表面粗糙度测量仪

    表面粗糙度测量仪检测管道的运送效率。一些石油公司开始积极研究管道内壁粗糙度对流体流动性能的影响，如防止管线腐蚀、建立新式管线系统的材料和涂层数据、增加管线内流体流动的电子分析和模拟设备等，并最终形成了新的适用于现代管材的表面表面粗糙度测量仪曲线。

    1944年发表的莫迪（Moody）摩擦系数图表是公认的利用Colebrook-White方程求解摩擦系数很实用的方法，但其局限性在于没有适时地考虑到现代工业中新出现的合金材料和内涂层管线。这些新合金材料和内涂层管线广泛应用于油田，以延长管线寿命和改善流体动力学性能。因此，需要利用现代表面光度测量技术测量新的内涂层管线和抗腐蚀合金管壁粗糙度和相对粗糙度。

    现代表面光泽度仪采用金钢石探笔来跟踪测量管线表面的峰点和低点，并将笔尖的纵向位移转换成电子信号。该方法具有良好的横向分辨率，检测精度可以达到次纳米，是一项先进的测量管线粗糙度应用技术。除了工业用的探笔式表面光度仪，测定表面粗糙度的其它测量方法还包括了电脑辅助测量仪、原子力显微镜等。

    通过表面光泽度仪测量可以得到大量剖面数据，然后对其进行随机评估，由此建立新的相对粗糙度图表和关系式。管线表面粗糙度对流体流动的影响与雷诺数大小和流体粘度有关。从表面光度仪测得的数据可以用来求解Colebrook-White方程，从而得出范宁摩擦系数。为了用表面光度仪的测量数据计算范宁摩擦系数，需要用统计确定的Rzd（为平均峰谷高度，是五个连续测样长度内峰谷间高度的算术平均值）和Ra 值（在评估长度内，距离中心线基线的粗糙剖面高度的算术平均值）来取代C-W方程中的粗糙度值。2001年的研究表明，采用Dektak ST和Hommel Tester T1000两种方法对管样中的Rzd值测定结果是一致的。现在可以通过编写程序利用Rzd和Ra 值快速计算出范宁摩擦系数。

    总之，采用表面光泽仪的测量技术可以为新合金管材和内涂层管线建立新的相对粗糙度图表，并且图表中包含了莫迪的商业用钢和冷拨管。Southwest Research Inst.（SRI）对内涂层管线和13Cr管线的表面光度测量结果进行了验证，所得的摩擦系数/粗糙度值与表面光度仪测量的Rzd值吻合很好。另外，研究也表明Rzd值比Ra值能更好地代表粗糙度。

    表面粗糙度测量仪一般情况下，对铰削加工的内孔表面粗糙度要求较高，用PCD铰刀加工的内孔表面可接近镜面。但是，某些汽车零部件上的孔是需压入其它零件的压配合孔，为使压入件不易脱落及保证压配合强度，要求此类孔的表面粗糙度应比镜面粗糙一些，且应稳定保持在设定范围内。

    为获得稳定的内孔尺寸精度和指定的表面粗糙度测量仪，日本旭Diamond株式会社开发了表面粗糙度测量仪能控制内孔表面粗糙度的PCD铰刀。该铰刀利用外圆切削刃带与被加工内孔表面具有对应关系的特性，将铰刀的外圆刃带处理成与指定的内孔表面粗糙度相匹配，以稳定控制内孔铰削的表面质量，获得要求的内孔表面粗糙度。该铰刀主要用于缸盖阀门轴承插入孔，油缸、导套和阀门密封环插入孔等汽车零部件的铰削加工， 使用该技术不需进行流体实验就可以获得摩擦系数。表面光度仪的测量数据提供了精确的管壁表面结构轮廓图。目前，表面光度仪技术是预测管线表面粗糙度、衡量表面粗糙度对管线内流体的流态、压力和能量特性影响程度的最精确、最经济的方法 。

    随着工业的发展和对外开放与技术合作的需要，中国对表面粗糙度的研究和标准化愈来愈被科技和工业界所重视，为迅速改变国内表面粗糙度方面的术语和概念不统一的局面，并达到与国际统一的作用，中国等效采用国际标准化组织(ISO)有关的国际标准制订了GB3505-1983《表面粗糙度术语表面及其参数》。GB3505专门对有关表面粗糙度的表面及其参数等术语作了规定，其中有三个部分共27个参数术语：

