论文题目: 目标激光散射特性在钢板表面微观轮廓精度测量中的应用研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 光学工程
作者: 李丽娟
导师: 安志勇
关键词: 非接触,散射,镜面反射
文献来源: 长春理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 冷轧钢板表面微观轮廓精度被认为是加工过程中最重要的控制参数之一。它不仅会影响钢板与模具之间的摩擦因数、储油条件及钢板冲压时的成形性能，还会影响到钢板表面的反射性和着色性等性能。随着光电技术、激光技术和计算机技术的发展与广泛应用，为表面微观轮廓精度的检测提供了新的理论与技术，以这些理论技术为基础发展起来的非接触光电检测技术已成为现代产品质量检测的重要手段。本文就是针对冷轧钢板表面微观轮廓精度应用非接触光电检测技术研究的一种可对多参数进行实时在线测量的技术与系统。 本文以Beckmann光散射理论为基础设计了钢板表面微观轮廓精度测量系统。文中针对光在介质表面的散射特性，分析探讨了Beckmann标量积分理论、Rayleigh-Rice矢量微扰理论、S-C-S矢量积分理论等各种散射理论的基本分析方法、假设条件及各自的适用范围，并且以Beckmann光散射理论为基础，建立光散射模型，分析推导了光散射和粗糙度测量间的定量关系，建立了粗糙面的近似表达式。将其应用在冷轧钢板表面微观轮廓精度的测量中，并由此建立了冷轧钢板表面粗糙度参数轮廓算术平均偏差Ra、自相关长度T的数学模型，从而确立了镜面反射光强和表面粗糙度之间的定量关系。在此基础之上，设计了表面粗糙度参数Ra测量分系统和每英寸波峰数PPI测量分系统。 在Ra测量分系统中，为了得到钢板表面的Ra参数值，需分别测量入射光的光强和镜面反射光的光强，而对入射激光波长的选择及对激光入射角的选择是测量技术的关键。通过对入射激光波长与表面镜面反射率的关系谱线的测量分析和实验研究，以及对0.6328μm和3.39μm入射激光的镜面反射光强度的测量分析和实验研究等，选用了波长为3.39μm的氦氖激光器做激光光源。同时，通过理论计算和实验结果分析，认为光束入射角为75°时是最佳角度。另外，在Ra测量分系统中，还设计了标准量校准系统，借助于表面轮廓算术平均偏差Ra值已知的标准冷轧钢板，在同样条件下测量被测钢板和标准钢板，并比较它们的测量结果，以此来校准光路的准确性和确定工件的合格与否。该分系统可测量轮廓算术平均偏差Ra的范围为0.1μm到1.8μm。 PPI测量分系统中，采用轮廓基准中线上方1／2Ra处作为阈值进行高点计数，得到被测轮廓每英寸的波峰数目PPI。依据实验数据，分析了不同阈值下T与PPI的关系，确立了1／T与PPI基本成正比的关系。依据Beckmann粗糙表面散射光空间分布的基本模型，推导出可用于实际计算的金属表面散射光功率分布的近似模型，并对冷轧钢板表面散射光的空间分布进行了数值模拟。系统采用波长0.635μm的半导体激光器做光源，光束以0°入射角垂直投射到被测表面，光能量的接收采用硅光电池。该系统PPI的测量范围可达600点。 信号采集和数据处理系统中，光强信号被转换为电压信号，信号放大后通过数据采集和模数转换，被送入计算机。根据R_a和PPI的数学模型，采用Visual Basic6.0编
论文目录:
摘要
ABSTRACT
目录
图表索引
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 本课题来源与研究目的及意义
1.2.1 课题来源
1.2.2 研究目的及意义
1.3 表面微观轮廓精度的测量方法综述
1.3.1 传统接触式测量技术
1.3.2 现代非接触测量技术
1.3.2.1 基于光学干涉原理的测量技术
1.3.2.2 基于光散射原理的测量技术
1.3.2.3 光触针式轮廓测量技术
1.3.2.4 纳米表面形貌测量技术
1.4 国内外表面微观轮廓精度测量的研究进展与发展趋势
1.4.1 国内外表面微观轮廓精度测量技术的研究进展与现状
1.4.1.1 传统测量技术的研究现状
1.4.1.2 非接触测量技术的研究进展与现状
1.4.2 国内外表面微观轮廓精度测量的发展趋势
1.5 本文主要研究内容和研究方法
1.5.1 主要研究内容
1.5.2 研究方法概述
本章小结
