白光共聚焦传感器系统原理

1.1   白光共聚焦传感器原理
白光共聚焦传感器是在共焦显微镜的基础上发展来的，原理类似于共焦显微镜，但是又有所不同，其测量原理如图1所示。由光源射出一束宽光谱的复色光，通过色散镜头发生光谱色散，形成不同波长的单色光，每一个波长的焦点都应对应一个距离值。测量光射到物体表面被反射回来，只有满足共聚焦条件的单色光，可以通过小孔被光谱仪感测到。通过计算被感测到的光的波长，换算获得距离值。
便携式白光共聚焦轮轴曲面划痕检测装置采用的白光共聚焦传感器量程为1 mm，光斑直径12 μm，测量精度可达±1 μm。其具有测量精度高、光斑直径小和测量频率快的多项突出优点，可深入曲轴划痕内部对其形貌进行测量[4-5]。

1.2   白光共聚焦传感器特性研究
虽然白光共聚焦传感器的绝对精度很高，但要将其应用到曲轴划痕测量领域，还需对其光学特性进行研究。

1.2.1   轮轴金属表面动态曝光补偿方法研究
采用固定强度的光源进行测试，并实时监控光源饱和状态变化。经实验分析，饱和状态变化会直接影响最终测量结果，其产生的误差可达0.03 mm以上。为克服轮轴金属表面反光对测量结果的影响，针对轮轴加工方法的特殊性及表面反射特性，提出在测量轮轴表面时，采用可变光强和可变采样频率的方式，避免光强饱和带来的误差，克服物体表面反射和不均性带来的影响，提升轮轴划痕的测量精度。

1.2.2   曲轴表面划痕区域补偿算法研究
被测轮轴直径为Ф130 mm，由于传感器在测量时处于直线位移状态，需将轮轴曲率半径消除，否则其在10 mm位移内将产生0.192 mm的测量误差。

由于轮轴划痕连续宽度一般不会超过5 mm，因此将设备的移动位移设定为10 mm。在该范围内，将对应圆弧细分为100个区域，那么每段近似为一条直线[5]。此时，将白光共聚焦传感器沿垂直方向测量的位移细分为100个区域，每个区域内对应一个补偿值，共计100个补偿值。经不确定度分析，每个区域带来的误差为0.003 mm，对轮轴划痕深度带来的影响可忽略不计[6-8]。