来计算粗糙度时，测试时产生的振动或移动可能会导致的测量结果发生偏差，图7a 中用表征光强度的电压来说明计算后的粗糙度值，从图7a中的曲线71上可以看出，当振动 位移发生变化时，对应的表征光强度的电压将也随之变化，也就是计算后的粗糙度值也随 之变化。图7a中由于振动造成的结果偏差大概在12%左右，可能达不到测试精度要求。这 里的振动位移是指该装置10的测量口 142与待测物体20的感兴趣测量区域之间的距离。
[0063] 请参考图7b，为仅应用该副发射光纤13待测物体20的粗糙度产生的振动位移与 表征光强度的电压之间的曲线关系图。也就是说，应用上述曲线63或64来计算粗糙度时， 测试时产生的振动或移动可能会导致的测量结果发生偏差，图7b中用表征光强度的电压 来说明计算后的粗糙度值，从图7b中的曲线72上可以看出，当振动位移发生变化时，对应 的表征光强度的电压将也随之变化，也就是计算后的粗糙度值也随之变化。图7b中由于振 动造成的结果偏差大概在17%左右，同样可能达不到测试精度要求。
[0064] 请参考图7c，为同时应用该主发射光纤122及副发射光纤13待测物体20的粗糙 度产生的振动位移与计算出的粗糙度之间的曲线关系图。也就是说，应用上述曲线65或66 来计算粗糙度时，测试时产生的振动或移动也可能会导致的测量结果发生偏差，从图7c中 的曲线73上可以看出，当振动位移发生变化时，对应的粗糙度值也随之变化。但是，图7c 中由于振动造成的结果偏差大概仅在5%左右，小于12%及17%，测试精度非常高，故受测量 时产生的振动影响非常有限。
[0065] 请参考图8a，为本发明表面粗糙度测量装置10测量过程中显示三个不同测试位 置的示意图。图8a中示意出了该表面粗糙度测量装置10在待测物体20时的三种测量位 置状态X、Y、Z下的示意图，可以看出位置状态Y下，该表面粗糙度测量装置10的测量方向 与物体20的表面上加工纹理22的方向垂直，此时测试的粗糙度的结果最为准确，本发明表 面粗糙度测量装置10进一步还具有侦测物体20的表面上加工纹理22的方向的功能。
[0066] 请继续参考图8b，为本发明表面粗糙度测量装置10测试过程中不同测试位置角 度与光强度之间的曲线关系图。可以知道，当应用该副发射光纤13待测物体20的粗糙度 时，发射光线'd'的光强度越高，则表明该表面粗糙度测量装置10与物体20的表面上加工 纹理22的垂直方向越接近，当光强度达到最大值时则表明该表面粗糙度测量装置10已经 位于物体20的表面上加工纹理22的垂直方向上。可通过显示器45实时显示图8b中的曲 线，然后旋转表面粗糙度测量装置10直到曲线位于峰值为止，此时表面粗糙度测量装置10 位于物体20的表面上加工纹理22的垂直方向上，然后再进行上述的表面粗糙度的测量，从 而可获得符合要求的测量值。
[0067] 请参考图9a，为本发明表面粗糙度测量装置10的再一较佳实施方式的方框图。相 较于图5a，图9a的实施方式中应用了一个光电探测器阵列48代替图5a中的单个光电探测 器45。该光电探测器阵列48中包括的光电探测器的数量等于该收集光纤124的数量，即该 光电探测器阵列48中的光电探测器用于分别收集该收集光纤124收集到的反射光束，然后 分别转化为电子信号(如电压信号)，用于后续信号处理。
[0068] 在本实施方式中，该信号处理器44进一步用于收集该光电探测器阵列48转化的 电子信号。该信号处理器44将接收到的电子信号进一步计算得出光强度图像，并可显示与 显示器45上，也即通过显示器45将该收集光纤124收集到的反射光束直观的显示出来。 例如，图9b为计算得出的表示四组不同表面粗糙度的四组光强度图像91、92、93、94。为方 便显示，图9a中仅显示了该四组光强度图像91、92、93、94的局部图像。作为一个例子，该 四组光强度图像91、92、93、94的光强度逐渐降低，也就是说对应的表面粗糙度的值之间增 大。一些对应表面粗糙度具体值的光强度参考图像可以事先确定，然后，测量人员可通过将 计算出来的光强度图像与光强度参考图像进行比对，从而来大致确定出计算出来的光强度 图所对应的表面粗糙度的值，较适合测量要求不是很高的场合。
[0069] 请参考图10,为本发明表面粗糙度测量装置10的另一较佳实施方式的立体示意 图。相较于图1的实施方式，图10的实施方式进一步包括另一个副发射光纤17及另一个 对应的副反射镜18。相应地，该光束切换器42则用于提供三个光线传输通道分别至该主发 射光纤122及该两个副发射光纤13及17。
