A review of surface roughness measurements based on laser speckle method

Surface roughness is commonly used to characterize material microstructure during processing,and accurate measurement of surface roughness is the premise and foundation of machining.Therefore,online non-destructive measurement of surface roughness based on the laser speckle method has become a hot issue in recent research.The improvements in surface roughness measurements based on the laser speckle method are systematically reviewed.Theory of speckle formation is introduced.The statistical properties of the speckle patterns including first-order statistical properties and second-order statistical properties are directly related to surface roughness.Surface roughness measurements based on the laser speckle method are roughly divided into the speckle contrast method,speckle correlation method,and fractal method.The three methods are described in detail,and an extensive comparison among all the methods is presented.The recent progresses and application of surface roughness measurements are reviewed.Finally,surface roughness measurements based on the laser speckle method are prospected and summarized.

基于激光散斑图像多特征参数的表面粗糙度建模研究

散斑法是表面粗糙度测量领域的研究热点之一,该方法可以通过建立散斑图像特征参数与表面粗糙度评定参数之间的关系,实现对工件表面粗糙度的高效和无损测量。然而,该方法在特征参数选取阶段缺乏统一的标准,工件的机加工方法也会对特征参数和表面粗糙度评定参数之间的关系产生影响。这可能导致选取的特征参数仅适用于某种加工工艺下的表面粗糙度测量,并且特征参数之间还可能存在冗余问题。针对以上问题,文中从采集的激光散斑图像中提取了多个特征参数,引入斯皮尔曼相关系数,制定简约规则对提取的特征参数进行预筛选,提出了改进的序列后向选择算法以剔除冗余特征。实验结果表明:文中提出的方法筛选出了一组与不同加工工艺的表面粗糙度均强相关的特征,并解决了特征冗余问题,利用这组特征建立的表面粗糙度测量模型能100%识别试件的加工类型,并实现对其表面粗糙度较高精度的测量,改进的序列后向选择算法将平磨、卧铣、立铣和研磨试件表面粗糙度测量模型的平均绝对百分比误差分别降低了1.22%、0.62%、4.99%和1.61%,解决特征冗余问题的同时建立的模型性能更优。

基于灰度共生矩阵方法的激光散斑特性分析

为了实现物体表面粗糙度的测量,基于激光散斑原理,利用灰度共生矩阵方法计算了激光散斑图像的基本参量,分析了激光散斑含有的物体表面粗糙度特征。在此基础上搭建了物体表面粗糙度激光散斑测量实验系统,采集了不同表面粗糙度标准样板在不同入射角条件下的激光散斑图,继而得到了研磨和平磨条件下散斑条纹对比度与光束入射角之间的关系。结果表明,入射角约为60°时,散斑特性及其对比度效果最好。

基于散斑纹理变差函数的平磨表面粗糙度测量技术

粗糙表面调制激光散射从而形成散斑。从计算机纹理分析的角度出发,对平面磨削加工金属表面激光散斑图像纹理特征与表面粗糙度之间的关系进行了研究。在研究中采用激光照射平磨表面,用CCD获取散斑纹理图,再对散斑图变化窗口进行变差函数的纹理分析和归一化统计分析,分别提取散斑纹理中的平均值、方差、能量和熵4个特征,表征磨削表面粗糙度。研究和实验结果表明,对于不同大小的窗口,上述4种纹理特征与磨削表面粗糙度Ra之间均存在良好稳定的单调关系。

基于激光散斑成像的零件表面粗糙度建模

表面粗糙度是衡量机械表面加工水平的重要参数.通过构建一套激光散斑成像采集系统,获取了不同表面加工类型和不同粗糙度值的零件表面激光散斑图像.应用Tamura纹理特征理论提取图像的纹理粗糙度、对比度、方向度特征,并分析了这三个特征与表面粗糙度的关系.发现了纹理粗糙度特征与表面粗糙度的单调关系,推导出平磨、外磨、研磨三种表面加工工艺的粗糙度值与图像纹理粗糙度特征的数学函数关系,实现了表面粗糙度的测量.同时,利用Tamura纹理特征与加工工艺的依赖关系,建立了基于贝叶斯网络的工艺识别推理模型,推理出了零件表面加工工艺.通过为多种加工类型表面建立粗糙度测量模型,为粗糙度测量提供了新思路.实验证明所提的粗糙度测量模型能以较高的准确率识别出零件表面加工类型并测量出其表面粗糙度值.

