计量人员培训教材
粗 糙 度 测 量 讲 义
主讲：谷卫华
中航一集团第三○四所
第一节 测量方法
一、粗糙度测量方法与测量仪器结构与原理粗糙度测量方法与测量仪器结构与原理：
二、粗糙度参数的评定粗糙度参数的评定：评定方法及评定原则
三、粗糙度参数
四、规程
第一节测量方法
一、比较测量
表面粗糙度比较样块(以下简称样块)是用来检查制件表面粗糙
度的一种工作量具。其使用方法是以样块工作面的表面粗糙度为标
准，凭触觉(如指甲)、视觉(可借助于放大镜、比较显微镜)与被检
制件表面进行比较，从而判断制件表面粗糙度是否合乎要求。
在进行比较时，所用的样块和被检制件的加工方法应该相同，
同时样块的材料、形状、表面色泽等也应尽可能与被检制件一致。
判断的准则是根据制件加工痕迹的深浅来决定表面粗糙度是否符合
图纸(或工艺)要求。当被检制件的加工痕迹深浅不超过样块工作面
加工痕迹深度时，则被检制件的表面粗糙度一般不超过样块的标称
值。
第一节测量方法
一、比较测量
表面粗糙度比较样板、比较的注意事项
第一节测量方法
一、比较测量
表面粗糙度比较样板、比较的注意事项
比较样板的加工方法与被测的加工方法相同
比较样板的参数值与被测的参数值接近
校准表面粗糙度比较样块时，需要计算出。
1、Ra的平均值
2、平均值对标称值的偏移量
3、平均值的标准偏差
第一节测量方法
二、光切法测量
第一节测量方法
第一节测量方法
图 6-12 水平线对准方法 图6-13 光切显微镜外观结构
第一节测量方法
三、干涉法测量
图6-17光干涉法测量原理
L—光源：T—被测表面：R—参考镜：BS—分光镜
O—物镜：V—观测方向
a图单目镜双光束干涉显
微镜，中分光镜在目镜和
被测表面之间，目镜与被
测表面之间的距离大，所
以其数值孔径和放大倍数
都不能大，分辨率较低，
难于测量粗糙度值小的表
面。
第一节测量方法
三、干涉法测量
图6-17光干涉法测量原理
L—光源：T—被测表面：R—参考镜：BS—分光镜
O—物镜：V—观测方向
图b为双物镜双光束干涉显
微镜，由于分光镜放在物
镜和目镜之间，物镜与被
测表面之间的距离可以很
小，从而物镜的数值孔径
大、倍率高，分辨率高，
适于测量粗糙度值小的表
面。
第一节测量方法
三、干涉法测量
使用干涉显微镜测量表面粗糙度，调整干涉条纹
及在高精度测量时，干涉光的颜色有白光、红色光、
橙色光、绿色光，应尽量选用绿色光
第一节测量方法
由光波干涉原理可知：在等厚干涉的
条件下用一平晶与被测工件表面成一定的楔角，
那么就可以得到明暗相间的干涉条纹，而相邻
暗条纹对应的空气层的厚度变化h为：
式中：为光波波长。
当楔角变小时，条纹变宽、变疏，反之
变窄、变密。但不论条纹变宽变窄，相邻两暗
条纹对应的厚度变化不变，
第一节测量方法
显然当被测表面是理想的平面时，任
一干涉条纹都呈一条直线，而且相互平行。如
果表面有凹凸不平，如图所示的被测表面有一
凹槽，那么干涉条纹也呈现相应的弯曲。此时
凹槽深度可由干涉条纹凹入深度a和相邻二暗
条纹的间距b的比值来确定，即
第一节测量方法
在干涉显微镜中所得到
的干涉条纹图像，其垂直放
大倍率是可随意调整改变。
这个放大被率不是仪器
物镜的倍率、改变不了仪器
的分辨率。
用干涉显微镜测量球形
表面粗糙度时，干涉图像中
的条纹间距不相等，这是由
于光程差造成
第一节测量方法
使用干涉显微镜测量
表面粗糙度，调整
干涉条纹及在高精
度测量时，干涉光
的颜色有白光、红
色光、橙色光、绿
色光，应尽量选用
绿色光
第一节测量方法
四、触针扫描测量
第一节测量方法
接触式测量
测量方向 (X)
测头摆动 (Z)
数据间隔 (X)
粗糙度仪传感器触针的针尖圆锥角有60 ° 、90 °
第一节测量方法
传感器的工作原理
电感式传感器
测头
测杆
刀口支点
铁芯
线圈
线圈
第一节测量方法
传感器的工作原理
测头
测杆 压电晶体
压电式传感器
第一节测量方法
传感器的工作原理
激光器
光电二极
管
测头
测杆
激光式传感器
第一节测量方法
传感器的工作原理
残余轮廓：通过测量一个理想的光滑表面平晶而获
得的原始轮廓
虚假轮廓是由导向基准的偏差，外部和内部的干扰
以及轮廓传输中的偏差组成的，没有专用设备和适合的
环境一般不能确定这些偏差的原因
静测力的变化: 针尖上下垂直移动时,测量力的变化.
