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現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù)對(duì)一個(gè)國(guó)家的發(fā)展起著十分重要的作用

傳感器技術(shù) ? 來(lái)源:傳感器技術(shù) ? 作者:傳感器技術(shù) ? 2021-02-23 14:42 ? 次閱讀
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在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天,現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù)對(duì)一個(gè)國(guó)家的發(fā)展起著十分重要的作用。如果沒有先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)與測(cè)量手段,就很難設(shè)計(jì)和制造出綜合性能和單相性能均優(yōu)良的產(chǎn)品,更談不發(fā)展現(xiàn)代高新尖端技術(shù),因此世界各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都很重視和發(fā)展現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù)。

精密坐標(biāo)測(cè)量

精密測(cè)量技術(shù)

現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù)是一門集光學(xué)、電子、傳感器、圖像、制造及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合性交叉學(xué)科,涉及廣泛的學(xué)科領(lǐng)域,它的發(fā)展需要眾多相關(guān)學(xué)科的支持。

在現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)和科學(xué)研究中,測(cè)量?jī)x器具有精密化、集成化、智慧化的發(fā)展趨勢(shì)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)是適應(yīng)上述發(fā)展趨勢(shì)的典型代表,它幾乎可以對(duì)生產(chǎn)中的所有三維復(fù)雜零件尺寸、形狀和相互位置進(jìn)行高準(zhǔn)確度測(cè)量。發(fā)展高速坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。同時(shí),作為下世紀(jì)的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo),各國(guó)在微/納米測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域開展了廣泛的應(yīng)用研究。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為幾何尺寸數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備在機(jī)械制造領(lǐng)域得到推廣使用。

1、誤差自補(bǔ)償技術(shù)

德國(guó)CarlZeiss公司最近開發(fā)的CNC小型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用熱不靈敏陶瓷技術(shù),使坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度在17.8~25.6℃范圍不受溫度變化的影響。國(guó)內(nèi)自行開發(fā)的數(shù)控測(cè)量機(jī)軟件系統(tǒng)PMIS包括多項(xiàng)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別和優(yōu)化技。

CNC小型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

2、豐富的軟件技術(shù)

CarlZeiss公司開發(fā)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)軟件STRATA-UX,其測(cè)量數(shù)據(jù)可以從CMM直接傳送到隨機(jī)配備的統(tǒng)計(jì)軟件中去,對(duì)測(cè)量系統(tǒng)給出的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與管理,根據(jù)要求對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。依據(jù)此數(shù)據(jù)庫(kù),可自動(dòng)生成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表,包括X-BAR&R及X_BAR&S圖表、頻率直方圖、運(yùn)行圖、目標(biāo)圖等。

美國(guó)公司的Cameleon測(cè)量系統(tǒng)所配支持軟件可提供包括齒輪、板材、凸輪及凸輪軸共計(jì)50多個(gè)測(cè)量模塊。

日本Mistutor公司研制開發(fā)了一種圖形顯示及繪圖程序,用于輔助操作者進(jìn)行實(shí)際值與要求測(cè)量值之間的比較,具有多種輸出方式。

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STRATA-UX系統(tǒng)處理簡(jiǎn)圖

3、非接觸測(cè)量

基于三角測(cè)量原理的非接觸激光光學(xué)探頭應(yīng)用于CMM上代替接觸式探頭。通過探頭的掃描可以準(zhǔn)確獲得表面粗糙度信息,進(jìn)行表面輪廓的三維立體測(cè)量及用于模具特征線的識(shí)別。

該方法克服了接觸測(cè)量的局限性。將激光雙三角測(cè)量法應(yīng)用于大范圍內(nèi)測(cè)量,對(duì)復(fù)雜曲面輪廓進(jìn)行測(cè)量,其精度可高于1μm。英國(guó)IMS公司生產(chǎn)的IMP型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以配用其它廠商提供的接觸式或非接觸式探頭。

IMP型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

微/納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)