用激光散斑法测量位相物体厚度

论述了激光散斑技术在计量方面的应用。首先介绍了应用二次曝光散斑图测量物体表面的面内位移的原理和方法;在此基础上论述了激光散斑技术针对透明固体的厚度及其非均匀性的测量。其次做了一些实验和理论探索,并根据实验结果进行了详细的计算,实验结果与理论符合较好。由实验检测结果可知这种技术的精度非常高,可广泛应用于表面粗糙度研究、缺陷检测、微振动分析等无损检测领域。

入射角对激光散斑测量表面粗糙度的影响

观察了当相干激光以不同入射角照射 4个等级的平磨和外圆磨样块时记录的散斑图像中散斑强度的变化。通过分析可知对比度与表面粗糙度之间存在密切的关系 ,入射角又直接影响对比度 ,不同的入射角适合不同的加工方法和测量范围。

平动和旋转目标激光散射强度协方差统计特性

根据目标随机粗糙面激光散射特性,研究了平动平板和旋转圆柱散射强度协方差函数及功率谱密度统计特征。利用散射体不同材料表面高度起伏特征,数值计算了不同入射角和散斑半径时,平动平板和旋转圆柱归一化激光散射强度协方差函数随表面材料高度起伏的均方根及运动速度的变化情况。计算结果表明,平板目标归一化强度协方差函数随着表面高度起伏的增加反而减小,垂直入射时强度镜反射增强,起伏项(即漫反射)减弱,且平板目标速度越大其归一化强度协方差越小。激光散斑大小对旋转圆柱目标归一化强度协方差函数影响较大,旋转速度增加,其归一化强度协方差函数迅速减小。无论是平动平板还是旋转圆柱,其协方差功率谱密度都随着速度的增加而减小。

基于灰度共生矩阵的表面粗糙度研究

介绍了激光散斑的形成及其统计性质,拍摄大量不同加工工艺、不同表面粗糙度标准样块的散斑图像,基于激光散斑图像的灰度共生矩阵及惯性矩、角二阶矩、熵、相关性4个参量,对图像进行了纹理分析。分别绘制了不同加工工艺、不同表面粗糙度标准样块的4个参量与表面粗糙度关系的特性曲线。最后将实验结果和未知表面粗糙度工件的实验数据进行比对,准确估算出了工件的表面粗糙度。

双程传输中粗糙面散射场统计特性的研究

为了研究激光散斑对目标探测的影响,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,进行了双程传输中激光束照射远场目标时在接收平面上散斑的统计特性的理论分析,导出了汇聚光束及准直光束照射情况下散斑场的互相关函数、平均散射强度以及强度协方差的表达式。结果表明,随着波束特征半径以及传输距离的减小,会聚波束照射时接收平面上散斑场的互相关函数下降迅速,而准直波束正好相反,总体上准直波束比会聚波束下降要快得多;强度协方差函数的变化规律与互相关函数的变化规律基本一致。

基于不同加工方式工件表面粗糙度的图像研究

以平磨和外磨标准工件为研究对象,用一种新的非接触式表面粗糙度测量方法进行研究。采集和提取了平磨和外磨工件的激光散斑图像,并用灰度差分统计法对图像进行研究和分析。研究表明,平磨和外磨工件对比度、平均值、方差随表面粗糙度增大存在递增关系,在量值上平磨比外磨大;而不同加工方式对偏度和峰值有影响。

散斑相干法测量表面粗糙度时相干光夹角变化对测量的影响

本文根据Leger激光散斑相干性理论,讨论测量表面粗糙度σ时两相干光束之间夹角的变化对测量精度和测量范围的影响,提出了合理选择夹角的理论依据,并从实验上得到了验证。

