摘 要

工程表面形貌对零件的性能有着很大的影响，近些年来，机械行业对所生产产品表面的质量要求越来越高，因此选择合适的测量仪器对表面形貌进行精确地测量就显得尤为重要。

本文从表面形貌测量与评定入手，对工程表面形貌测量的概述、方法、原理、发展现状和发展趋势进行了介绍说明；应用AF-LI型接触与非接触两用轮廓测量仪采用接触式测量方法对实验室标定表面粗糙度为0.8微米的样块进行二维表面粗糙度测量，得到原始数据。通过分析了几种滤波器的特点，决定采用Matlab软件编写程序进行高斯滤波平滑处理消除数据误差和噪声，从而提取出表面粗糙度信息，得出基准中线，计算得出表面粗糙度；随后对其进行不确定度评定，在此基础之上，引入相对不确定度评定，通过分析计算结果对本次测量所使用的二维轮廓测量仪进行测量一致性评定。

关键词：表面形貌 表面粗糙度 不确定度 一致性

Research on consistency of engineering surface topography evaluation

Abstract

Surface morphology affects some mechanical properties. Recently, people have higher requirements for surface quality.Therefore, it is particularly important to select the appropriate measuring instrument for accurate measurement of the surface topography.

This paper starts with the measurement and evaluation of surface topography, and introduces the overview, method, principle, development status and development trend of engineering surface topography measurement. The application of AF-LI contact and non-contact contour measuring instrument adopts contact type.Measurement Method Two-dimensional surface roughness measurement was performed on a sample specimen with a surface roughness of 0.8 μm in the laboratory to obtain raw data.By analyzing the characteristics of several filters, it is decided to use Matlab software to write Gaussian filtering smoothing process to eliminate data error and noise, so as to extract surface roughness information, obtain the reference centerline, and calculate the surface roughness;Based on the evaluation of the uncertainty, the relative uncertainty evaluation is introduced, and the measurement consistency of the two-dimensional profilometer used in this measurement is evaluated by analyzing the calculation results.

Key Words：Surface topography；Surface roughness；Uncertainty；Consistency

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1工程表面形貌测量概述 1

1.2表面形貌测量的研究意义 1

1.3表面形貌测量的发展历史 2

1.4工程表面形貌研究现状 2

1.5工程表面形貌的主要测量方法 4

1.5.1机械探针式测量 4

1.5.2光学探针式测量 4

1.5.3干涉显微测量 4

1.5.4扫描电子显微镜 5

1.5.5扫描探针显微镜 5

1.6表面形貌测量的发展趋势 6

1.7本课题研究内容及目的 6

第二章 实验数据处理和计算 8

2.1样块粗糙度测量实验 8

2.2原始数据的处理 9

2.2.1高斯滤波器原理 10

2.2.2高斯滤波检验 12

2.2.3原始测量数据滤波和粗糙度的提取计算 15

2.3不确定度的计算 18

2.3.1标准A类不确定度评定 18

2.3.2标准B类不确定度评定 19

2.3.3合成标准不确定度评定 21

2.3.4扩展不确定度评定 22

2.4本章小结 23

第三章 轮廓仪测量的一致性评定 24

3.1测量的一致性 24

3.2测量一致性意义 24

3.3相对不确定度评定 24

3.3.1 A类相对标准不确定度评定 24

3.3.2 B类相对标准不确定度评定 25

3.3.3合成相对标准不确定度评定 25

3.3.4相对扩展不确定度评定 25

3.4经济方面分析 25

3.5本章小结 26

第四章 总结与展望 27

4.1总结 27

4.2展望 27

参考文献 29

致谢 30

第一章 引言

1.1工程表面形貌测量概述

表面形貌，指工件在加工过程中受各种原因影响下，在被加工面上各种微观形状和尺寸^[1]。近几年来，随着科技的发展、进步，对产品表面质量要求的提高和高精度加工行业的发展，促进了这个方面研究的发展。材料表面的微观几何形貌在许多方面的技术性能和使用功能联系紧密^[2]。伴随着从二维轮廓测量评估进阶到三维表面形貌测量评估，表面形貌测量技术由一开始的定性测量发展到今天的定量测量，直至发展到结合现代社会科技的高精度测量。同时，基于非接触表面形貌测量方法的原理不断涌现，大大的缩减了测量时间，也增高了精度，测量精度达到了nm层次，与此同时，高精度表面测定和评估，也成为了发展表面科学、材料科学和电子通讯技术所必不可少的关键技术。