科學(xué)技術(shù)向微小領(lǐng)域發(fā)展,由毫米級(jí)、微米級(jí)繼而涉足到納米級(jí),即微/納米技術(shù)。

納米級(jí)加工技術(shù)可分為加工精度和加工尺度兩方面。加工精度由本世紀(jì)初的最高精度微米級(jí)發(fā)展到現(xiàn)有的幾個(gè)納米數(shù)量級(jí)。金剛石車床加工的超精密衍射光柵精度已達(dá)1nm,已經(jīng)可以制作10nm以下的線、柱、槽。

微/納米技術(shù)的發(fā)展,離不開微米級(jí)和納米級(jí)的測(cè)量技術(shù)與設(shè)備。具有微米及亞微米測(cè)量精度的幾何量與表面形貌測(cè)量技術(shù)已經(jīng)比較成熟,如HP5528雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)(精度10nm)、具有1nm精度的光學(xué)觸針式輪廓掃描系統(tǒng)等。

因?yàn)閽呙杷淼里@微鏡、掃描探針顯微鏡和原子力顯微鏡用來(lái)直接觀測(cè)原子尺度結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn),使得進(jìn)行原子級(jí)的操作、裝配和改形等加工處理成為近幾年來(lái)的前沿技術(shù)。

1、掃描探針顯微鏡

1981年美國(guó)IBM公司研制成功的掃描隧道顯微鏡,把人們帶到了微觀世界。它具有極高的空間分辨率,廣泛應(yīng)用于表面科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)等研究領(lǐng)域,在一定程度上推動(dòng)了納米技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。與此同時(shí),基于STM相似的原理與結(jié)構(gòu),相繼產(chǎn)生了一系列利用探針與樣品的不同相互作用來(lái)探測(cè)表面或接口納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)的掃描探針顯微鏡(SPM),用來(lái)獲取通過STM無(wú)法獲取的有關(guān)表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的各種信息,成為人類認(rèn)識(shí)微觀世界的有力工具。下面為幾種具有代表性的掃描探針顯微鏡。

(1)原子力顯微鏡(AFM)

為了彌補(bǔ)STM只限于觀測(cè)導(dǎo)體和半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)的缺陷,Binning等人發(fā)明了AFM,AFM利用微探針在樣品表面劃過時(shí)帶動(dòng)高敏感性的微懸臂梁隨表面的起伏而上下運(yùn)動(dòng),通過光學(xué)方法或隧道電流檢測(cè)出微懸臂梁的位移,實(shí)現(xiàn)探針尖端原子與表面原子間排斥力檢測(cè),從而得到表面形貌信息。

就應(yīng)用而言,STM主要用于自然科學(xué)研究,而相當(dāng)數(shù)量的AFM已經(jīng)用于工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。1988年中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所研制成功國(guó)內(nèi)首臺(tái)具有原子分辨率的AFM。安裝有微型光纖傳導(dǎo)激光干涉三維測(cè)量系統(tǒng),可自校準(zhǔn)和進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的計(jì)量型原子力顯微鏡可使目前納米測(cè)量技術(shù)定量化。

利用類似AFM的工作原理,檢測(cè)被測(cè)表面特性對(duì)受迫振動(dòng)力敏組件產(chǎn)生的影響,在探針與表面10~100nm距離范圍,可以探測(cè)到樣品表面存在的靜電力、磁力、范德華力等作用力,相繼開發(fā)磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、摩擦力顯微鏡等,統(tǒng)稱為掃描力顯微鏡。

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原子力顯微鏡及工作原理

(2)光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)

PSTM的原理和工作方式與STM相似,后者利用電子隧道效應(yīng),而前者利用光子隧道效應(yīng)探測(cè)樣品表面附近被全內(nèi)反射所激起的瞬衰場(chǎng),其強(qiáng)度隨距接口的距離成函數(shù)關(guān)系,獲得表面結(jié)構(gòu)信息。

光子掃描隧道顯微鏡

(3)其它顯微鏡

如掃描隧道電位儀(STP)可用來(lái)探測(cè)納米尺度的電位變化;掃描離子電導(dǎo)顯微鏡(SICM)適用于進(jìn)行生物學(xué)和電生理學(xué)研究;掃描熱顯微鏡已經(jīng)獲得了血紅細(xì)胞的表面結(jié)構(gòu);彈道電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)則是目前唯一能夠在納米尺度上無(wú)損檢測(cè)表面和接口結(jié)構(gòu)的先進(jìn)分析儀器,國(guó)內(nèi)也已研制成功。