静测力的变化率
触针针尖半径为2m传感器触针静态测量力
第二节、粗糙度参数的评定
某一零件的某一表面图纸上规定的是
某种形状（如平面、球面、柱面等）的几
何表面，但加工后的实际表面与几何表面
相比存在着几何形状误差，如图a所示。可
以把实际表面相对理想几何表面的几何形
状误差按峰谷起伏大小和节距大小分为表
面粗糙度、波度和宏观形状误差。表面粗
糙度是指由加工方法在加工表面所产生的
微观形状误差，也称微观不平度，如图b所
示。波度是指表面峰谷起伏中间距较宽并呈现出周期性的成分。
如图c所示。波度是由机床或工件的偏摆，振动等造成的。宏观形
状误差是指除粗糙度和波度之外的与理想几何表面的偏差，如图d
所示。零件上的不平度，不直度，不圆度等就是此类误差。
第二节、粗糙度参数的评定
1、中线
粗糙度的基准：中线，具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线
最小二乘中线是具有几何
轮廓形状并划分轮廓的基准线，
是指在取样长度内使轮廓线上
各点到该中线的距离Yi（称为
轮廓偏距）的平方和为最小。
第二节、粗糙度参数的评定
1、中线
算数平均中线：算术平均中
线是具有几何轮廓形状在取样长
度内与轮廓走向一致的基准线。
在取样长度内由该线划分轮廓使
上、下两边的面积相等。
第二节、粗糙度参数的评定
2、取样长度
取样长度：取样长度是用于判别具有表面粗糙度特征的一段
基准线长度。规定和选择这段长是为了限制和减弱表面波度对表面
粗糙度测量结果的影响。
、、、 、8mm、25mm
在测量时不予考虑。由于表面的粗糙度不同，表面的微观轮廓
峰谷起伏高度和节距不同，表面越粗糙，节距就越大。为了正确评
定表面粗糙度，取样长度的选取应保证包括5个以上的表面微观起
伏的峰谷。另外取样长度的选取要和被测表面的轮廓走向一致
第二节、粗糙度参数的评定
非周期性粗糙度轮廓的测量程序
对于具有非周期粗糙度轮廓的表面应遵循下列步骤进行测量
1）待求的粗糙度轮廓参数Ra、Rz、Rz1 max或Rsm的数值，择优选用
以下手段，例如：目测，用粗糙度比较样块、全轮廓轨迹的图解分析等方
法来估计。
2）利用1）中估计的Ra、Rz、Rz1 max或Rsm的数值，按表1、表2或
表3预选取样长度
3）利用测量仪器按中2）预选的取样长度，完成Ra、Rz、Rz1或Rsm的
一次典型的测量。
4）将测得的Ra、Rz、Rz1 max或Rsm的数值和表1、表2或表3中预先取
样长度所对应的Ra、Rz、Rz1或Rsm的数值范围相比较。
如果测得值超出了预选取样长度对应的数值范围，则应按测得值指示
的取样长度来设定，即把仪器调整至相应的较高或较低的取样长度。然后
应用这一调定的取样长度测得一组典型数值，并再次与表1、表2或表3中
数值相比.此时测得值应达到由表1、表2或表3建议的测得值和取样长度的
组合。
第二节、粗糙度参数的评定
5）如果以前在4）步骤评定时没有采用过更短的取样长度，
则把取样长度调至更短些获得一组Ra、Rz、Rz1 max或Rsm的数值，
检查所得到的Ra、Rz、Rz1或Rsm的数值和取样长度的组合是否亦
满足表1、表2或表3的规定.
