3D表面粗糙度的测量方法分析

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承,测量 用于表面微观形貌分析的测量系统，按基于不同的物理原理，可将它们分为参数方法和轮廓方法。参数法所产生的参数表示所检测表面的一些平均性能；而轮廓法逐点扫描获得形貌信息。轮廓法被认为是可以测量真实的3D形貌，给出相对于位置高度的定量信息。　　按传统的分类方式，表面测量又可分为接触式和非接触式。触针式仪器是典型的接触方法，而光学仪器是非接触式方法，扫描探针显微镜既是接触式又是非接触式。 1　触针方法　　触针法自1927年以来就一直被采用，目前仍然被广泛地用于表面粗糙度测量，而且用它所获得的结果经常作为评价其它方法的参考标准。　　在传统的2D测量中，触针装在具有滑橇的测杆上，沿一个方向在水平面上“爬行”，而且它的垂直位移是相对于滑橇的位置。滑橇“走过”的迹线作为基准线。　　在3D分析中，在具有同一个采样步距的平行平面内，测得许多轮廓。这种情况下，不能使用滑橇，因为所有的轮廓必须具有相同的参考基准面，以便不丢失信息。严格地讲，应采用一个独立的表面作为基准。由于同样的原因，数据在获取过程中，不能象在2D仪器中那样被滤波。如果需要滤波，可以在获取数据以后进行数字化滤波。应该注意的是，对于2D仪器新的标准同样也需要一个独立的基准。　　当用X-Y平台获取三维表面的z值时，基准由工作台的移动而产生。移动精度在整个的测量精度中起着基准的作用。有些制造者给出平台的偏差图，以便使用数字技术校正基准。　　在2D和3D分析中，触针的几何形状对于测量的准确性影响很大，而且一直是设计和制造者考虑的重要因素之一。它的形状以锥角和顶尖球半径R表示[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008829165333.gif[/img][1]；的标准值是60°和90°，R的标准值是2、5和10[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008829165333.gif[/img]m;三种半径的最大载荷分别是0.7、4、16mN。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916531.gif[/img]　　针尖中心点的坐标被认为是测量表面点的坐标，但是实际的接触点根据表面邻近点的形状和高度而变化。在假定触针和表面均是刚性的情况下，触针具有一个自由度，其垂直位移仅由与表面的点接触而定义。然而，这些点的顺序不是包含在一个垂直平面内，而是依赖于表面的斜率分散在一个“带”内，测量误差是表面结构的函数。在对随机的、各向异性的结构表面进行分析时，如磨削表面，Whitehouse[2]指出用2m的半径触针并未减少表面的RMS值，而使用10[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916531.gif[/img]m的半径触针却减少10%～15%。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916531.gif[/img]　　一些描述表面形状的参数直接受触针的几何形状的影响，例如：　　①针尖的半径R增加了峰的半径，而减少了谷的半径；　　②触针加到表面上的力，在与表面接触的区域产生应变；　　③由较硬的材料组成触针，可以忽略弹性应变，但是被测试件仍有显著的弹-塑性变形。　　如果接触力F小于极限值FL,只有弹性变形发生，弹性偏斜的量依赖于载荷和触针的并径R,而且也依赖于表面的局部曲率半径。根据赫兹（Hertz）理论，接触区的直径是[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008829165249.gif[/img][3] (1) [img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008829165233.gif[/img]其中 (2)[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916541.gif[/img]是两种材料的弹性模量E1和E2的函数，和[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916550.gif[/img]为两种材料的Poisson比。而且[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916550.gif[/img] (3)[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008829165519.gif[/img]是曲率半径的函数。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008829165249.gif[/img]　　文献[3]中还分析了平表面的弹-塑性材料，并且表面上具有球形针印，给出的FL值为 (4)[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008829165549.gif[/img][img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916567.gif[/img]s是形成球印时，材料产生的压力。　　对于[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916567.gif[/img]s=400MPa的材料，和Poisson比=0.3,以具有R=2[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916550.gif[/img]m的半径的金刚石压头，可以产生F[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916531.gif[/img]L=1.6×10-4mN,当应用的载荷高于FL时，发生塑性变形。　　如果知道材料的硬度，有可能计算在平表面上球形压头的塑性凹痕的深度和直径d。当载荷为0.7mN、球径2[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008829165623.gif[/img]m、材料硬度HB为140时，得出结果是：[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916531.gif[/img]为0.04[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008829165623.gif[/img]m和d为0.8[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916531.gif[/img]m。