专利名称：激光表面阻糙度检测仪装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光和光电技术在表面粗糙度测量中的应用。
用光散射原理测量表面粗糙度是一种新方法，其显著特征是非接触测量，面积采样，测量速度快等。现有的光散射测量方法中，多采用He－Ne激光器作为光源，用硅光电池接收反射光和散射光，其二者之比值与表面粗糙度轮廓算术平均偏差Ra值有一定的对应关系。但这种方法受光强变化和工作材料不同的影响大，整个装置庞大，使用不方便。1984－1986年，联邦德国R.Brodman和G.Thurn等人在Ann.CIRP，33(1)1984；Opt.ENg.24(3)1985；和Wear，109(1)1986等杂志上发表了研究光学表面粗糙度测量仪器的报告，其原理是当一束光投射到工件表面上时，由于表面粗糙度的调制，散射光呈特定的强度角分布，並近似地服从正态分布，其分布标准差与Ra值在一定范围内有确定的函数关系，这样通过测量表面散射光的强度角分布的标准差SN，即光学散射特征值，便可得到Ra值。其特点是光路结构紧凑，对被测工件的位置要求不高(位移±2mm，倾斜±2°)，但是，由于采用发光二极管作光源，用透镜进行准直，导致仪器有以下不足之处1.发光二极管发光效率低，发散角大，仪器功耗大，2.透镜准直系统准直效果差，光损失大，使得光电信号下降，信噪比低，3.光路调整困难，要求严格，对噪声抑制能力弱。
本实用新型的目的是针对现有技术不足而提供一种激光表面粗糙度检测仪装置，它采用半导体激光器、光学纤维和更合理的光路结构，具有功耗低，抗干扰能力强，稳定性好，测量范围大，体积小、成本低的便携式激光表面粗糙度测量仪器。
图1为激光表面粗糙度检测仪结构示意图。
图2为激光表面粗糙度检测仪结构原理图。
(1)激光电源，(2)半导体激光器，(3)自聚焦透镜，(4)测量物镜，(5)被测工件表面，(6)聚光柱面镜，(7)光电三极管阵列，(8)前置放大器，(9)A／D模数转换器，(10)MCS－51单片微机，(11)LED显示，(12)输入键，(13)分光镜。
本实用新型提供的激光表面粗糙度检测仪装置如图1图2所示，它由测量头和电箱两部分组成。测量头含有半导体激光器(2)，光纤自聚焦透镜(3)，测量物镜(4)和聚光柱面镜(6)，被测工件表面(5)和光电三极管阵列(7)分别位于测量物镜的物、象方焦面处，被测工件位置变化允差±2mm；倾斜允许±2°；电箱由激光电源(1)，前置放大器(8)，A／D模数转换器(9)，MCS－51单片微机(10)，LED显示(11)和键盘(12)组成。
由自稳功率激光电源(1)提供电能使半导体激光器(2)输出恒定功率的光，经光纤自聚焦透镜(3)后成为平行光，通过测量物镜(4)聚焦于被测工件表面(5)，其光斑大约为1.5mm，表面的散射光经测量物镜后变为一带状平行光，表面上的光斑相当于系统的光栏，构成远心光路，可减小物镜调焦不准确带来的影响，聚光柱面透镜(6)将散射光带会聚于光电三极管阵列(7)上，其作用是提高接收光的效率，扩大测量范围，阵列将散射光角分布变为电信号，经前置放大器(8)和A／D模数转换器(9)送入单片微机(10)进行处理，并由数码管LED显示器(11)显示出对应的Ra，Rz或显示出旧国标的相应级别。对不同的加工方法，其光学散射特征值SN与Ra值的关系不一致，由实验归结为三类表面，测量时由键盘(12)进行选择。
为使散射光信号稳定，本实用新型采用自稳功率激光电源，其电源电路原理如图4所示。
图4为自稳功率激光电源电路原理图。
由IC1、BG提供一稳定的电压，IC2将光探测器PD的光电流转化为电压，在电压比较器IC3中，调节Ws可得到所需的激光功率输出。
如果由于环境条件变化或者是电路本身的原因使得激光输出光功率升高，那么对应有PD中电流增大，IC2输出电压也增大，电压比较器IC3输出电压减小，使BG2管阻抗增大，半导体激光器LD回路中电流IF减小，这样LD的驱动电流减小，其输出光功率的升高便得到抑制。
