Chương 5 ĐO BIÊN DẠNG BỀ MẶT CHI TIẾT
5.1 Đo độ nhám bề mặt chi tiết
5.1.1 Phương pháp đo tán xạ tích phân toàn phần
Cường độ lượng tia tán xạ là
I scatter với độ nhám bình
phương trung bình của bề
mặt Rq qua công thức:
I scatter = (4πRq / λ )2.I0
I0 là cường độ tia phản xạ.

Công thức trên về cơ bản là
chính xác với những bề mặt
có độ nhám bình phương
trung bình RMS nhỏ hơn
bước sóng λ của chùm tia
tới.


5.1.2 Phương pháp đo nhám bằng giao thoa laser
Phương pháp đo này sử dụng giao thoa kế kiểu Mai ken xơn
CCD

G

CT
Nguån Laser

S

α
a

a)

Mau do

b

b)

Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý đo độ nhám bằng giao thoa kế laser Maikenxon

. Khoảng cách vân b và độ khuếch đại chiều cao vân phụ thuộc
vào góc nêm α. Chiều cao nhám cần đo được xác định :
h = ( a / b). λ
- a chiều cao vân
-λ bước sóng laser


5.2 Đo biên dạng tế vi bề mặt chi tiết
5.2.1 Thiết bị đo sự thay đổi điểm hội tụ
Sự thay đổi điểm hội tụ theo biên dạng bề mặt đo
Độ phân giải đứng có thể
nhỏ tới 10 nm. Phạm vi
quét theo phương đứng từ
vài mm tới khoảng 20 mm
hay lớn hơn nữa.. Phạm vi
đo ngang XxY được xác
định bởi vật kính và phạm
vi thường từ (0,14 x 0,1)
mm tới (5 x 4) mm đối với

các phép đo đơn lẻ., phạm
vi đo X x Y có thể tới (100
Hình 5.3: Thiết bị đo theo sự thay đổi tiêu điểm
x 100) mm.


5.2.2. Giao thoa kế hoạt động theo nguyên lý dịch pha
Giao thoa kế dịch pha (PSI) bao gồm một giao thoa kế tích hợp
với một kính hiển vi ,hình 5.4
Trong giao thoa kế, gương
tách tia hướng chùm sáng
đi xuống theo một đường
chuẩn,. Gương tách tia sẽ
hướng chùm tia thứ hai đi
tới bề mặt được đo rồi
phản xạ lại. Hai chùm tia
này trở lại bộ tách tia rồi
kết hợp, chồng chất lên
nhau tạo thành ảnh vân
giao thoa trên bề mặt cảm
biến


Các thiết bị đo PSI thường sử dụng một trong hai kết cấu tùy
thuộc vào sự sắp
xếp vật kính hiển vi. Hình 5.5 a cho thấy kết cấu của vật kính
Mirau, ở đó các phần tử A, B và C dịch chuyển tham chiếu tới D.
Hình 5.5 b thể hiện kết cấu vật kính Linnik, trong đó các phần tử
B và C dịch chuyển tham chiếu tới D và E.


Hình 5.5a) Vật kính Mirau và Vật kính Linik b)


Kết cấu Mirau nhỏ gọn hơn và ít cần tới sự điều chỉnh hơn kiểu
Linnik. Đối với cả hai loại vật kính, giao thoa khi cả gương
chuẩn và đối tượng đo đúng tiêu điểm.
Với vật kính Mirau, điều này được thực hiện qua sự điều chỉnh
độ nghiêng và vị trí của gương chuẩn.
Còn với vật kính Linnik, cả gương chuẩn và đối tượng phải đúng
tiêu điểm nhưng hơn nữa cả hai nhánh của vật kính Linnik phải
được chế tạo bằng nhau trong phạm vi vân giao thoa.
Hệ Linnik bao gồm hai vật kính phải phù hợp với nhau, như vậy
ít nhất là gấp đôi chi phí. Một lợi thế của Linnik là không có khu
vực trung tâm của vật kính bị chặn và không có không gian bên
dưới vật kính cần thiết cho việc gắn thêm gương và bộ tách tia.


PSI có thể đạt được độ phân giải và độ lặp lại dưới nm nhưng rất
khó xác định độ chính xác của chúng, ví dụ như nó rất phụ thuộc
vào bề mặt được đo.
Những bề mặt có các điểm liền kề chênh lệch không quá 1/4 bước
sóng mới đo được trên PSI. Phạm vi đo của PSI bị giới hạn trong
khoảng 1 vân hay xấp xỉ 1/2 bước sóng của nguồn sáng.
Do đó các thiết bị đo PSI thường chỉ được sử dụng để đo những
bề mặt tương đối phẳng. Một quy tắc theo kinh nghiệm cho thấy
rằng chỉ những bề mặt có Ra hay Sa nhỏ hơn λ /10 mới có thể đo
được bằng PSI. Hạn chế này có thể khắc phục được bằng cách
kết hợp thiết bị PSI với một thiết bị đo giao thoa quét kết hợp
(CSI), thường được chuyển thành chế độ quét dọc.



