基于白光相移干涉法的表面三维微观轮廓测量技术研究

摘要

在生产加工过程中，随着光学元件、微机械以及其它各种零件精加工表面的不断出现，对零件表面的性能要求越来越高。相应地，对零件表面微观结构和状态的测量及评定也提出了更高的要求。传统的二维测量和评定虽然测量手段和评定方法比较完善，但二维测量和评定不能全面真实地反映出表面的微观状态，也不能和表面功能建立起很好的联系。而表面三维微观轮廓和三维粗糙度参数由于能更全面、更真实地反映零件表面的特征及衡量表面的质量而越来越受到重视，因此表面三维微观轮廓的测量及三维粗糙度的评定的研究显得非常重要。
　　在分析和总结国内外非接触表面三维微观轮廓测量技术研究的基础上，论述了表面三维微观轮廓测量技术主要采用光学测量法，其显著特点是将传统光学计量技术与信息光学和信息处理技术相结合，来实现表面三维微观轮廓的测量。目前，已经研究出多种光学测量方法，而白光相移干涉法以其测量范围大、调制方便、实时快速、高精度及全场自动测量等优点，被广泛的应用到表面三维微观轮廓测量中。然而该技术仍然存在着白光相移干涉中零级条纹相位偏移、相移误差引起轮廓解调误差等问题。
　　本文围绕三维表面微观轮廓测量及评定这一主题，针对白光相移干涉三维微观表面检测系统中存在的不足，以白光相移干涉测量技术为基础，采用白光为干涉光源，以迈克尔逊干涉仪为主体，由相移微位移驱动系统、CCD摄像头、图像采集卡、计算机等构成测量系统，对表面三维微观轮廓测量技术展开了较为全面的理论与实验研究，主要创新性工作和研究内容包括:
　　1.通过对目前三维微观轮廓解调算法的研究与分析，提出了数字滤波和二次曲线拟合的算法，解决了在白光相移干涉中零级条纹相位偏移的问题。与其它解调算法比较，该算法可以有效地提高白光干涉图像中零级条纹位置的识别精度;
　　2.提出了对相移微位移驱动器采用PID闭环控制与蠕变补偿控制相结合的复合控制方法，解决了由于相移误差带来的轮廓解调误差。该方法利用光学杠杆和PSD构成微位移检测回路，将相移微位移动器的微位移量反馈至控制系统，建立PID闭环控制。根据压电陶瓷蠕变特性对测量过程的影响，建立了“电压蠕变”补偿模型，实现了基于PID闭环控制与蠕变补偿控制相结合的复合控制方法，使相移得到精确控制，提高了表面三维微观轮廓的测量精度。
　　3.根据所提出的表面粗糙度测量中高斯滤波器的B样条函数实现方法，通过对变分原则引入约束条件，并结合小尺度高斯滤波器级联的特性，得出了一维高斯滤波的逼近滤波器。将一维高斯滤波器推广到二维情形，建立了表面粗糙度测量的高斯滤波基准面。通过仿真实验验证了该滤波器能够满足对滤波器高精度、高效率的要求。
　　4.开发了表面三维微观轮廓测量软件系统。对表面三维微观轮廓测量系统进行了标定，给出了测量系统的测量精度，通过对粗糙度标准样块测量得到了测量结果。实验结果表明表面三维微观轮廓测量系统的测量误差为0.003μm，重复性测量误差为0.002μm。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 表面三维微观轮廓光学测量技术发展及研究现状

1．3 基于白光干涉法的表面三维微观轮廓测量技术的研究现状

1．3．1 白光干涉条纹的峰值解调和解包络峰值算法

1．3．2 微位移驱动器的精确定位控制

1．3．3 表面三维微观轮廓信号的滤波

1．3．4 三维表面粗糙度的评定

1．4 课题研究的主要内容

第2章 表面三维微观轮廓的解调算法

2．1 表面三维微观轮廓的测量原理

2．1．1 白光干涉原理

2．1．2 白光干涉的特性

2．1．3 表面三维微观轮廓测量原理

2．2 白光干涉零级条纹的峰值求解方法

2．3 数字滤波和二次曲线拟合算法

2．4 高斯滤波器在包络线解调中的应用

2．4．1 高斯滤波器的特性

2．4．2 高斯滤波器的逼近算法

2．5 本章小结

第3章 微位移驱动器及其控制

3．1 压电陶瓷的特性

3．1．1 迟滞特性

3．1．2 非线性特征

3．1．3 蠕变特性

3．1．4 温度特性

3．1．5 刚度特性

3．1．6 压电陶瓷误差分析

3．2 微位移驱动器的驱动电源设计

3．2．1 微位移驱动器系统结构

3．2．2 微位移驱动器驱动电源设计

3．2．3 D／A转换电路设计

3．2．4 功率放大电路与电压跟随电路设计

3．2．5 电压跟随电路设计

3．2．6 快速放电电路设计

3．2．7 微位移检测系统的设计

3．3 微位移驱动器控制策略

3．3．1 PID闭环控制策略

3．3．2 电压蠕变模型

3．3．3 基于蠕变补偿的控制策略

3．4 实验结果

3．5 本章小结

第4章 高斯逼近滤波器在粗糙度测量中的应用

4．1 高斯滤波器的B样条函数逼近算法

4．1．1 三次样条函数

4．1．2 平滑样条滤波器

4．1．3 中心极限定理

4．1．4 高斯滤波器B样条函数逼近算法

4．2 高斯滤波器在粗糙度测量中的应用

4．2．1 二维高斯滤波器的分离特性

4．2．2 建立表面三维微观轮廓基准面的方法

4．2．3 仿真实验

4．3 表面粗糙度测量

4．3．1 粗糙度评定参数

4．3．2 仿真实验

4．4 本章小结

第5章 实验验证及粗糙度评定

5．1 测量系统组成

5．2 三维微观轮廓测量过程及数据处理

5．3 三维微观轮廓图像的预处理

5．4 测量系统的精度检测

5．5 实验结果及粗糙度参数评定

5．6 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

附录 测量系统