本实用新型提供的光纤自聚焦透镜作为半导体激光器的准直系统，光纤长度L取为0.23P，P为光纤节距。与激光波长有关，其准直光束平行性达1°左右。
本实用新型提供的测量头光路结构有两种形式如图2、图3所示。
图2为第一种形式的测量头光路结构，这种结构光损失小，光路紧凑，但散射光带稍许弯曲影响测量范围，加柱面镜后有一定改善。
图3为第二种形式测量头光路结构图。
(13)分光镜，其编号同前。
第二种形式的测量头光路结构由激光器、光纤自聚焦透镜、分光镜(13)，测量物镜组成，被测工件表面和光电三极管阵列也位于测量物镜的物、象方焦面处，被测工件位置变化允差±2mm，倾斜允许±2°这种结构光损失大，由于为垂直入射，散射率减小，但散射带为直线，测量范围较大。
本实用新型具有如下优点1.光能利用率高，耗电小(300mW－500mW)，可采用干电池供电。
2.散射光信号光强大，信噪比高，抗干扰能力强。
3.测量范围大，0.001＜Ra＜3.2μm，重复精度高，优于2％，对被测表面材料不敏感。
4.对被测表面的位置，振动等干扰不敏感，位置变化允许±2mm，倾斜允许±2°。
5.仪器体积小、重量轻、携带方便、灵活、适用于广大工厂或企业生产上推广应用，有显著地经济效益和社会效益。
实施例本实用新型提供的激光表面粗糙度检测仪装置如图1，2，3所示，可用常规的光学、机械加工制作。标准产品如A／D模数转换器，MCS－51单片微机，LED显示和输入键盘等都可在市场购置，一般工程技术人员均能按图制造组装、调试和正常使用。
权利要求1.一种激光表面粗糙度检测仪装置[1][2]，其特征在于它由可以手持工作的测量头和电箱组成，测量头含有半导体激光器(2)，光纤自聚焦透镜(3)，测量物镜(4)和聚光柱面镜(6)，被测工件表面(5)和光电三极管阵列(7)分别位于测量物镜的物、象方焦面处，电箱由自稳功率激光电源(1)，前置放大器(8)，A/D转换器(9)，Mcs-51单片微机(10)，LED显示(11)和键盘(12)组成。
2.按照权利要求1所述激光表面粗糙度检测仪装置，其特征在于所述测量头光路结构由自稳功率激光电源(1)提供电能使半导体激光器(2)输出恒定功率的光，经光纤自聚焦透镜(3)后成为平行光，通过测量物镜(4)聚焦于被测工件表面(5)，其光斑大约为1.5mm，表面的散射光经测量物镜后变为一带状平行光，表面上的光斑相当于系统光栏，构成远心光路，可减小物镜调焦不准确带来的影响，聚光柱面透镜(6)将散射光带会聚于光、电三极管阵列(7)上，阵列将散射光角分布变为电信号，经前置放大器(8)和A／D模数转换器(9)送入单片微机(10)进行处理，并由数码管LED(11)显示出对应的Ra、Rz值或显示出旧国标的相应级别，对不同的加工方法，由实验归结为三类表面，测量时由键盘(12)进行选择。〔2〕
3.按照权利要求1或2所述激光表面粗糙度检测仪装置，其特征在于所述自稳功率激光电源有一个电源电路装置〔4〕。
4.按照权利要求1或2所述激光表面粗糙度检测仪装置，其特征在于所述光纤自聚焦透镜(光纤)作为半导体激光器的准直系统，光纤长度L取为0.23P，P为光纤节距，与激光波长有关，直径d＝φ1.8mm，数值孔径NA＝0.37，其准直光束平行性可达1°左右。
专利摘要一种激光表面粗糙度检测仪装置。该装置由测量头和电箱组成，测量头含有激光器2，光纤自聚焦透镜3，测量物镜4，聚光柱面镜6组成，电箱由自稳功率激光源1，前置放大器8，A/D转换器9，单片机10，LED显示11和键盘12组成。它通过对表面散射光的分析，快速的确定表面粗糙度的表征参数R
文档编号G01B11/30GK2075770SQ90214799
公开日1991年4月24日 申请日期1990年7月24日 优先权日1990年7月24日
发明者周卫东, 王世华, 周肇飞 申请人:成都科技大学