6）只要4）步骤中最后的设定与表1、表2或表3相符合，则设
定的取样长度和Ra、Rz、Rz1或Rsm的数值二者是正确的。如果5）
步骤也产生一个满足表1、表2或表3规定的组合，则这个较短的取
样长度设定值和相对应的Ra、Rz、Rz1或Rsm的数值是正确的。
7）运用上述步骤中预选出的截止波长取样长度完成一次典型的
要求的参数的测量。
第二节、粗糙度参数的评定
周期性粗糙度轮廓的测量程序
对于具有周期性粗糙度轮廓的表面应采用下述步骤进行测量
1）用图解法估计待求粗糙度的表面参数Rsm的数。
2）按估计Rsm的数值由表3确定推荐的取样长度作为截止波长值。
3）必要时，如在有争议的情况下，利用由2）选定的截止波长值测量Rsm
值。
4）如果按照3）步骤相应的Rsm值由表3查出的取样长度比2）步骤的较小
或较大则应采用这较小或较大的取样长度值作为截止波长值。
5）用上述步骤中预选的截止波长（取样长度）完成一次典型的要求的参
数的测量
第二节、粗糙度参数的评定
表1 测量Ra值的取样长度
第二节、粗糙度参数的评定
第二节、粗糙度参数的评定
第二节、粗糙度参数的评定
2、评定长度：
由于被测表面微观峰谷起伏的不均匀性，只在一个取样长度
内测量和评定表面粗糙度往往不能充分反映被测表面的实际粗
糙程度，因此规定在测量时，要连续取若干个取样长度，在每
个取样长度上分别测量和评定粗糙度数值，然后取平均值作为
结果。这若干个连续取样长度之和即为评定长度ln。国标中规定
一个评定长度一般包含5个取样长度，即ln=5l。评定长度是5倍
的取样长度
均匀性好，小于5。均匀性不好，大于5。
第二节、粗糙度参数的评定
3、测量长度：
测量长度是7倍的取样长度
去除测量速度变化对粗糙度测量的影响
第二节、粗糙度参数的评定
2、滤波
ISO 2CR- 第1、2个取样长度舍弃
2CR PC- 第1个和最后一个取样长度舍弃
Gaussian- 第1个半个和最后一个半个取样长度
舍弃
第二节、粗糙度参数的评定
2、参数的分类：
原始轮廓参数 P参数
粗糙度参数 R参数
波度参数 W参数
λs、λc、λf
波纹度轮廓是对原始轮廓连续应用f和c两个滤波
器以后形成的轮廓
第二节、粗糙度参数的评定
3、评定基准
、算数平均中线： 具有几何轮廓形状在取样长度内与轮廓
走向一致的基准线。在取样长度内由该线划分轮廓，使上下两边的
面积等。”以上所表述的基准线称为轮廓的算数平均中线。
、最小二乘中线：具有几何轮廓形状在取样长度内与轮廓
走向一致的基准线。在取样长度内由该线划分轮廓，使曲线上各点
到该线距离的平方和最小。”以上所表述的基准线称为轮廓的最小
二乘中线。
用以评定表面粗糙度参数值的基准线轮廓中线，对于所有粗糙度参
数（包括间距参数等）的评定都有作用。
第二节、粗糙度参数的评定
、算数平均值Ra：Ra是普遍公认的，最常用的粗糙度的国际参
数。它是轮廓偏离平均线的算术平均。
第三节、粗糙度参数
、Rz 粗糙度最大峰－谷高度：Rz定义了在轮廓取样长度内的最
大峰－谷高度。(例如，在取样长度内最高的峰和最深的谷间的距
离。)
第三节、粗糙度参数
、Rt 粗糙度最大高度 ：Rt定义了在轮廓评价长度内的最大峰－
谷高度。(例如，在评定长度内最高的峰和最深的谷间的距离。)。
第三节、粗糙度参数
、Rsm 粗糙度轮廓微观不平度的平均宽度：
轮廓微观不平度的平均间距Sm
该参数是在取样长度内，轮廓微观不平度的间距的平均值之间距。
轮廓微观不平度指相邻的一个峰和一个谷的一段中线长度。
定义该参数的一般形式是:Rsm是在取样长度内轮廓轮廓微观不平度
之间的间距的平均值。
注：对参数PSm、RSm、WSm需要
辨别高度和间距，若未另外规定，省
略标注的高度分辨力分别为Pz、Rz、
Wz的10%，省略标注的间距分辨力为
取样长度的1%，上述两个条件都应
满足.