    1.与微观不平度高度特性有关的表面粗糙度参数术语。其中定义的常用术语为：轮廓算术平均偏差Ra、轮廓均方根偏差Rq、轮廓高度Ry和微观不平度十点高度Rz等11个参数。

    2.与微观不平度间距特性有关的表面粗糙度参数术语。其中有轮廓微观不平度的平均间距Sm、轮廓峰密度D、轮廓均方根波长lq以及轮廓的单峰平均间距S等共9个参数。

    3. 与微观不平度形状特性有关的表面粗糙度参数术语。这其中有轮廓偏斜度Sk、轮廓均方根斜率Dq和轮廓支承长度率tp等共5个参数。

    测量范围：Ra：0.05μm ~ 9.99μm /2μ" ~ 400μ"

    Rz ，Ry/Rmax：0.2μm ~99.9μm/8μ" ~999μ"

    显示分辨率：0.01μm /1μ"

    取样长度 (λC)： 0.25 mm ,0.8mm,2.5 mm可选

    测量行程及评定长度：0.5mm~5.5mm,1\3\5倍取样长度

    系统示值误差：±10%

    示值重复性：≤6%

    传感器类型：高精度压电晶体

    触针针尖半径：10μm，5μm可选

    显示器：3位数字液晶显示

    电源：9V 高性能碱性电池

    电池容量：约3000次测量

    标准：兼容ISO，JIS，ANSI，DIN标准

    仪器外形尺寸：145mm*85mm*33mm

    1、粗糙度仪从测量原理上主要分为两大类：接触式和非接触式，接触式粗糙度仪主要是主机和传感器的形式，非接触式粗糙度仪主要是光学原理例如激光表面粗糙度仪。

    2、从测量使用的方便性上说又可分为：袖珍式表面粗糙度仪（代表性产品主要有：时代TR100、tr101、TR110、TR150袖珍式表面粗糙度仪和现已停产的英国泰勒DUO袖珍式表面粗糙度仪）、手持式粗糙度仪（代表性产品主要有TR200/220手持式粗糙度仪、泰勒25粗糙度仪、M1/M2粗糙度仪等品牌型号，不一一列举）、便携式粗糙度仪（代表性产品主要有TR240便携式粗糙度仪和TR300粗糙度形状测量仪等）、台式粗糙度仪（品牌型号较多一一列举，有些手持式粗糙度仪和便携式粗糙度仪配上相应的测量平台即可以当台式粗糙度仪使用）。

    3、粗糙度仪从功能又可划分为：表面粗糙度仪、粗糙度形状测量仪（TR300粗糙度形状测量仪是界于表面粗糙度仪和表面粗糙度轮廓仪之间的一款测量表面粗糙度的仪器，也可说是微观表面粗糙度轮廓仪）和表面粗糙度轮廓仪（代表性产品主要有英国泰勒表面粗糙度轮廓仪、德国马尔粗糙度轮廓仪、德国霍梅尔表面粗糙度轮廓仪、日本三丰表面粗糙度轮廓仪）。

    表面粗糙度测量仪由传感器、驱动器、指零表、记录器和工作台等主要部件组成。

    电感传感器是轮廓仪的主要部件之一，在传感器测杆的一端装有金刚石触针，触针曲率半径r很小，测量时将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的速度拖动传感器。由于被测表面轮廓峰谷起伏，触状在被测表面滑行时，将产生上下移动。此运动经支点使磁芯同步地上下运动，从而使包围在磁芯外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化。

    传感器的线圈与测量线路是直接接入平衡电桥的，线圈电感量的变化使电桥失去平衡，于是就输出一个和触针上下的位移量成正比的信号，经电子装置将这一微弱电量的变化放大、相敏检波后，获得能表示触针位移量大小和方向的信号。此后，将信号分成三路：一路加到指零表上，以表示触针的位置，一路输至直流功率放大器，放大后推动记录器进行记录；另一路经滤波和平均表放大器放大之后，进入积分计算器，进行积分计算，即可由指示表直接读出表面粗糙度Ra值。

