精密制造中，如何高精度非接触检测Ra小于0.1微米的金属深孔内表面粗糙度？【光谱共焦，在线检测】

1. 金属内表面基本结构与技术要求

想象一下，一个油缸的内壁、发动机的缸套，或者一枚精密轴承的滚道。它们都有一个共同点：内部表面。这些金属内表面，不是简单地“光溜溜”就行了，它们的微观形貌，也就是我们常说的“粗糙度”，对机械部件的性能至关重要。

具体来说，这些内表面可能呈现出圆柱形、锥形、槽形，甚至带有螺纹或其他复杂结构。它们的结构特点决定了测量的挑战性——传统的测量工具往往难以深入，或者无法实现非接触。

而微米级的粗糙度，听起来很小，但在精密制造领域，却能引发大问题。比如，如果油缸内壁的粗糙度过高，活塞在里面滑动时，就如同汽车在崎岖不平的道路上行驶，会产生更大的摩擦和磨损，导致密封性能下降，甚至引发漏油；如果过低，润滑油膜可能无法有效附着，同样会加速磨损。所以，精确控制这些内表面的粗糙度，是确保部件寿命、可靠性和效率的关键。

2. 金属内表面粗糙度相关技术标准简介

为了准确描述和评估金属内表面的粗糙度，行业内形成了一套标准化的参数和评价方法，这就像给表面的“崎岖程度”贴上了不同的标签。

• 粗糙度参数：

  • Ra（算术平均偏差）：这是最常用的粗糙度参数，表示在取样长度内，轮廓偏距绝对值的算术平均值。可以把它想象成，把表面所有的“山峰”和“山谷”的高度加起来取平均，得到一个反映整体粗糙程度的数值。

  • Rz（最大轮廓高度）：表示在取样长度内，最大的轮廓峰高和最大的轮廓谷深之和。它更关注表面的极端高点和低点，对于检测表面是否有明显的划痕或凸起很有用。

  • Rq（均方根偏差）：这是轮廓偏距的均方根值，对轮廓的峰谷变化更敏感，反映了粗糙度变化的波动性。

  • Rpk（减缩峰高）：反映了表面最突出的峰的平均高度，与表面的磨合特性相关。

  • Rvk（减缩谷深）：反映了表面最深的谷的平均深度，与储油能力和磨损碎屑的容纳能力相关。

  • Sm（轮廓微观不平度间距）：表示轮廓峰值的平均间距，可以反映表面纹理的疏密程度。

• 评价方法：

  • 轮廓法（2D）：通过沿着一条直线对表面进行测量，获取二维的表面轮廓线数据，然后计算上述参数。这就像是用一根线沿着山脊线走，记录高低起伏。

  • 面积法（3D）：通过对表面一定区域进行扫描，获取三维的表面形貌数据（点云），然后计算更全面的三维粗糙度参数（如Sa, Sz, Sq等）。这就像是制作一张完整的地形图，能更全面地了解地貌特征。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在实现金属内表面微米级粗糙度的高精度非接触高效测量时，市场上有多种主流技术方案，每种都有其独特的优势和适用场景。

3.1.1 触针式测量技术

触针式测量，顾名思义，就是通过一根非常精细的探针（通常是金刚石）直接接触并滑过被测表面来获取粗糙度信息。

• 工作原理与物理基础： 探针在工件表面匀速滑动时，会随着表面微观不平度而上下移动。这个垂直位移会被一个高度灵敏的传感器（如电感传感器）转换为电信号。这些电信号经过放大、滤波和数字化处理后，就能描绘出表面的二维轮廓数据。随后，根据预设的评估长度，通过特定的算法计算出Ra、Rz等粗糙度参数。 其核心原理是机械-电信号转换： 探针位移 ΔZ -> 传感器输出电压 ΔV -> 数字信号处理 -> 粗糙度参数。 典型的感应式传感器输出电压通常与位移成线性关系，即 ΔV = k * ΔZ，其中k是传感器的灵敏度常数。

• 核心性能参数的典型范围： 垂直测量范围通常在数百微米，分辨率可达数纳米，测量速度相对较慢，一般在0.15 mm/s到1 mm/s之间。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量精度高，结果符合国际标准，被广泛认可，特别是对于2D粗糙度参数测量具有极高的权威性。设备坚固耐用，可在生产现场和实验室使用。通过更换特殊测杆，也能适应一定程度的深孔和小孔内表面测量。