[0070] 该副发射光纤17设置于该光纤束12的一侧并与其相邻，并且与该主发射光纤 122具有相同的光发射方向。该副反射镜18也设置于该光学腔14的内部，并朝向该该副发 射光纤17设置。对比该副发射光纤13及副反射镜16,该副发射光纤17的设置在光纤束 12上与该副反射光纤13的设置相差大约90度，该副反射镜16的设置在光学腔14内与该 副反射镜16的设置相差大约90度。另外，该副发射光纤17及副反射镜18还需满足以下 要求：当一束激光'e'从该副发射光纤17发射至该副主反射镜18后，该副反射镜18将该 束激光'e'反射后同样传输至该测量口 142,且传输至该测量口 142的位置与该主反射镜 15反射该束激光'a'至该测量口 142的位置基本相同。
[0071] 换句话说，当将该表面粗糙度测量装置10的测量口 142接触该待测物体20的测 量表面时，该两束反射光'a'及'e'将分别传输至该待测物体20的测量表面的大致同一个 测量点上。另外，该两束反射光'a'及'e'形成的平面与该两束反射光'a'及'b'大致垂 直。该副反射镜18的反射镜面的倾斜角度可根据该副反射镜18在该光学腔14内部的实 际安排进行设计，只要满足上述要求即可。
[0072] 根据同样的计算方法，对该两束反射光'a'及'e'反射的光束进行计算也可计算 出待测物体20的表面粗糙度。之所以又设置一个副发射光纤17及一个对应的副反射镜 18,是由于某些情况下，测量装置10在测量时很难旋转，故不能根据图8a及图8b描述的方 法找出待测物体20表面上的加工纹理22。在这种情况下，基于该两束反射光'a'及'b'反 射的光束可计算得出一个表面粗糙度值，再基于该两束反射光'a'及'e'反射的光束可计 算得出另一个表面粗糙度值，将该两个计算得出的表面粗糙度的值进行比较，然后将较大 的值作为真实的表面粗糙度值，如此可提高精确度，同时使表面粗糙度测量装置在受限空 间内实现对不同加工纹理零件的粗糙度测量。在其他实施方式中，还可增加若干个副发射 光纤及对应的副反射镜，来计算出若干个表面粗糙度的值，再从中比较出一个最大的值作 为真实的表面粗糙度值，以进一步提高精确度。
[0073] 虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解， 对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明 真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
【权利要求】
1. 一种表面粗糙度测量装置，其特征在于：该装置包括： 一个光纤束，该光纤束包括一根主发射光纤及若干收集光纤； 一根第一副发射光纤； 一个用于容置该光纤束及第一副发射光纤的光学腔，该光学腔开设一个接触待测物体 的测量口； 一个容置于该光学腔内的主反射镜，用于将该主发射光纤发射的光线反射至该测量口 的一个测试点上，还用于将待测物体反射后的光线反射至该收集光纤中； 一个容置于该光学腔内的第一副反射镜，用于将该第一副发射光纤发射的光线反射至 该测量口的该测试点上；及 一个外部电路，用于选择性将一束激光发射至该主发射光纤及第一副发射光纤，用于 接收该若干收集光纤收集的光线，及用于根据接收的光线计算该待测物体的表面粗糙度。
2. 如权利要求1所述的表面粗糙度测量装置，其中该外部电路包括： 一个激光发生器，用于产生该束激光； 一个光电探测器，用于接收该若干收集光纤收集的光线并将其转换成电子信号；及 一个信号处理器，用于根据该转换的电子信号计算该待测物体的表面粗糙度。
3. 如权利要求2所述的表面粗糙度测量装置，其中该表面粗糙度的计算基于预设的一 个比率值与粗糙度之间的关系曲线得出的，该比率值为该主发射光纤发射激光后该若干收 集光纤收集的光线的光强度与该第一副发射光纤发射激光后该若干收集光纤收集的光线 的光强度之间的比例关系。
4. 如权利要求3所述的表面粗糙度测量装置，其中该比率值R可通过以下公式计算得 出：R=(MI-AIV(MI+AI)。其中，MI为该主发射光纤发射激光后该若干收集光纤收集的光线 的光强度，AI为该第一副发射光纤发射激光后该若干收集光纤收集的光线的光强度。
5. 如权利要求2所述的表面粗糙度测量装置，其中该外部电路还包括一个光束切换 器，用于选择性地将该束激光发射至该主发射光纤或该第一副发射光纤。