掃描隧道電位儀

2、納米測(cè)量的掃描X射線干涉技術(shù)

以SPM為基礎(chǔ)的觀測(cè)技術(shù)只能給出納米級(jí)分辨率,卻不能給出表面結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的納米尺寸,這是因?yàn)榈侥壳盀橹谷鄙僖环N簡(jiǎn)便的納米精度(0.10~0.01nm)尺寸測(cè)量的定標(biāo)手段。

美國(guó)NIST和德國(guó)PTB分別測(cè)得硅(220)晶體的晶面間距為192015.560±0.012fm和192015.902±0.019fm。日本NRLM在恒溫下對(duì)220晶間距進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其18天的變化不超過0.1fm。實(shí)驗(yàn)充分說明單晶硅的晶面間距具有較好的穩(wěn)定性。

掃描X射線干涉測(cè)量技術(shù)是微/納米測(cè)量中的一項(xiàng)新技術(shù),它正是利用單晶硅的晶面間距作為亞納米精度的基本測(cè)量單位,加上X射線波長(zhǎng)比可見光波波長(zhǎng)小兩個(gè)數(shù)量級(jí),有可能實(shí)現(xiàn)0.01nm的分辨率。該方法較其它方法對(duì)環(huán)境要求低,測(cè)量穩(wěn)定性好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,是一種很有潛力的方便的納米測(cè)量技術(shù)。

自從1983年D.G.Chetwynd將其應(yīng)用于微位移測(cè)量以來(lái),英、日、意大利相繼將其應(yīng)用于納米級(jí)位移傳感器的校正。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)測(cè)試技術(shù)與儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在1997年5月利用自己研制的X射線干涉器件在國(guó)內(nèi)首次清楚地觀察到X射線干涉條紋。軟X射線顯微鏡、掃描光聲顯微鏡等用以檢測(cè)微結(jié)構(gòu)表面形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微缺陷。邁克爾遜型差拍干涉儀,適于超精細(xì)加工表面輪廓的測(cè)量,如拋光表面、精研表面等,測(cè)量表面輪廓高度變化最小可達(dá)0.5nm,橫向(X,Y向)測(cè)量精度可達(dá)0.3~1.0μm。渥拉斯頓型差拍雙頻激光干涉儀在微觀表面形貌測(cè)量中,其分辨率可達(dá)0.1nm數(shù)量級(jí)。

邁克爾遜型差拍干涉儀

3、光學(xué)干涉顯微鏡測(cè)量技術(shù)

光學(xué)干涉顯微鏡測(cè)量技術(shù),包括外差干涉測(cè)量技術(shù)、超短波長(zhǎng)干涉測(cè)量技術(shù)、基于F-P(Ferry-Perot)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量技術(shù)等,隨著新技術(shù)、新方法的利用亦具有納米級(jí)測(cè)量精度。外差干涉測(cè)量技術(shù)具有高的位相分辨率和空間分辨率,如光外差干涉輪廓儀具有0.1nm的分辨率;基于頻率跟蹤的F-P標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)量技術(shù)具有極高的靈敏度和準(zhǔn)確度,其精度可達(dá)0.001nm,但其測(cè)量范圍受激光器的調(diào)頻范圍的限制,僅有0.1μm。而掃描電子顯微鏡(SEM)可使幾十個(gè)原子大小的物體成像。

美國(guó)ZYGO公司開發(fā)的位移測(cè)量干涉儀系統(tǒng),位移分辨率高于0.6nm,可在1.1m/s的高速下測(cè)量,適于納米技術(shù)在半導(dǎo)體生產(chǎn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬盤和精密機(jī)械中的應(yīng)用。

目前,在微/納米機(jī)械中,精密測(cè)量技術(shù)一個(gè)重要研究對(duì)象是微結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能與力學(xué)性能、諧振頻率、彈性模量、殘余應(yīng)力及疲勞強(qiáng)度等。微細(xì)結(jié)構(gòu)的缺陷研究,如金屬聚集物、微沉淀物、微裂紋等測(cè)試技術(shù)的納米分析技術(shù)目前尚不成熟。國(guó)外在此領(lǐng)域主要開展用于晶體缺陷的激光掃描層析技術(shù),用于研究樣品頂部幾個(gè)微米之內(nèi)缺陷情況的納米激光雷達(dá)技術(shù),其探測(cè)尺度分辨率均可達(dá)到1nm。