5.2.3. Kính hiển vi số chụp ảnh toàn ký 3D
Kính hiển vi chụp ảnh số toàn ký (DHM) là một kính hiển vi giao
thoa ,hình 5.6
DHM có độ phân giải
tương đương PSI và bị
giới hạn trong phạm vi 1/2
bước sóng của nguồn sáng
. Tuy nhiên, DHM bước
sóng kép hay đa bước
sóng cho phép tăng phạm
vi đo dọc tới vài µm.
Hình 5.7: Thiết bị đo tự động dò điểm hội tụ


5.2.4 Phương pháp đo chép hình theo nguyên lý tự động điều tiêu
theo điểm
Các thiết bị đo nhám bề mặt tự động theo nguyên lý điều tiêu hoạt
động bằngcách hội tụ chùm tia laser một cách tự động thành một
điểm trên bề mặt đo.
Tia tới đi qua một phía của
vật kính, còn tia phản xạ đi
qua phía đối diện sau khi hội
tụ trên bề mặt được đo tại
tâm của trục quang. Nó hình
thành một ảnh trên cảm biến
tự động điều tiêu sau khi đi
qua thấu kính tạo ảnh.
Hình 5.7: Thiết bị đo tự động dò điểm hội tụ



Hình 5.8: Các trạng thái của thiết bị tự động dò tiêu điểm


Điểm bất lợi của việc tự động dò điểm hội tụ là nó đòi hỏi thời
gian đo dài
Ngoài ra, độ chính xác của thiết bị sẽ được xác định bởi kích
thước đốm sáng laser hội tụ, do cường độ quang không đều trong
phạm vi đốm laser hội tụ, nó sinh ra sai số dịch tiêu điểm.
Độ phân giải theo trục được xác định bởi độ phân giải của thước
chuẩn, thậm chí có thể tới 1 nm. Phạm vi đo được xác định bởi
các bàn quét theo ba trục trục xy và z, ví dụ 150x150 x10mm .


5.3 Đo biên dạng chi tiết bằng phương pháp quét tia laser
5.3.1 Phương pháp quét tia truyền qua
5.3.1 1 Phương pháp đo bằng quang thông chiếu sáng
Ánh sáng từ nguồn chiếu bằng tia quét khi qua hệ quang sẽ
được hội tụ tại đầu thu của tế bào quang điện. Với đặc tính hoạt
động : khi kích thước chi tiết tăng thì quang thông của nguồn
sáng tới tế bào quang điện giảm do đó năng lượng nhận được của
tế bào quang điện giảm. Như vậy, thông qua độ lớn của giá trị
năng lượng thu ta có thể xác định được kích thước của chi tiết.



Ưu điểm : Kết cấu đơn giản
Nhược điểm :
-Khó khăn trong việc tạo ra nguồn sáng có kích thước nhỏ mà
vẫn đảm bảo về mặt năng lượng chiếu sáng.

-Độ chính xác đo bị ảnh hưởng bởi sự không ổn định năng lượng
phát của nguồn sáng cũng như các yếu tố hấp thụ năng lượng
trên đường đi của các tia sáng như hệ quang, môi trường hay bản
thân chi tiết đo.


5.3.1.2 Phương pháp tạo ảnh chi tiết trên đầu thu camera
Ánh sáng từ nguồn chiếu bằng đèn LED năng lượng cao hoặc
nguồn tia quét qua hệ quang tạo ảnh chi tiết trên đầu thu camera.
Với đặc tính tạo ảnh tỷ lệ thuận nên thông qua việc xác định độ
lớn ảnh trên camera ta có thể xác định được kích thước chi tiết.


Ưu điểm : Do kết hợp được đồng thời việc đo kích thước với sự
thu hình ảnh của chi tiết trên màn hiển thị nên thuận tiện trong
công việc xử lý, hiệu chỉnh cũng như có thể dễ dàng phối hợp để
đo các thông số khác của chi tiết.
Nhược điểm : Thiết bị tương đối phức tạp và đắt tiền vì để có độ
chính xác đo cao thì ta cần cũng cần phải có bộ đọc tín hiệu đo
cùng với một đầu thu camera có độ phân giải và độ chính xác
tương ứng.


5.3.1.3 Phương pháp tạo xung đo sử dụng tia Laser quét
Với đặc tính chi tiết đo che khuất và không che khuất tia quét từ
thấu kính trực chuẩn sẽ tạo ra xung phát từ tế bào quang điện.
Độ rộng của xung này tỷ lệ với kích thước chi tiết




Giả sử khoảng chi tiết che khuất chùm tia quét song song tương
ứng với góc quét ϕ của chùm tia quét góc ,hình 5.12.
Ta có kích thước D của chi tiết : D = MN = 2. f . tg(ϕ /2)
=f.ϕ
Vận tốc quay n (vòng/giây) của gương đa giác
Với tần số phát là ft

N
D = 4π.n.f.
ft


Ưu điểm :
-Có kết cấu tương đối đơn giản nhưng có thể đo với độ chính xác
cao.
-Việc xử lý xung phù hợp với xu hướng phát triển của các thiết bị
điện tử số hiện nay.
Nhược điểm :
-Khó khăn tạo ra được nguồn tia quét lên chi tiết với độ song
song cao và vận tốc quét ổn định.
-Đòi hỏi phải có một bộ đọc xung đo có tính ổn định với độ phân
giải cao ,tương ứng với độ chính xác đo
Đặc điểm chung của các phương pháp đo bằng tia laser quét
này là có tốc độ đo cao đến 10.000 phép đo trong một giây và có
thể đạt độ chính xác đến 0,01micromet


Hình 5.13 Mô hình sơ đồ đo và máy đo