如果表面不光滑，接触面积也不均匀一致。塑性凹印更大。在3D分析中，凹印的直径成了所能探测的直线之间的最小距离。事实上，在触针连续通过的路径上所产生的凹槽不应相互影响。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916531.gif[/img]　　表面表征需要对一个区域进行采样。可采用快速扫描记录来获得点矩阵（NX.NY），其中NX是一条轮廓上的点数，NY是轮廓的数目。采样间隔x和[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008829165647.gif[/img]y根据Nyquist准则确定，截止波长可以被准确地估计。采样点数N[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/2008829165647.gif[/img]X和NY的选择应是2的幂次数，以便能使用FFT变换。　　图1是一种触针式三维表面形貌测量仪SURFASCAN 3D[4],由机械装置（包括参考表面和三轴的驱动装置）、采集机构（包括装有触针的探头、驱动器、放大器和模数转换）、数据处理（包括三轴运动控制、测量方式、采样条件、参数评定和数据的贮存）和打印装置构成。机械装置和采集机构安装在一个防振动的与外界隔离的平台上。[img]http://www.jinkouzc.com/0903251525233174.bmp[/img]图1　SURFASCAN 3D的结构示意图　　这种仪器可以获得表面参差数据、计算参数以及用三维图表示的表面形貌，测量精度直接取决于机械驱动装置形成的参考基面的精度和直线的移动、外部的扰动等。SURFASCAN 3D的X、Y向驱动行程为100×100mm,Z向为200mm。对于不mm同质量要求的表面，则要选择合适的测量分辨力，并且与合适的几何形状的触针相对应。SURFASCAN 3D提供的最好测量精度为在5mm的垂直范围内，分辨力可达5nm。　　3D测量过程中，同样可采用静态或动态方式。静态测量时，触针在每隔x处停下来，获取信号，通常重复5次，并取平均值。在动态情形中，触针以一恒定的速度移动，边移动边采集数据。静态采集具有较高的精度，避免了触针移动的影响，但需要较长的时间。[img]http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/hkjmzzjs/hkjm99/hkjm9902/image2/z1207.gif[/img]　　动态拾取信号的方式，易受移动中振动和速度的影响；增加触针的移动速度V,造成触针与表面的非接触，类似一个低通滤波。一般采用的速度V为0.5mm/s。然而，一定要注意移动速度的一致性，因为它影响空间数据的记录。在许多传统的2D仪器中，移动的速度可能周期性地变化15%;而在3D测量中这样的不规则性会造成测量结果总的偏差，和相邻轮廓间的不一致性。2　扫描探针显微镜　　3D精密测量技术的重大突破是扫描探针显微镜（SPM）的发明，它可以研究从原子到微尺度的材料表面结构，这项技术包括使用尖细探针进行形貌表征的一系列仪器。探针以规则的形式扫描，绘制出试件一些特征。在横向和垂直方向可分别获得纳米或亚纳米级的分辨力，测量范围限制在非常小而平的表面。　　R.D.Young在1970年开始设计了“Topografiner”，获得了纳米范围的分辨力[3]。Binnig和Rohrer[5]在此基础上进行研究，并于1981年发明了扫描隧道显微镜（SPM），随后（1986年）又制造出原子力显微镜（AFM）[6]
。　　STM的工作原理基于量子的隧道效应。由于电子具有波动性，在金属中的电子并非仅存在于表面边界以内。也就是说，电子密度并不是在表面边界上突然降低为零，而是在表面边界以外按指数规律衰减，衰减长度约为1nm。如果两块金属表面互靠近到间隙小于1nm相时，它们的表面电子云将发生重叠。如果将探针极细的原子针尖与被研究的试样表面作为两个电极，当探针与试样表面间的距离接近到1nm以内时，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极之间的绝缘层而流向另一个电极，这种现象称为隧道效应。隧道电流是电子波函数重叠的量度，它与两金属电极之间的距离以及衰减常数有关。　　隧道电流对于探针与试样表面的距离非常敏感，如果距离减小0.1nm,则隧道电流将增加一个数量级。因此，通过电子反馈电路控制隧道电流保持恒定，并采用压电陶瓷材料控制探针沿试样表面扫描。这样，探针在垂直于试样表面方向上高低的变化就反映出试样表面的形貌分布或原子排列的图像。　　图2为STM的结构示意图[7]，包括：探针与试样的逼近装置；保持隧道电流恒定的电子反馈及显示探针Z方向位置变化的显示器；操纵探针沿试样表面X方向和Y方向运动的压电陶瓷扫描控制器及位置显示器，以及数据采集和图像处理系统等。STM具有原子量级的极高分辨力，其垂直和水平方向的分辨力分别为0.01nm和0.1nm。[img]http://www.jinkouzc.com/0903251525411382.bmp[/img]图2　扫描隧道显微镜示意图　　用STM可以直接观测到单原子层表面的局部结构；其次，能够得到表面的三维图像；此外，通过扫描隧道显微镜的探针可以操纵和移动单个原子或分子，按照人们的意愿进行排布，以及实现对表面进行纳米尺度的微加工。　　STM要求被测试件有好的传导性，而AFM极大地扩展了SPM的使用范围，它测量针尖和试件之间的吸引或排斥力，所以可用于导体和非导体材料。由硅或硅氮化合物制成的探针，安放在长100～500m和厚约0.5～5[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916531.gif[/img]m的弹性悬臂上。操作过程中，针尖与表面相互作用，并以栅格形式在试件表面移动。用压电驱动器产生试件与探针在三个轴向的运动，位置精度在0.1nm以下，最大的扫描面积约100[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916531.gif[/img]m×100[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916531.gif[/img]m。由表面高度变化造成的悬臂偏斜通过聚焦在悬臂上的激光监控，而且反射到光二极管探测器上。在正常的方式下，探针尖与试件连续接触，类似于触针式仪器的方式，但具有纳米的分辨力。加到试件上的力取决于悬臂的偏斜和它的弹性常数，弹性常数的变化在0.01～100N/m内。AFM在图像工作方式要保持一个恒定的悬臂偏斜。图3示出了AFM的测量原理图[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-8/200882916531.gif[/img][7]。

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