白光共聚焦传感器实验部分

为验证便携式白光共聚焦轮轴曲面划痕检测装置的精度，首先在不同采样频率及光强下，对白光共聚焦传感器精度进行验证。然后，使用标准单刻线样板验证装置的检测精度，并对轮轴划痕进行了实验检测[11-12]。

3.1   金属表面动态曝光补偿方法实验
实验条件需模拟金属表面反射情况下，白光共聚焦传感器的精度指标，采用马尔测长机作为标准器，使用其高亮金属反射端面模拟被测轮轴表面特性，对其精度进行分析。图3至图6列举了白光共聚焦传感器在不同测量位置下的光强状态。
图3和图4光强正常状态下，白光共聚焦传感器精度满足其技术指标要求。图5和图6的状态下，白光共聚焦传感器无法提供精准测量，这是由于轮轴表面属于高反射的金属表面，极容易产生光强过饱和现象，如图5所示。图6产生的光强较弱的现象，主要是由于采集频率过高所致，因此在对轮轴表面测量时，尽量降低采样频率，这样会得到较高的检测精度。
测量结果如表1所示，在测量轮轴金属表面时，0.5 kHz采样频率在400～800 μm范围出现误差超精度指标现象，最大值为3.4 μm （700 μm处）；1 kHz采样频率在0～200 μm和800～1000 μm范围出现误差超精度指标现象，最大值为?5.1 μm （300 μm处）；2 kHz采样频率在大多数测量范围出现误差超精度指标现象，最大值为?17.4 μm （700 μm处）。这是由于0.5 kHz、1 kHz和2 kHz在测量金属表面时，在不同区段内出现了光强过饱和现象，从而影响了整体的测量精度，而且采样频率在不同位移范围的匹配程度，也直接决定了最终的测量精度。由此可见，由于光强过饱和现象的存在，使得白光共聚焦传感器无法直接应用到大尺寸、高反射的金属表面，必须要经过光强和频率调制才可解决上述问题。
为了解决上述问题，在软件中采用动态调光和频率的算法，针对轮轴加工表面具有高反射和多沟槽反射不均匀性的特点，通过控制白光共聚焦传感器在测量大尺寸金属表面时的光强和采样频率，避免光强饱和及金属表面带来的测量误差，提高装置的测量准确性。

为此，进行动态调光实验，在0～600 μm采用1 kHz采样频率，在600～1200 μm采用0.5 kHz采样频率，并在整个过程中，实时监测白光共聚焦传感器的光强变化，一旦光强达到规定限的90%，立即采用动态曝光补偿算法，从而在整个测量范围内达到较为理想的测量状态，结果如表2所示，其最大误差为?1.8 μm。
3.2   单刻线样板及轮轴精度验证实验
为了验证该装置的数值准确性，采用五组金属反射面单刻线样板作为标准器，验证整个装置在测量划痕的准确性[13-14]。

在测量时，使用该装置位移滑台带动白光共聚焦位移传感器水平方向移动5 mm，测量500个位移点，选取测量数组中最大值和最小值之差作为测量结果。由图7可知，示值误差最大点为182 μm处，为?2.3 μm，其它各点示值误差均小于该点。证明该装置对于划痕类沟槽有较好的测量效果，可以满足划痕深度检测的要求。
图8为该装置实测轮轴划痕的检测现场图，由图中显示的图形状态可知，白光共聚焦传感器的动态曝光补偿及划痕算法，该装置有效的识别出划痕轮廓，并可实现划痕深度的准确测量[15]。

结论
本文设计了一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测装置，将白光共聚焦传感器、便携式位移滑台和控制系统进行系统化和集约化设计，大幅减小设备的体积和重量；通过对白光共聚焦传感器的光学特性进行了分析，提出了一种动态曝光补偿调控算法，使其曝光饱和度在特定测量范围内达到满足划痕检测的要求，通过曲轴表面划痕区域补偿算法，实现了对划痕深度曲率的有效补偿。实验结果表明，在不同测量范围内，使用不同的曝光参数可将白光共聚焦传感器测量金属反射面的精度提高至?1.8 μm；采用标准单刻线样板的精度校准实验结果表明，示值误差最大值为?2.3 μm，可满足在工作现场对轮轴划痕的检测需求。