激光散斑引起象强度中心漂移的计算机模拟

激光散斑引起象强度中心的漂移，对测量引入了一个基本不确定度。本文对这个基本不确定度进行了计算机模拟研究，所得模拟曲线与Ｒ．Ｇ．Ｄｏｒｓｃｈ，Ｇ．Ｈａｕｓｌｅｒ等人的研究基本一致。此外，还对基本不确定度与表面粗糙度的关系、基本不确定度与成象系统点扩散函数内所包含的相关单元数的关系进行了研究。

基于激光散斑角度相关法表面粗糙度测量

为了完成对精密机械表面粗糙度的精确测量,基于远场角度散斑强度的相关理论,采用激光散斑方法设计了表面粗糙度测量的实验光路。在实验光路中,将平面镜与待测粗糙表面固锁在一起,当转动待测粗糙表面时,平面镜与分束镜、接收屏组成了测量转动角度的光指针,提高了转动角度的测量准确度。在数据处理中,提出了基于MATLAB软件的角度散斑相关度峰值的计算方法,简化了测量步骤,提高了测量速度,进而利用相关度峰值计算求得表面粗糙度。利用设计和组建的系统对平铣表面粗糙度标准模块的表面粗糙度进行了实际测量,并对测量结果与标准样块的标称值进行比较,取得了较高的测量准确度。结果表明,此研究验证了激光散斑方法测量表面粗糙度的可行性,对进一步完善表面粗糙度的精密测量是有帮助的。

激光散斑特性的实验研究

基于泰曼格林干涉仪,用不同的激光器对不同表面粗糙度的物体进行了测量,详细研究了激光散斑的特性,找出其规律。理论和实验研究表明,增大激光波长和光学系统的物方孔径角,选择适当表面粗糙度的被测物体是提高散斑对比度的关键因素。本文的研究结果可用于数字散斑干涉测试中。

粗糙表面对散斑统计特性的影响

为研究高速摄影中激光相干噪声的影响因素,降低激光照明中散斑噪声对高速摄影成像质量的影响,对激光照射表面的粗糙程度与形成的散斑场统计特性之间的关系进行了研究。基于菲涅尔-基尔霍夫衍射原理,分析了高斯光束入射在随机粗糙表面上经反射形成的散斑图样,通过对大量散斑图样的数据统计,得出了激光散斑的信噪比、自相关函数、概率密度函数与入射表面粗糙度之间的变化关系。计算结果表明:粗糙度的增大使散斑场信噪比降低、相干程度减小、概率密度降低,即表面越粗糙散斑噪声越严重。

影响激光散斑表面粗糙度测量的因素

为提高表面粗糙度的识别精度,以灰度共生矩阵特征参数之一的能量为例,研究与其相关的影响因素。采用半导体激光器照射粗糙表面,通过CCD获取图像,求取能量值,并绘制与各影响因素的关系曲线,研究不同实验条件下能量值和表面粗糙度的关系。结果表明,采用合适的光照度、入射角和照射面积等,可以提高测量系统的表面粗糙度分辨率。

基于自相关函数的非平面表面粗糙度的图像纹理研究

采用自相关函数对不同加工工艺形成的非平面工件表面粗糙度进行了研究。讨论了自相关函数及其扩展度参数与图像纹理特性的关系,构建了实验装置,利用图像处理软件对实验所得的激光散斑图像进行了处理,得到了自相关函数及其扩展测度参数随表面粗糙度的变化曲线。为研究非平面工件的粗糙度,提供了一种新的方法。

基于光刀旋转扫描法的三维传感技术

为了减小基于传统光刀投影法的三维传感仪器的设备体积,根据激光刀三维传感的原理,提出了一种新型的扫描法,即光刀旋转扫描法。该方法通过将激光刀投射到待测物,再附加绕光刀出射方向中心线的旋转扫描,同时摄像设备从另一角度记录受待测物表面凹凸所调制的光刀影像,再通过算法获取待测物的三维数据;采用模型分析证明了该方法中绕光刀出射方向中心的转动比传统方法中绕旋臂中心的转动更节省工作空间;基于光刀旋转扫描法的三维传感仪器可通过不同参数来改变测量距离和精准度。本实验在测量5 000mm处物体时,柱坐标中的极径和高的相对误差分别能控制在0.001 744 1和0.001 792 5,实验验证了该方法具有较高的准确性,在获取小范围的三维数据以及制作轻便的三维传感设备方面有较大优势。