    指零表的作用反映铁芯在差动电感线圈中所处的位置。当铁芯处于差动电感线圈的中间位置时，指零表指针指示出零位，即保证处于电感变化的线性范围之内。所以，在测量之前，必须调整指零表，使其处于零位。噪声滤波的目的在于剔除一些干扰信号，如电气元件的噪声所引起的虚假信号。大量的测试表明，高于400Hz的信号即不是被测表面粗糙度所引的信号，必须从总信号中加以剔除。所以噪声滤波器是一种低通(低频能通过)滤波器，它使400Hz以下的低频信号顺利通过，而将400Hz以上的高频信号迅速衰减，从而达到滤波的目的。波度滤波的目的则是用以滤掉距大于取样长度的波度，因此它是一个高通(高频能通过)滤波器，使表面粗糙度所引起的高频(相对于波度引起的低频而言)信号能自由通过。

    经过噪声滤波和波度滤波以后，剩下来的就是与被测表面粗糙度成比例的信号，再经平均表放大器后，所输出的电流I与被测表面轮廓各点偏离中线的高度y的值成正比，然后经积分器完成 的积计算，得出Ra值，由指零表显示出来。

    采用针描法原理的表面粗糙度测量仪由传感器、驱动器、指零表、记录器和电感传感器是轮 廓仪的主要部件之一，其工作原理是，在传感器测杆的一端装有金刚石触针，触针尖 端曲率半径r很小，测量时将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的 速度拖动传感器。由于被测表面轮廓峰谷起伏，触状在被测表面滑行时，将产生上下移动。 此运动经支点使磁芯同步地上下运动，从而使包围在磁芯外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化。

    传感器的线圈与测量线路是直接接入平衡电桥的，线圈电感量的变化使电桥失 去平衡，于是就输出一个和触针上下的位移量成正比的信号，经电子装置将这一微弱电量的变化放大、 相敏检波后，获得能表示触针位移量大小和方向的信号。此后，将信号分成三路：一路加到指零表上， 以表示触针的位置，一路输至直流功率放大器，放大后推动记录器进行记录；另一路经滤波和平均表放大 器放大之后，进入积分计算器，进行积分计算，即可由指示表直接读出表面粗糙度Ra值。

    传统表面粗糙度测量仪工作原理框图指零表的作用反映铁芯在差动电感线圈中所处的位置。当铁芯处于差动电感线圈的中间位置时，指零表指针指示出零位，即保证处于电感变化的线性范围之内。所以，在测量之前，必须调整指零表，使其处于零位。噪声滤波的目的在于剔除一些干扰信号，如电气元件的噪声所引起的虚假信号。大量的测试表明，高于400Hz的信号即不是被测表面粗糙度所引的信号，必须从总信号中加以剔除。所以噪声滤波器是一种低通(低频能通过)滤波器，它使400Hz以下的低频信号顺利通过，而将400Hz以上的高频信号迅速衰减，从而达到滤波的目的。波度滤波的目的则是用以滤掉距大于取样长度的波度，因此它是一个高通(高频能通过)滤波器，使表面粗糙度所引起的高频(相对于波度引起的低频而言)信号能自由通过。经过噪声滤波和波度滤波以后，剩下来的就是与被测表面粗糙度成比例的信号，再经平均表放大器后，所输出的电流I与被测表面轮廓各点偏离中线的高度y的值成正比，然后经积分器完成的积计算，得出Ra值，由指零表显示出来。这种仪器适用于测定0.02-10μm的Ra值，其中有少数型号的仪器还可测定更小的参数值，仪器配有各种附件，以适应平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、曲面、以及小孔、沟槽等形状的工件表面测量。测量迅速方便，测值精度高。

    表面质量的特性是零件最重要的特性之一，在计量科学中表面质量的检测具有重要的地位。最早人们是用标准样件或样块，通过肉眼观察或用手触摸，对表面粗糙度做出定性的综合评定。1929年德国的施马尔茨(G.Schmalz)首先对表面微观不平度的深度进行了定量测量。1936年美国的艾卜特(E.J.Abbott)研制成功台车间用的测量表面粗糙度的轮廓仪。1940年英国Taylor-Hobson公司研制成功表面粗糙度测量仪“泰吕塞夫(TALYSURF)”。以后，各国又相继研制出多种测量表面粗糙度的仪器。目前，测量表面粗糙度常用的方法有：比较法、光切法、干涉法、针描法和印模法等，而测量迅速方便、测值精度较高、应用最为广泛的就是采用针描法原理的表面粗糙度测量仪。