参考文献
第二章 目标激光散射特性及其表面数学模型研究
2.1 光散射理论的发展
2.1.1 光在界面上的散射
2.1.2 光散射理论的发展状况
2.1.3 光散射理论模型的比较分析
2.2 散射光强与表面粗糙度的定性关系
2.3 光散射强度和粗糙度测量的定量关系
2.3.1 建立光散射模型
2.3.2 光散射的Helmholtz求解
2.4 光散射标量积分理论在目标表面粗糙度测量中的应用
2.4.1 目标表面数学模型
2.4.2 散射光空间分布数学模型
2.4.2.1 散射光功率分布数学模型
2.4.2.2 角度因子F
2.4.2.3 结构因子S
2.4.2.4 散射光功率分布近似数学模型
本章小结
参考文献
第三章 表面微观轮廓精度评定参数及其数学模型
3.1 关于冷轧钢板
3.1.1 国内需求现状
3.1.2 生产工艺简介
3.1.3 表面形貌的特征参数
3.1.4 按参数Ra分类的冷轧钢板型号
3.2 冷轧钢板表面粗糙度评定参数
3.2.1 轮廓算术平均偏差Ra和轮廓均方根偏差σ(空间振幅参数)
3.2.2 自相关函数和自相关长度(空间频率参数)
3.2.3 每英寸波峰数PPI(空间频率参数)
3.3 镜面反射光强法测量钢板表面粗糙度的数学模型
3.3.1 冷轧钢板轮廓算术平均偏差Ra测量数学模型
3.3.2 冷轧钢板自相关长度T测量数学模型
本章小结
参考文献
第四章 表面微观轮廓精度在线测量系统总体设计
4.1 系统总体设计思想
4.2 系统结构设计原理
4.2.1 光三角原理
4.2.2 位置尺寸与光学系统参数之间的关系
4.2.3 三种情况讨论
4.3 系统总体设计方案
4.3.1 系统测量原理
4.3.2 系统总体方案设计
4.3.3 系统抗干扰措施
本章小结
参考文献
第五章 Ra测量系统设计
5.1 引言
5.2 轮廓算术平均偏差RA测量系统设计方案
5.3 激光器的选择
5.3.1 入射激光波长与被测表面的反射率谱
5.3.2 入射激光波长与被测表面的镜面反射光强度
5.3.3 不同波长入射激光的实验对比
5.3.4 3.39μm氦氖激光器的选择
5.4 光学系统设计
5.4.1 扩束系统的设计
5.4.2 分光镜的设计
5.5 激光入射角的选择
5.5.1 理论计算
5.5.2 实验验证
5.6 红外探测器的选择
5.7 标准量校准系统
5.8 光路指示系统
本章小结
参考文献
第六章 PPI测量系统设计
6.1 PPI测量系统设计方案
6.1.1 总体设计方案
6.1.2 激光器的选择
6.1.3 分光镜的设计
6.1.4 探测器的选择
6.2 散射光空间分布的数值模拟
6.3 不同阈值下T与PPI的关系
本章小结
参考文献
第七章 信号采集和数据处理系统
7.1 引言
7.2 信号放大系统
7.2.1 集成运算放大器
7.2.2 放大电路
7.3 数据采集和处理系统
7.3.1 总体方案设计
7.3.2 数据采集和A/D转换
7.3.3 数据计算处理和结果显示
7.3.4 软件功能介绍
本章小结
参考文献
第八章 实验数据及误差分析
8.1 不同测量方法的对比实验
8.1.1 镜面反射光强法与触针法测量Ra的实验结果对比
8.1.2 镜面反射光强法与触针法测量PPI的实验结果对比
8.2 不同粗糙度样板的表面形貌仿真
8.3 系统误差分析
8.3.1 测量重复性
8.3.2 测量稳定性
8.3.3 误差来源及改善措施分析
8.3.3.1 降低光源引起的误差
8.3.3.2 消除仪器安装倾斜的影响
8.3.3.3 降低不均匀散斑的影响
8.3.3.4 防止被测表面污染的影响
8.3.3.5 改善制造与装配引起的误差
参考文献
第九章 总结与展望
9.1 主要研究工作总结
9.2 本文主要创新点
9.3 应用前景展望
致谢
附录一 攻读博士学位期间发表的论文
附录二 攻读博士学位期间参加编写的书籍
附录三 攻读博士学位期间从事的科研工作
附录四 攻读博士学位期间获奖情况
作者简历
发布时间: 2006-09-18
参考文献
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- [2].高品质冷轧产品生产技术问题分析与对策[D]. 许斌.东北大学2011
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