  • 缺点： 属于接触式测量，探针可能会划伤或损坏精密工件表面，特别是对于软质或极高精度的表面。测量速度慢，不适合在线或批量快速检测。由于是单线扫描，难以获取完整的3D表面形貌信息。测针的磨损也会影响测量精度，需要定期校准和更换。

3.1.2 白光干涉测量技术

白光干涉测量（WLI），也叫相干相关干涉测量（CCI），是一种高精度的非接触式光学测量技术。它利用白光（宽光谱光）的干涉现象来测量表面高度。

• 工作原理与物理基础： 仪器会发射一束宽光谱的白光，这束光被分成两路：一路照射到待测的样品表面，另一路照射到仪器内部的一个高精度参考镜。从样品表面和参考镜反射回来的光线，会重新汇合并发生干涉。由于白光的相干长度很短，只有当这两路光程差（光线走过的距离差）非常接近零时，才会产生清晰可见的干涉条纹。通过精确寻找干涉条纹最清晰（相干性最高）的位置，结合扫描技术，就能确定样品表面上每个点的精确垂直高度。 其核心原理是光的干涉原理：当两束光波在空间相遇时，它们的振幅会叠加，形成干涉图样。对于白光干涉，我们关注的是相干函数 C(ΔL)，它在光程差 ΔL 趋近于零时达到最大值。 干涉强度 I = I1 + I2 + 2 * sqrt(I1*I2) * cos(φ)，其中 I1, I2 是两束光的强度，φ 是相位差。通过寻找干涉条纹可见度最高（|C(ΔL)|最大）的点，确定表面高度。

• 核心性能参数的典型范围： 垂直测量范围可达毫米级，垂直分辨率能达到0.01 nm甚至更高，横向分辨率通常在亚微米级别。测量速度相对较快，通常在数秒内完成。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极高的垂直分辨率，能够实现纳米级的表面粗糙度测量，非接触式避免了损伤。可以快速重建样品表面的高精度三维形貌数据。

  • 缺点： 对环境振动非常敏感，通常需要在减振平台上使用。对表面倾角有限制，反射率过低或过高的表面可能难以测量。对于深孔或复杂内表面的测量存在一定局限性，需要专门的探头设计。

3.1.3 激光三角测量法

激光三角测量是一种常见的非接触式光学位移和轮廓测量技术，广泛应用于工业自动化领域。

• 工作原理与物理基础： 测头会向被测金属内表面发射一束聚焦的激光。当激光束打到表面时，会形成一个光斑。这个光斑的反射光会通过一个接收光学系统，被一个线阵或面阵图像传感器（如CCD或CMOS）接收。由于激光的入射角度是固定的，当被测点的高度发生变化时，反射光斑在图像传感器上的位置也会随之移动。通过测量光斑在传感器上的位置变化，并利用简单的几何三角关系，就可以精确计算出测量点到测头的距离，从而得到表面高度信息。 核心原理是几何三角原理： 假设激光发射器与接收器之间距离为L，激光入射角为α，接收角为β，当被测物表面高度变化Δh时，光斑在传感器上的位置移动Δx。则有： Δh = Δx * sin(β) / (cos(α) + sin(α) * Δx / L) （简化公式，实际更复杂） 通过这种方式，将光斑位置的改变转换为距离的变化。

• 核心性能参数的典型范围： 测量范围通常从数毫米到数十毫米，分辨率一般为微米级，部分高精度型号可达亚微米。测量频率非常高，可达kHz级别，适合高速在线检测。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 非接触、测量速度快，能够实现连续的轮廓数据采集。设备通常坚固耐用，能适应恶劣的工业环境，非常适合在自动化生产线中进行实时或在位检测。

  • 缺点： 对表面材质和反射特性较为敏感，镜面或强反射表面可能产生饱和，而漫反射表面可能信号较弱。容易受到环境光干扰。测量精度通常低于干涉和共聚焦技术，且对于深孔内壁测量可能存在视场和阴影问题。

3.1.4 光谱共焦测量技术

光谱共焦测量（或称色散共焦、白光共焦）是一种利用光学色散原理进行非接触式高精度位移和形貌测量的技术。它在测量精度、材质适应性和复杂结构测量方面具有显著优势，尤其适合金属内表面粗糙度的检测。