第三节、粗糙度参数
、Rs 粗糙度单峰的平均间距：
轮廓单峰平均间距S
Rs是在测量的取样长度内，轮廓单峰间距的平均值。
一个局部峰是在两个相邻最
小间的测量轮廓的最高部分，如
果在峰和前面最小值间的高度至
少是轮廓所有的峰谷距的1%，则
包括该局部峰。
第三节、粗糙度参数
、Rmr 粗糙度材料比曲线（轮廓支撑曲线）：
Rmr是材料比（也称作承受比）参数，它是承受表面（表示为评定
长度的百分比）长度的测量，在此，轮廓的峰被一条平行于轮廓平
均线的直线所切割。
定义承受表面的直线可以被设置在最高峰以下的深度或在轮廓平均
线之上或之下的距离。当这条直线设置在轮廓最深的谷时，则Rmr
是100%，因为这时所有的轮廓在该承受线之上。
作为选择，如果一些应用需要一个特殊的承受比，那么它可决定峰
顶被削掉得到的深度值
第三节、粗糙度参数
轮廓材料比曲线的解释
通过绘出材料比值(mr)相对在0%和100%之间限制的最高轮廓峰
（或从平均线的距离）以下深度的图形，然后就可得到材料比曲线。
该曲线表示了轮廓表面的材料比与深度的函数关系。
在所选深度下，画出与中心线平行的承受线的曲线图，就可决定材
料比，然后测量截取轮廓的长度。
通过绘出轮廓深度范围的材料比曲线，就可看出材料比值随深度变
化的情形，并提供一个区别轮廓不同形状的方法。
第三节、粗糙度参数
第三节、粗糙度参数
、Rp 粗糙度最大轮廓峰高 ：
Rp是在取样长度内，在平均线以上的轮廓的最大高度。
第三节、粗糙度参数
、Rv 粗糙度最大轮廓深度
Rv是在取样长度内，平均线以下的轮廓的最大深度。
第三节、粗糙度参数
、Rq 均方根粗糙度：
Rq是在取样长度内，轮廓偏离平均线的均方根值，它是对应于Ra
的均方根(rms)参数。
第三节、粗糙度参数
、Rz (JIS) 十点高度参数：
该参数也称为ISO十点高度参数。它是在取样长度内，五个最高的
峰和五个最深的谷之间的平均高度差。
第三节、粗糙度参数
Rz(JIS)仅在粗糙度轮廓中被计量。
第四节、规程、校准规范
一、表面粗糙度比较样块技术要求
1、表面粗糙度参数Ra值
样块工作面的表面粗糙度用轮廓算术平均偏差Ra参数
来评定。样块Ra的系列标称值列于附录A。样块校准所得的Ra值
对其标称值的偏差不应超过+12%～ 17%的范围(具体数值范围参见
附录B)。
2 、Ra值的标准偏差
样块工作面校准所得Ra值的分散性(样块加工的均匀性)
用标准偏差来评定。对各类加工方法的标准偏差的最大允许值参
见表1
校准粗糙度比较样块示值时对仪器的要求：
相对示值误差不超过士5%的触针式表面粗糙度测量仪。
第四节、规程、校准规范
第四节、规程、校准规范
二、表面粗糙度比较样块测量方法
校准粗糙度比较样块示值时对仪器的要求：
相对示值误差不超过士5%的触针式表面粗糙度测量仪。
1、样块工作面的表面粗糙度
校准方法:用触针式仪器进行测量。程序如下:
1）、 根据样块标记的加工方法和Ra标称值，按表1中的规定
选取取样长度(即仪器的截止波长c)。
2）、根据所选的取样长度（l）选定评定长度（ln），除取样
长度与评定长度相匹配的仪器以外，一般取ln. =5l 。