1.2表面形貌测量的研究意义

材料的许多重要的物理和化学过程首先发生在表面和周围介质之间的边界处。表面形貌包含复杂的信息，如形状，波纹和表面粗糙度。在工程曲面方面，特征信息是通过机械加工、化学加工、喷涂层等不同表面处理工艺形成的，主要反映在外表面的表面，同时也具有表面的内在性能等。由于硬度、作用力、接触刚度的存在，且它们与其物理性质化学性质联系密切，表面形貌会影响密封性、表面耐磨性、摩擦性、润滑性、热转移性、抗疲劳性、导电性等方面的性能。

随着科学仪器、微机电控系统、各种相关科学技术的进步与突破，机械行业对零件表面质量要求逐渐升高，有一些元件，如X射线光学元件和同步辐射器元件，它们的表面粗糙度标准已经十分接近原子层次，表面的微观形状的检测和评估倍受人们的聚焦。表面形貌中不同特征信息的形成具有复杂的技术因素，对工件表面功能特性的影响也不同。表面特征信息的识别和提取及其分析和评价，不仅是研究其与性能之间关系的基础，也是正确识别其过程成因和实施表面质量控制的重要依据。

1.3表面形貌测量的发展历史

工件表面质量的好坏程度会影响其性能，如：寿命、强度等等。得益于社会的进步、科技的迅猛发展，机械行业方面对于工件表面的质量追求更高的水准，表面形貌测量技术也随之快速发展。上世纪20年代末期，施马尔茨对表面微观形状不平度的参数进行了有史以来第一次定量测量，之后伴随着涌现出以机械和光学等方面的基本思路的表面微观质量设备。二十世纪30年代，阿尔伯特成功制造出用于测量表面粗糙度的设备。二十世纪40年代， 泰勒-霍布森这家企业发明并制造了触针式表面轮廓测量设备。二十世纪70年代，有人提出这样一个设想：以相间的条纹为基本思路的测量想法，从其中获取相位数据，进而得到表面形貌的信息。表面测量技术如今已多样化，各种新型仪器设备不断出现，非接触式测量凭借其优势已开始逐渐代替接触式测量。二十世纪80年代，世界上首台台扫描隧道显微镜（STM）成功问世。STM以量子隧穿效应为基本原理，通过检测、获取其中电流的变化再通过电流的变化分析得出相关表面形貌信息，它测量精度很高，可以观测物体表面的原子分布状况。在以往观察原子形态、排列布局是不可能的，因此随着STM的问世，一种叫做原子力显微镜（AFM）也横空出世，使其成为了可能。当下，表面形貌测量方法中，各种新兴技术方法在各个领域应用普遍，各种商用产品被开发出来，均有不错的性能表现。这些技术层面的突破，在科研领域和制造有着深远的现实意义。

1.4工程表面形貌研究现状

为了能够在以后的研究中占有重要的位置，世界上各个国家均将精密测量作为发展重点项目，朝着纳米级精度甚至更高精度去研究探索，这是目前这方面研究的大势所趋。在现代工业制造技术和科学研究与发展中，测量设备朝着集成化、简单化、精密化的发展。现代表面测量技术是多个领域交叉结合的综合领域，涉及范围及其之大，它的发展需要与此相关的许多科技技术的支撑。
科学技术正逐渐向更高的层次进步，测量技术从mm级进步到μm级别，再从μm级别进步到nm级别。伴随技术的发展和测量水平和分辨力达到纳米甚至深层次，促使人类认识世界、改变世界达到了原子、分子层次。从上世纪表面测量快速发展至今，精度等级在某些方面已经达到纳米级别。金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm，某些实验室则已经可以进行10纳米等级的一些机械加工，如：柱、孔等等。这些以往几乎不可能的事情在如今成为现实，离不开测量技术的质的突破。目前，微米和亚微米这方面的测量已经形成比较成熟的体系，如：双频激光干涉测量系统、光学触针式轮廓扫描系统等等。这些研究成果已经成为近年来技术研究的前端。