Scaling laws of mean and uncertainty in 3D surface texture measurements

振幅 数学 缩放比例 分形 稳健性(进化) 曲面(拓扑) 表面计量学 各向异性 色散(光学) 计量学 干涉测量 统计物理学 表面光洁度 标度律 统计 标准差 空间频率 估计理论 测量不确定度 数学分析 分形维数 差异(会计) 表面粗糙度 白光干涉法 法学 蒙特卡罗方法 算法 质量(理念) 圆度(物体) 方向(向量空间) 统计参数 几何学 不确定度量化 统计假设检验 高斯分布
作者
Maxence Bigerelle,Julie Lemesle,Clément Moreau,Thomas Carlier,François Blateyron
出处
期刊:Surface topography [IOP Publishing]
卷期号:14 (1): 015023-015023
标识
DOI:10.1088/2051-672x/ae43db
摘要

Abstract Taylor’s law, originally formulated in ecology, describes a universal scaling relationship between variance σ p and mean μ p with σ p = e α μ p β . This study investigates the validity of this law in surface metrology as a new method of uncertainty estimation by analyzing areal surface parameters from ISO 25178-2. The amplitude, spatial, slope, curvature, fractal and directional families of parameters are especially analyzed. These parameters are calculated on 3600 topographies measured by interferometry at the same location of a #120 ground TA6V surface for 6 days. By using a two-level bootstrap combined with multi-scale filtering (band-pass, high-pass, and low-pass), we systematically tested the robustness of the law. Results show that intercepts α evolve consistently with filtering strategies, slopes β remain statistically indistinguishable from unity at the 95% confidence level, and goodness-of-fit coefficients (R 2 ) confirm the validity of the power-law across scales. Among parameter families, spatial descriptors exhibit the highest statistical stability, while amplitude and directional parameters provide complementary information: amplitude parameters exhibit moderate dispersion while directional parameters reflect anisotropic surface complexity. These findings demonstrate that Taylor’s law reliably governs surface texture parameter variability and can be used to establish predictive uncertainty laws from a single measurement. This opens perspectives for both industrial applications (process monitoring, quality control, surface engineering, etc) and academic one (non-invasive diagnostics, metrology, historical materials, etc).
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