• 工作原理与物理基础： 光谱共焦系统采用一个特殊的物镜，该物镜具有轴向色散特性，这意味着当一束宽光谱（例如白光或彩色激光）的光线通过它时，不同波长的光会聚焦在不同的轴向位置。当探测光束被聚焦并照射到被测表面时，只有当特定波长的光线恰好聚焦在表面上时，反射回来的光信号强度才会达到最大值。系统通过棱镜或衍射光栅将反射回来的宽光谱光进行分光，并由光谱仪（或CCD阵列）检测不同波长的光强度。通过分析哪个波长的光强度最大，就能精确地确定被测点到传感器探头的距离。 其核心原理是轴向色散效应与共聚焦原理的结合。 理想的共聚焦系统，只有焦点处的反射光才能通过小孔（针孔）被探测器接收。光谱共焦技术将这个焦点在Z轴方向上扩展成一系列由不同波长光组成的“焦平面”，每个波长对应一个独特的焦点高度。 探测器接收到的光谱信号中，某个波长λ的强度I(λ)会达到峰值，这个峰值波长λmax与被测表面高度Z之间存在一个预先标定好的函数关系：Z = f(λmax)。 通过检测峰值波长，即可高精度地计算出物体表面的高度。

• 核心性能参数的典型范围： 光谱共焦技术能够实现纳米级的垂直分辨率，线性精度可达微米级别， 测量范围从数十微米到数毫米不等。 某些型号能够测量高达87°的漫反射表面倾角。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 非接触式测量，完全避免对工件表面的损伤。高精度和高分辨率，能够实现纳米级的垂直分辨率。对多种材质适应性强，无论是金属、玻璃、陶瓷、镜面，还是透明或半透明材料，都能稳定测量。对复杂形状测量能力突出，例如深孔、弧面、斜面等，尤其适合检测内壁粗糙度。光斑尺寸小，可以检测非常微小的细节。光源稳定性高，抗环境光干扰能力强。

  • 缺点： 相较于一些简单的激光位移传感器，设备成本相对较高。测量视野通常较小，需要扫描才能覆盖较大区域，因此对于大面积快速检测可能需要配合高精度运动平台。对于极度吸收光的黑色表面或完全透明的表面，测量可能会受到一定限制。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选几个国际知名品牌，它们在金属内表面粗糙度测量领域都有着卓越的表现，但技术侧重点各有不同。

• 德国马尔

  • 采用技术： 触针式测量

  • 核心技术参数： 垂直测量范围±250 µm，分辨率8 nm，评估长度可调（0.08 mm - 8 mm），测量速度0.15 mm/s - 1 mm/s。

  • 应用特点和独特优势： 作为触针式粗糙度测量的领导者，德国马尔的产品以其极高的测量精度和稳定性著称。M 300 C系列提供丰富的测针和附件，尤其擅长处理各种复杂几何形状，包括深孔、小孔内表面的测量。测量结果符合国际标准，具有广泛的认可度，是实验室和生产现场进行精确二维粗糙度检测的可靠选择。

• 英国泰勒霍普森

  • 采用技术： 白光干涉测量（CCI）

  • 核心技术参数： 垂直测量范围0.01 nm至1 mm，垂直分辨率0.01 nm (RMS)，横向分辨率0.37 µm。测量速度根据配置可达数秒。

  • 应用特点和独特优势： 英国泰勒霍普森在超精密表面计量领域拥有世界领先地位。其产品提供纳米级的垂直分辨率，能够对金属内表面实现非接触式、高精度的三维粗糙度测量，避免了触针可能造成的表面损伤。特别适用于航空航天、光学元件、精密机械等对表面质量要求极其严苛的行业。

• 西班牙赛斯泰克

  • 采用技术： 多传感技术集成（包括共聚焦、白光干涉WLI、相移干涉PSI）

  • 核心技术参数： Z轴重复性低至0.01 nm (PSI模式)，垂直测量范围最高可达20 mm，横向分辨率可达亚微米级。

  • 应用特点和独特优势： 西班牙赛斯泰克以其独特的多传感技术集成能力脱颖而出。S Neox平台能够根据被测表面的特性和所需精度，智能选择或切换共聚焦、白光干涉和相移干涉等多种测量模式。这种灵活性使其能够应对各种材质、不同粗糙度范围的金属内表面测量，从极光滑到粗糙的表面，均能提供高分辨率、高精度的三维形貌数据。其强大的软件分析功能支持多种国际标准下的粗糙度参数计算和可视化分析，是研发和质量控制的理想工具。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 多模态光学测量（主要采用聚焦扫描和非接触式光学干涉技术）