6. 如权利要求2所述的表面粗糙度测量装置，其中该外部电路还包括： 一个电荷藕合器件图像传感器；及 一个分光器，用于将由该收集光纤收集到的光线分别传送至该光电探测器及该电荷藕 合器件图像传感器。
7. 如权利要求1所述的表面粗糙度测量装置，其中该主发射光纤位于该光纤束的中 心。
8. 如权利要求1所述的表面粗糙度测量装置，其中该光学腔的一端设有开口，该光纤 束与该第一副发射光纤的末端穿过该开口容置固定在该光学腔内部。
9. 如权利要求8所述的表面粗糙度测量装置，其中该主反射镜设置于该光学腔的内 部，并且其反射镜面呈45度角朝向该光纤束设置。
10. 如权利要求9所述的表面粗糙度测量装置，其中该第一副反射镜设置于该光学腔 的内部，并且其反射镜面呈小于45度角朝向该第一副发射光纤设置，该第一副发射光纤与 该第一副反射镜之间的距离小于该光纤束与该主反射镜之间的距离。
11. 如权利要求1所述的表面粗糙度测量装置，其中该外部电路包括： 一个激光发生器，用于产生该束激光； 一个光电探测器阵列，包括若干光电探测器，分别用于接收该若干收集光纤收集的光 线并将其转换成电子信号；及 一个信号处理器，用于根据该转换的电子信号显示与表面粗糙度相对应的光强度图 像。
12. 如权利要求1所述的表面粗糙度测量装置，其中该装置进一步包括： 一根设于该光学腔内的第二副发射光纤；及 一个容置于该光学腔内的第二副反射镜，用于将该第二副发射光纤发射的光线反射至 该测量口的该测试点上；该外部电路还用于选择性将该束激光发射至该第二副发射光纤。
13. 如权利要求12所述的表面粗糙度测量装置，其中该表面粗糙度的计算基于预设的 一个比率值与粗糙度之间的关系曲线得出的，该比率值为该主发射光纤发射激光后该若干 收集光纤收集的光线的光强度与该第一或第二副发射光纤发射激光后该若干收集光纤收 集的光线的光强度之间的比例关系。
14. 如权利要求13所述的表面粗糙度测量装置，其中该比率值R可通过以下公式计算 得出：R=(MI-AIV(MI+AI)。其中，MI为该主发射光纤发射激光后该若干收集光纤收集的光 线的光强度，AI为该第一或第二副发射光纤发射激光后该若干收集光纤收集的光线的光强 度。
15. 如权利要求12所述的表面粗糙度测量装置，其中该主发射镜的反射光与该第一副 反射镜的反射光形成的平面与该主发射镜的反射光与该第二副反射镜的反射光形成的平 面垂直。
16. 如权利要求15所述的表面粗糙度测量装置，其中该第二副发射光纤的设置在光纤 束上与该第一副反射光纤的设置相差90度。
17. 如权利要求12所述的表面粗糙度测量装置，其中该外部电路还包括一个光束切换 器，用于选择性地将该束激光发射至该主发射光纤或该第一副发射光纤或该第二副发射光 纤。
18. -种表面粗糙度测量装置，其特征在于：该装置包括： 一个光纤束，该光纤束包括一根主发射光纤及若干收集光纤； 若干副发射光纤； 一个用于容置该光纤束及副发射光纤的光学腔，该光学腔开设一个接触待测物体的测 量口； 一个容置于该光学腔内的主反射镜，用于将该主发射光纤发射的光线反射至该测量口 的一个测试点上，还用于将待测物体反射后的光线反射至该收集光纤中； 若干容置于该光学腔内的副反射镜，分别用于将该若干副发射光纤发射的光线反射至 该测量口的该测试点上；及 一个外部电路，用于选择性将一束激光发射至该主发射光纤及该若干副发射光纤，用 于接收该若干收集光纤收集的光线，及用于根据接收的光线计算该待测物体的表面粗糙 度。
19. 如权利要求18所述的表面粗糙度测量装置，其中该表面粗糙度的计算基于预设的 一个比率值与粗糙度之间的关系曲线得出的，该比率值为该主发射光纤发射激光后该若干 收集光纤收集的光线的光强度与该若干副发射光纤之一发射激光后该若干收集光纤收集 的光线的光强度之间的比例关系。
20.如权利要求19所述的表面粗糙度测量装置，其中该比率值R可通过以下公式计算 得出：R=(MI-AIV(MI+AI)。其中，MI为该主发射光纤发射激光后该若干收集光纤收集的 光线的光强度，AI为该若干副发射光纤之一发射激光后该若干收集光纤收集的光线的光强 度。
【文档编号】G01B11/30GK104121872SQ201310150620
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月26日 优先权日:2013年4月26日
【发明者】谢广平, 贾明, 翟梓融, 保罗.查劳瑞, 凯文.G.哈丁, 宋桂菊 申请人:通用电气公司