表面粗糙度怎么测量？

一、表面粗糙度测量方法及主要设备

表面粗糙度测量方法多样，按原理主要分为接触式与非接触式两大类，具体如下：

1.接触式测量法

·触针法
原理：金刚石触针（针尖曲率半径约2 μm）沿表面滑行，通过位移传感器记录轮廓起伏，计算Ra、Rz等参数。
设备：电动轮廓仪（便携式或台式）、CNC表面粗糙度测量机。
特点：精度高（Ra 0.02–50 μm），但可能划伤软质表面。

·印模法
原理：用塑性材料（如石蜡）复制深孔、内螺纹等难触及表面的轮廓，间接测量印模。
设备：专用印模材料套装+轮廓仪。

2. 非接触式测量法

·光学干涉法
原理：利用光波干涉条纹的形变反演表面微观高度差，分辨率达纳米级。
设备：白光干涉仪、干涉显微镜。

·光切法
原理：光带投射至表面，通过显微镜观察截面轮廓，适合测量Rz 0.8–100 μm的表面。
设备：光切显微镜（双管显微镜）。

·激光扫描法
原理：激光束扫描表面，分析反射光强度/相位变化。
设备：激光轮廓仪。

·原子力显微镜（AFM）法
原理：探针扫描表面原子间作用力，生成3D形貌图。
设备：原子力显微镜，分辨率达纳米级，但速度慢且可能损伤样品。

3. 比较法

·原理：通过视觉或触觉比对粗糙度样块，快速但主观性强，精度低（仅适用Ra >2.5 μm）。

下表总结了主要测量方法的关键特性：

二、主要测量设备概览

1.触针式设备

Mitutoyo Extreme SV-M3000 CNC：支持大型工件（如发动机缸体），X/Y轴行程200/800 mm，驱动速度200 mm/s，承重300 kg。

Mitutoyo CS-H5000 CNC：集成轮廓与粗糙度测量，X轴分辨率5 nm，适用于非球面透镜等高精度工件。

2.光学非接触设备

白光干涉仪：如普密斯3D干涉仪，支持300+参数分析（Sa、Sq等）。

Trimos TR-Scan：数字全息显微技术，抗振动干扰，可切换共焦/触针模块。

3.显微成像设备

原子力显微镜（AFM）：纳米级分辨率，适合材料科学研究。

干涉显微镜：传统干涉法设备，调整复杂。

三、白光干涉仪的核心优势与应用领域

白光干涉仪因独特的光学设计和技术整合，成为高精度表面测量的首选工具。

核心优势

超高精度与重复性：垂直分辨率达0.1 nm，重复性误差<1%，优于触针法（受测力影响）和传统干涉法（需人工调条纹）。

非接触无损测量：无机械接触，避免划伤超光滑表面（如晶圆、光学镜片）。

高效3D全景成像：单次扫描生成3D形貌，支持ISO 25178的300+参数（如Sa、Sq、Smr），而触针法仅能获取2D轮廓。

抗环境干扰：光学隔振台（如TMC）与快速扫描技术（毫秒级单帧）抑制震动影响。

广泛适用性：

兼容超光滑（Ra<0.1 nm）至粗糙表面（Ra>1 μm），及高/低反射率材料。

重点应用行业

半导体制造：

晶圆粗糙度检测（影响薄膜沉积质量）、薄膜厚度测量（精度±1 nm）、缺陷识别（裂纹/气泡）。

光学元件加工：

透镜/棱镜表面轮廓与镀膜质量分析，确保光路精度。

精密机械与汽车：

刀具磨损监测、曲轴/缸体表面粗糙度批量检测。

材料科学研究：纳米材料表面形貌、涂层均匀性、微结构体积计算。

生物医学：细胞形态、生物分子相互作用的三维形貌分析。

典型设备参数示例

光学配置：Nikon干涉物镜、PI纳米移动平台。

软件系统：NanoWare（符合ISO/ASME等标准），支持自动报告生成。

测量速度：单点测量≤1秒，全视野3D扫描<5分钟。

总结

白光干涉仪因纳米级精度、非接触安全测量和全面的3D分析能力，在高端制造业（尤其是半导体与光学领域）不可替代。对于常规工业场景（如车间质检），触针式轮廓仪（如Mitutoyo系列）仍是高效之选；而对深孔/软质材料，印模法更实用。技术选择需结合精度需求、样品特性及成本综合考量。