利用CCD测量工件表面应变的研究

　　对于弹性体, 当受到拉伸或压缩时其表面的微观几何形状将反映所受应力的状况。通过弹性体表面切向形貌的改变, 可以定量的探知其内部应力的变化状况[ 1~ 2] 。因此, 研究弹性体表面形貌并结合光学测量技术将有助于新型非接触应力传感器的研制。以往对弹性体表面应变的测量多通过附着应变贴片跟随弹性固体表面应变变化, 将这种变化直接转换成电阻值改变完成应变测量; 或根据应变引起材料表面磁阻值的变化, 利用磁致伸缩效应完成应力测量; 再有就是利用声表面波技术, 通过制作压电贴片, 根据声表面波原理完成应变测量; 近年来发展起利用散斑技术获得两次固体表面散斑图, 对前后两幅图进行比较完成非接触应变测量[ 3~ 6] 。以上方法在实际应用中各有长处, 但也都有自身的局限, 贴片法必须考虑前置电路与贴片的结合问题, 对测量旋转不可停表面有自身难以克服的困难, 例如信号传输、传感器不间断供电电源等; 声表面波贴片虽能完成传感器与测量电路的分离并实现非接触连续不间断测量, 但传感器自身加工难度大, 易受振动等不利因素干扰; 磁致伸缩效应工艺适应性差, 体积大,测量精度低; 散斑图法虽取得较大进展, 但对数据处理要求较高, 误差大, 实时性差, 不能进行非接触在线测量。因此, 直接利用弹性体表面微观形貌即表面粗糙度的变化来测量工件表面应力将是应力传感器发展的一个方向[ 2, 7] 。

　　1 工件表面微观形貌建模

　　在工件的制造过程中, 经切削加工或其它方法( 铸、锻等) 所形成的表面, 总存在几何形状的误差:表面宏观几何误差和微观几何形状误差( 表面粗糙度) 。表面粗糙度是指加工表面上的较小间距和峰谷组成的微观几何形状特征。其起伏的形貌特征可以用若干正弦曲线叠加来近似, 如图1 所示。

　　对图中(X1 , X2 ) 区间的表面起伏可以用下式近似:

　　考虑到一般性和处理问题的方便, 假设应力施加在垂直表面法向的一个切线上, 这里只对叠加曲线中的一条正弦起伏进行分析, 此起伏为:

　　对于理想的弹性体, 假设应变发生后曲线拉伸, 但所包围的面积不变, 即S1= S2。所以, 在一周期内, 由

　　通过使用高精度表面粗糙度测量仪测量工件表面粗糙度变化值, 即可实现表面应变值的测量。

　　2 CCD 测量原理

　　采用面阵CCD 对工件表面的粗糙度进行测量,其结构如图3 所示。

　　图3 中, 光源发出的光经光学系统形成平行光后又经狭缝形成线光源, 在工件表面发生反射, 经工件表面反射得到的图象由CCD 摄像头接收并形成视频信号, 再将其输入图象采集处理系统。视频信号经图象卡转换为数字信号后, 通过PC I 总线传送到计算机内存, 同时传送到V GA 显示缓冲区并实时在显示器上显示。这样计算机得到包含有工件表面二维轮廓信息的数字图象( 因为线光源有一定的宽度, 故图象放大后显示的是一条亮带) 。利用数字图象处理技术对采集的图象进行分析与计算就能够得到我们需要的轮廓曲线。从曲线上各点的数值就能够计算出表现粗糙度的各项参数值。