3）、依次在样块均匀分布10个位置上进行测量，将测得的Ra
值取平均值，作为校准结果。
第四节、规程、校准规范
第四节、规程、校准规范
2、Ra值的标准偏差
标准偏差的计算公式如下:
第四节、规程、校准规范
第四节、规程、校准规范
第四节、规程、校准规范
二、触针式表面粗糙度测量仪校准规范
触针式表面粗糙度测量仪(以下简称触针式仪器)一般由传感
器、驱动器、电子信号处理装置、计算机、打印机等组成。其工作
原理是:仪器的驱动器带动传感器沿被测表面作匀速滑行，传感器
通过锐利触针感受被测表面的几何形状变化，并转换成电信号。该
信号经放大和处理，再转换成数字信号贮存在计算机系统的存贮器
中。计算机对此原始轮廓进行数字滤波，分离出表面粗糙度并计算
其参数。测量结果可由显示器输出，也可由打印机输出。
20世纪 50年代至80年代初生产的触针式仪器带有指示表和
记录器，这种模拟式仪器可由指示表读出测量结果，记录仪输出表
面轮廓。
第四节、规程、校准规范
感器的不同原理，触针式仪器可分为电感式、压电式、光电式、
激光式和光栅式等，还可分为有导头式和无导头式。导头式仪器仅限用
于测量表面粗糙度，而无导头式仪器除可用于测量表面粗糙度外，还可
用于测量表面波纹度和表面几何形状。根据仪器的结构、外形、重量和
使用方法，触针式仪器分台式和便携式两种。
第四节、规程、校准规范
一、技术要求
1、传感器触针
1 ）针尖圆弧半径及角度
针尖半径:(2士)m, (5士1) m、(10土) m
圆锥角度: 或
注:棱锥形针尖半径与角度要求同上。
2） 静态测量力及其变化率
传感器触针静态测量力及其变化率不超过表的规定。
第四节、规程、校准规范
2 传感器导头
1 ）导头压力
导头压力范围:～
2） 导头工作面粗糙度
导头的工作表面不应有波纹、划痕、毛刺等疵病，其粗糙度Rz:
不超过m 。
3 ）导头端部半径
传感器导头端部半径不小于40mm。如果使用两个同时工作的导
头，其半径应该不小于标称截止波长的8倍。
注 : 对于特种曲面传感器，其导头端部半径，应参照仪器的技术
指标。
第四节、规程、校准规范
3、驱动传感器滑行运动的直线度
对于使用导头的仪器，任意20mm行程，不超过m
对于不使用导头的仪器或无导头式仪器，不超过(十L/500) m。
其中L (mm)为驱动器最大行程。
4 、残余轮廓
残余轮廓(虚假轮廓)是由导向基准的偏差、外部与内部的干扰、
以及轮廓传输中的偏差组成的，又称虚假信号。残余轮廓Ra的允许
误差限见表2
5、示值误差
6、示值重复性
7、示值稳定性
第四节、规程、校准规范
二、校准方法
1 传感器触针针尖圆弧半径及角度
首次校准的用扫描电镜或400倍以上显微镜测量。后续
校准的用200倍以上显微镜检查针尖有无损坏，必要时
可用400倍以上显微镜或刀刃法测量。
2 传感器触针静态测量力及其变化率
静态测量力
将触针针尖轻轻地压在电子天平上(对于导头式仪器，
导头应悬空)，调整传感器的高低位置，使传感器触针位
移显示指向零位。读出电子天平的示值，再乘以重力加
速度g，即为触针静态测量力。
第四节、规程、校准规范