  • 核心技术参数： Z轴测量范围最高25 mm，Z轴重复性0.5 µm (标准模式)，测量时间最快1秒。

  • 应用特点和独特优势： 日本基恩士以其高速、大面积的3D扫描能力在工业自动化和质量控制领域著称。VR-6000系列能够快速获取高密度的三维点云数据，并进行粗糙度、形状、平面度等多种参数的测量。其测量速度极快，显著提高了检测效率，特别适合需要快速、高精度在线或近线批量检测的金属内表面粗糙度测量。直观的操作界面和强大的分析功能降低了使用门槛。

• 意大利马波斯

  • 采用技术： 激光三角测量法

  • 核心技术参数： 测量范围通常为数毫米至数十毫米，分辨率通常为微米级，测量频率可达kHz级别。

  • 应用特点和独特优势： 意大利马波斯是精密测量和过程控制领域的领导者，尤其擅长机床在线检测和自动化测量。Mida Senso系列激光测头坚固耐用，可无缝集成到自动化生产线中，实现对金属内表面的非接触、高速检测。其产品在汽车、航空航天等高精密制造行业中，对于在恶劣工业环境下进行快速、大批量检测具有显著优势。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 光谱共焦测量技术

  • 核心技术参数： 英国真尚有EVCD系列光谱共焦位移传感器，采样频率最高可达33,000Hz，分辨率最高可达1nm，线性精度最高可达±0.01%F.S.，特定型号如Z27-29精度可达±0.01μm。根据型号不同，量程范围从±55μm至±5000μm不等，最小光斑尺寸可达2μm，标准型号最大可测倾角可达±20°，特殊设计型号如LHP4-Fc可达±45°。

  • 应用特点和独特优势： 英国真尚有光谱共焦传感器采用彩色激光光源，光强稳定性高。其模块化设计，探头与光纤可拆卸，便于维护和更换。部分型号前端实现IP65防护，可在有粉尘、水汽环境中使用。结合可选配的CCL镜头，可实时观测测量光斑位置，实现可视化测量。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的测量设备就像选择一把合适的尺子，需要根据具体的测量任务来定。以下是一些关键指标及其选型建议：

• 分辨率和精度： 这两个指标直接决定了测量结果的可靠性。

  • 实际意义： 分辨率指设备能识别的最小高度变化，而精度则是测量结果与真实值之间的接近程度。对于微米级粗糙度测量，我们通常要求分辨率达到纳米级别，精度达到微米甚至亚微米级别。

  • 选型建议： 如果被测粗糙度值非常小（如Ra小于0.1微米），或需要精确定位微小缺陷，应优先选择分辨率高、精度好的光谱共焦或白光干涉传感器。例如，1nm的分辨率可以帮助你看到头发丝截面上更细微的纹理，而0.01微米的精度则能保证你测量的这个纹理高度非常接近真实值。

• 量程： 指传感器能够测量的最大高度范围。

  • 实际意义： 如果量程太小，可能无法覆盖待测表面的最大高度差；如果量程太大，则可能牺牲分辨率和精度。

  • 选型建议： 根据被测内表面的粗糙度范围、孔深等具体情况选择。例如，如果需要测量较深的孔，需要传感器具备更大的测量范围，同时也要考虑探头深入能力。

• 光斑尺寸（或横向分辨率）： 指测量光束在样品表面形成的最小尺寸。

  • 实际意义： 光斑尺寸越小，横向分辨率越高，能够捕捉到表面更精细的微观结构和细节。

  • 选型建议： 对于需要分析表面微小纹理、划痕或局部缺陷的应用，应选择光斑尺寸小的传感器，以便更精细地扫描表面。

• 测量速度（采样频率/扫描速度）： 决定了测量所需的时间。

  • 实际意义： 采样频率越高，单位时间内采集的数据点越多，可以更快地完成测量或进行在线检测。

  • 选型建议： 如果是生产线上的在线检测或需要对大量工件进行快速抽检，高速测量的设备（如采样频率可达数万赫兹的光谱共焦或激光三角测量）会大大提高生产效率。

• 材质适应性与可测倾角：

  • 实际意义： 不同材料（金属、陶瓷、玻璃等）的反射特性不同，有些传感器对镜面或漫反射表面有特定要求。可测倾角则决定了传感器是否能有效测量复杂内壁（如斜面、弧面）。

  • 选型建议： 对于金属内表面，其反射特性可能从镜面到漫反射不等。优先选择对多材质适应性强、可测倾角大的光谱共焦传感器，它能应对各种反射特性和复杂的内壁几何形状。例如，能测量较大倾角的能力，意味着几乎可以覆盖所有内壁的侧面测量需求。

