测定微观几何特性的方法和仪器

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　　为测定微观几何形状的标准特性,已创制了不少仪器和方法。所采用的比较法几乎都是按照轮廓来评定表面几何形状的,这种测量表面构形的方法最费时或是获得的精度不高,因轮廓包含整个表面的数据。此方法能测定某些构形参数,同时绘制的一些轮廓图,可以评定表面的立体图。但仍然难以具体测定微观几何特性的指示数。

　　为测定粗糙度和波度参数,用得最广泛的是感触仪,这种仪器能很快得出测量结果,且精度较高。该方法的实质就是利用带小圆弧半径(2~10μm)的测针在被测表面上移动,表面轮廓的不平度使测针在表面的垂直方向上振动,测针的振动变成电信号,经过放大用轮廓图仪描绘出轮廓图或是将信号输入积分装置,即可根据轮廓指示仪表针示数读出Ra或Rq数值。

　　电感式和压电式轮廓指示仪和轮廓图仪是最完善的轮廓测量仪器,可测粗糙度范围Ra=0·05μm至Ra=5μm,测量误差为4%~10%。

　　用感触法测量表面轮廓的缺点是:当测针压在被测表面上时会产生变形,这是因为在接触区内产生较大压力的缘故。此外,测针的端头具有2~10μm半径的圆弧,所以当它沿轮廓峰滑动时,便产生轮廓失真。

　　在光学测量方法中,广泛采用的是光切法、投影法和干涉法。光切法就是通过狭缝而形成的光带以45°角照射在被射表面上,因为表面具有不平度,所以投影可呈现出形状如图1所示的轮廓。该轮廓可以用带读数装置的显微镜检测。整个测量系统称为双管显微镜。双管显微镜可以检测粗糙度参数Rz=80~40μm至Ra=0.32~0.16μm的表面。切光法可以观察较大不平度的形状和尺寸,但其分辨能力低,粗糙度参数的测量误差可达25%。这种方法在测量规律的不平度特性可取得良好的效果。

　　采用投影法时,用一锋利的刀片以60°倾角紧压在被测表面上,光源从刀片的一边照射时使其影象投在表面上,该影象即显示出轮廓的不平度。轮廓用带有读数装置的显微镜进行检测。这种方法仅用于测量极粗加工表面的粗糙度。

　　为测定表面的构形,还采用一种光栅式电子显微镜。这种方法就是将被测表面置于真空中,用狭窄的电子束进行扫描,电子束扫描时掠过整个被测表面。利用电子束与表面接触处产生的二次辐射,即可在电子射线管的影屏上获得表面的影象。这种仪器的分辨能力可达30nm。

　　干涉法工作的仪器应用了迈克逊干涉仪的工作原理,将单色光光束利用半透明镜面分成两束光,其中一束光射在一镜面上而被反射;另一束光射在被测表面上也被反射。反射的二光束叠加而形成干涉图象。光程差等于整数光波的地方最亮;而光程差等于奇数半波时为最暗。在显微镜的目镜中看到的干涉图象为明暗交替的条纹。因为从不平度轮廓峰反射的光束所走过的路程比轮廓谷反射的光束小,所以不平度使干涉图象变形而导致条纹发生弯曲。从暗条纹过渡到亮条纹表示光程差的变化为λ/2。根据这个变化可容易地算出不平度的高度。多光束干涉仪能够显示特别清晰的干涉条纹,根据干涉条纹就可以得出精确的读数。