第四节、规程、校准规范
静态测量力变化率
选用仪器最大量程，调整传感器的高低位置，当针
尖在上下两个极限位置时，分别读出电子天平的示值。计算两示值
与重力加速度乘积，即得上下两极限位置静态测量力。用下式计算
静态测量力的变化率:
式中: F1、F2 — 上下两极限位置静态测量力，N；
F0 — 工作点的静态测量力，N；
h1、h2 — 上下两极限位置偏离工作点的距离，m
1、2 — 静态测量力的变化率，N/m
第四节、规程、校准规范
3、传感器导头压力
将传感器导头压在测力装置上，并使传感器处于水平位
置。读出电子天平的示值，再乘以重力加速度g，即为导头压力。
4 传感器导头工作面粗糙度
传感器导头工作面粗糙度用干涉显微镜测量，外观用20
倍放大镜观察。
5 传感器导头端部半径
传感器导头端部半径用半径样板或投影仪比较测定。
6 驱动传感器滑行运动的直线度
在一级平晶工作表面上扫描滑行，从轮廓曲线图上确定
滑行运动的直线度。
第四节、规程、校准规范
7 残余轮廓
选用仪器最小量程和最大放大倍数，对一级平晶进行测量，
读取Ra值。
8 示值误差
用一组多刻线粗糙度标准样板，在相应量程和取样长度分别
对其进行测量。在样板工作区域内的三个不同位置上各测量3
次，取其平均值按下式计算仪器的相对示值误差:
第四节、规程、校准规范
9 示值重复性
在小量程高放大倍数条件下，选用一块相应的多刻线标
准样板，在样板某一固定位置测量10次，其最大值与最小值之差对测
量平均值的百分比为示值重复性。
10 示值稳定性
在小量程高放大倍数条件下，选用一块相应的多刻线标
准样板，在一固定位置上每小时按9要求测量一次，共测4次。4h后，
再按8要求测量一次。
第四节、规程、校准规范
第四节、规程、校准规范
第四节、规程、校准规范
2．5. 触针式表面粗糙度仪，探针测量表面时，探针提取的表面信
号有：
波度信号
粗糙度信号
干涉显微镜测微目镜在任意一周内的示值误差不超过。
校准表面粗糙度比较样块时，对表面粗糙度仪的要求是相对示值误
差不超过±5%。
校准表面粗糙度比较样块时，计算Ra值的标准偏差不应超过其要求，
如果略有超差，重新选择测量位置，重新进行计算。
光切显微镜测微目镜在全程内的示值误差不超过。
四、粗糙度参数
在干涉显微镜中所得到的干涉条纹图像，其垂直放大倍率是（ ）。
可随意调整改变
用干涉显微镜测量球形表面粗糙度时，干涉图像中的条纹间距不相
等，这是由于（ ）。
光程差造成
四、粗糙度参数
检定光切显微镜示值误差时，若被检仪器
有四组物镜，应该对（四组）物镜进行检
定。
触针式仪器示值变动性的检定，应对某一
多刻线样板在（均匀分布的三个位置上
）测量10次，取其最大于最小值之差对测
量平均值的百分比来计算。
四、粗糙度参数
在粗糙度测量仪器中，改变放大倍数，
（不改变轮廓的形状，但对测量结果有影
响）。
在触针式粗糙度测量仪器中，静态测量力
是针尖（在零位电子天平的读数）乘以重
力加速度。
四、粗糙度参数
触针式仪器示值变动性的检定，应对某一多刻线样板在（ ）测量
10次，取其最大于最小值之差对测量平均值的百分比来计算。
四、粗糙度参数