• 探头尺寸与形状：

  • 实际意义： 对于内表面测量，特别是深孔或小孔，探头的物理尺寸和出光方式至关重要。

  • 选型建议： 寻找探头外径小、提供90度出光或定制角度探头的设备，才能确保探头能顺利进入并测量到内壁的各个部位。

• 防护等级：

  • 实际意义： 在工业生产环境中，粉尘、水汽、油污等是常见挑战，防护等级高的设备能保证长期稳定运行。

  • 选型建议： 如果在恶劣的生产环境中使用，应选择前端防护等级达到IP65或更高标准的传感器，以确保设备的耐用性和可靠性。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最先进的测量设备，实际应用中也可能遇到一些意想不到的“小插曲”。

• 问题1：表面脏污或油污影响测量精度。

  • 原因及影响： 表面附着的灰尘、油污、切削液等杂质会改变光线的反射路径或强度，导致传感器接收到错误信号，从而产生不准确的测量结果，可能将杂质的厚度误判为表面形貌的一部分。

  • 解决建议： 在测量前，务必对被测区域进行彻底清洁。可以采用酒精擦拭、超声波清洗、高压气体吹扫等方法去除表面杂质。对于精密部件，建议在洁净环境下进行测量。

• 问题2：被测工件定位不准或振动。

  • 原因及影响： 如果工件在测量过程中发生微小位移、晃动，或扫描路径不准确，会导致测量数据失真，影响粗糙度参数的准确性。这就像你拿着不稳的相机去拍移动的物体，照片自然会模糊。

  • 解决建议： 采用高精度工装夹具将工件牢固固定。在测量过程中，尽量减少外部振动源。对于在线测量，可以考虑使用防振台或高采样频率的传感器配合编码器同步采集，以补偿运动误差并提高测量稳定性。

• 问题3：不同材料或表面处理的反射特性差异大。

  • 原因及影响： 某些金属内表面可能经过抛光（镜面反射）或喷砂（漫反射）处理，导致光线反射特性差异巨大。一些光学传感器对反射率过高或过低的表面测量效果不佳，容易出现信号饱和或信号弱的问题。

  • 解决建议： 优先选择对多种材质和反射特性适应性强的光谱共焦传感器。在测量前，可以进行小范围测试，调整传感器的曝光时间或增益参数，确保获取到稳定的测量信号。对于极高反射率的表面，有时需要使用专门的防眩光模式或调整探头角度。

• 问题4：深孔或小孔内部测量死角。

  • 原因及影响： 传统探头可能无法深入到狭窄或深邃的孔内部，或者由于探头尺寸和出光角度限制，存在测量盲区，无法获取完整的内表面形貌数据。

  • 解决建议： 选择设计紧凑、外径小、并提供90度或定制角度出光探头的光谱共焦传感器。配合高精度多轴运动平台，通过编程规划复杂的扫描路径，确保探头能够到达并完整覆盖所有目标测量区域。

在选择测量设备时，也需要考虑软件的兼容性和易用性。例如，英国真尚有EVCD系列光谱共焦位移传感器，支持多种测量模式和数据处理功能，并提供可视化编程界面，可以有效缩短开发周期，满足不同的测量需求。

4. 应用案例分享

• 3C电子行业： 在手机摄像头模组的内壁、显示屏边框的内部、以及精密连接器内孔的粗糙度检测中，确保内部结构的平滑度和精度，以保证产品装配质量和功能稳定性。

• 半导体行业： 对晶圆加工过程中形成的微小沟槽、通孔的内壁粗糙度进行检测，这些结构的粗糙度直接影响芯片的电学性能和可靠性。

• 新能源行业： 锂电池壳体内部、电池极片卷绕内表面等关键部件的粗糙度检测，确保电池内部结构一致性，提高电池寿命和安全性。

• 精密制造行业： 汽车发动机缸体、液压阀体、精密轴承座孔等金属部件的内表面粗糙度、孔深度、螺纹孔深度和轮廓扫描，直接影响部件的摩擦、磨损、密封和装配精度。比如，使用英国真尚有光谱共焦传感器可实现对金属件台阶高度差、孔深度、螺纹孔深度测量和轮廓扫描。

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参考资料： * ISO 25178 - 产品几何技术规范 (GPS) - 表面结构 * ISO 4287 - 表面粗糙度：轮廓法术语、定义及参数 * ISO 3274 - 表面粗糙度：轮廓法接触（触针）式测量仪的标称特性