    粗糙度仪又叫表面粗糙度仪、表面光洁度仪、表面粗糙度检测仪、粗糙度测量仪、粗糙度计、粗糙度测试仪等多种名称，国外先研发生产后来才引进国内，目前市场上粗糙度仪品牌主要有：英国泰勒粗糙度仪、德国马尔粗糙度仪、德国霍梅尔表面粗糙度仪、日本三丰粗糙度仪、东京精密粗糙度、瑞士泰萨粗糙度仪、英国易高粗糙度这些都是国外生产厂商品牌；中国生产厂家品牌主要有：北京时代粗糙度仪、哈量粗糙度仪、宁波联合、上海泰明、304、威尔逊、兰泰等。其中时代集团生产的粗糙度仪（时代粗糙度仪）在国内占有80%左右的市场份额。

    表面粗糙度测量仪是一种高精度触针式表面粗糙度测量仪器，该仪器可对平面，斜面，外圆柱面，内孔表面,深槽表面，圆弧面和球面等各种零件表面的粗糙度进行测试，并实现表面粗糙度的多种参数测量。仪器可方便地用于轴承滚道粗糙度的测量。

    表面粗糙度测量仪器配有电脑及专用测量软件，运用先进的无噪声机械定位装置，可选定被测零件的不同位置，设定各种测量长度进行自动测量，评定段内采样数据达3000个点。所有的测量数据和曲线可在屏幕显示或打印输出，所以在汽车配套行业、机械、模具加工、科研单位、大专院校等各大行业中广泛使用。

    1、存在问题

    （1）测量参数较少，一般仅能测出Ra、Rz、Ry等少量参数；

    (2)测量精度较低，测量范围较小，Ra值的范围一般为0.02-10μm左右；

    (3)测量方式不灵活，例如：评定长度的选取，滤波器的选择等；

    (4)测量结果的输出不直观。造成上述几个方面不足的主要原因是：系统的可靠性不高，模拟信号的误差较大且不便于处理等。

    2、改进方案

    为了克服传统表面粗糙度测量仪的不足，应该采用计算机系统对其进行改进。例如，英国兰克精密机械有限公司制造的“泰吕塞夫(TALYSURF)”10型和我国哈尔滨量具刃具厂制造的2205型表面粗糙度测量仪就采用了计算机系统，使其性能较之传统表面粗糙度测量仪有极大的提高。从相敏整流输出的模拟信号，经过放大及电平转换之后进入数据采集系统，计算机自动地将其采集的数据进行数字滤波和计算，得到测量结果，测量结果及轮廓图形在显示器显示或打印输出。 图4 改进后的表面粗糙度测量仪工作原理框图要采用计算机系统对传统的表面粗糙度测量仪进行改进，就要编制相应的计算机软件，采用比较直观的菜单形式。

    3、 改进后使用效果

    由于采用计算机系统，将模拟信号转换为数字信号进行灵活的处理，显著地提高了系统的可靠性，所以既大大增加了测量参数的数量，又提高了测量精度。例如：哈尔滨量具刃具厂制造的2205型表面粗糙度测量仪的测量参数多达二十六个，测量范围为0.001～50μm，可任选1～5倍的取样长度作为评定长度，测量结果及图形在显示器、打印机或绘图仪上非常直观地输出来。它还采用了较为先选的可选择的数字滤波器，它与模拟滤波器相比其特性更为准确，且不会有元器件参数误差带来的影响。另一方面，若在表面粗糙度测量仪测量实验的教学过程中引入改进后的表面粗糙度测量仪，就实验的直观教学功能而言，也很有意义。改进后的电动输廓仪，通过计算机软件与硬件的结合(尤其是软件)大大加强了实验过程的直观性，这体现在以下几个方面：

    (1)整个实验过程非常直观地通过软件的各级菜单进行控制。操作简单、一目了然。

    (2)输入与显示同步，即在测量进行过程的同时，触针在被测表面上滑行的轨迹动态地显示在计算机屏幕上。

    (3)测量结果及相关图形能非常直观地、准确地输出在显示器、打印机或绘图仪上。很显然，以上这些直观的教学效果是其它传统的表面粗糙度测量实验方法所不具备的。它在得到正确的测量结果的同时，还充分运用了直观教学的原理，帮助学生加深对表面粗糙度的概念及其各种参数的直观理解。

    随着电子技术的进步，某些型号的表面粗糙度测量仪还可将表面粗糙度的凹凸不平作三维处理，测量时在相互平行的多个截面上进行，通过模-数变换器，将模拟量转换为数字量，送入计算机进行数据处理，记录其三维放大图形，并求出等高线图形，从而更加合理的评定被测面的表面粗糙度。