以激光波長(zhǎng)為已知長(zhǎng)度利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測(cè)量位移

圖像識(shí)別測(cè)量技術(shù)

隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,幾何尺寸與形位測(cè)量已從簡(jiǎn)單的一維、二維坐標(biāo)或形體發(fā)展到復(fù)雜的三維物體測(cè)量,從宏觀物體發(fā)展到微觀領(lǐng)域。正確地進(jìn)行圖像識(shí)別測(cè)量已經(jīng)成為測(cè)量技術(shù)中的重要課題。

圖像識(shí)別測(cè)量過程包括:(1)圖像信息的獲??;(2)圖像信息的加工處理,特征提取;(3)判斷分類。計(jì)算機(jī)及相關(guān)計(jì)算技術(shù)完成信息的加工處理及判斷分類,這些涉及到各種不同的識(shí)別模型及數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)。

圖像測(cè)量系統(tǒng)一般由以下結(jié)構(gòu)組成。以機(jī)械系統(tǒng)為基礎(chǔ),線陣、面陣電荷耦合器件CCD或全息照相系統(tǒng)構(gòu)成攝像系統(tǒng);信息的轉(zhuǎn)換由視頻處理器件完成電荷信號(hào)數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換;計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的處理和顯示;回饋系統(tǒng)包括溫度誤差補(bǔ)償,攝像系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦等功能;載物工作臺(tái)具有三坐標(biāo)或多坐標(biāo)自由度,可以精確控制微位移。

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圖像測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、CCD傳感器技術(shù)

物體三維輪廓測(cè)量方法中,有三坐標(biāo)法、干涉法、穆爾等高線法及相位法等。而非接觸電荷耦合器件CCD是近年來(lái)發(fā)展很快的一種圖像信息傳感器。它具有自掃描、光電靈敏度高、幾何尺寸精確及敏感單元尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。隨著集成度的不斷提高、結(jié)構(gòu)改善及材料質(zhì)量的提高,它已日益廣泛地應(yīng)用于工業(yè)非接觸圖像識(shí)別測(cè)量系統(tǒng)中。

在對(duì)物體三維輪廓尺寸進(jìn)行檢測(cè)時(shí),采用軟件或硬件的方法,如解調(diào)法、多項(xiàng)式插值函數(shù)法及概率統(tǒng)計(jì)法等,測(cè)量系統(tǒng)分辨率可達(dá)微米級(jí)。也有將CCD應(yīng)用于測(cè)量半導(dǎo)體材料表面應(yīng)力的研究。

2、照相技術(shù)

全息照相測(cè)量技術(shù)是60年代發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù),用此技術(shù)可以觀察到被測(cè)物體的空間像。激光具有極好的空間相干性和時(shí)間相干性,通過光波的干涉把經(jīng)物體反射或透射后,光束中的振幅與相位信息。

超精密測(cè)量技術(shù)所代表的測(cè)量技術(shù)在國(guó)防、航天、航空、航海、鐵道、機(jī)械、輕工、化工、電子、電力、電信、鋼鐵、石油、礦山、煤炭、地質(zhì)、勘側(cè)等領(lǐng)域有極其廣泛的應(yīng)用,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要的地位。在精密制造中,超精密測(cè)量技術(shù)是產(chǎn)品合格的基本保證。

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原文標(biāo)題:先進(jìn)制造中的精密測(cè)量技術(shù)

文章出處:【微信號(hào):WW_CGQJS,微信公眾號(hào):傳感器技術(shù)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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    選擇合適的晶振類型對(duì)電路的性能和可靠性都十分重要。我們可以通過外觀特征、引腳數(shù)量、功能、測(cè)試等方法辨別無(wú)源晶振和有源晶振。
    的頭像 發(fā)表于 02-08 13:42 ?721次閱讀

    調(diào)試TVP7002(VGA接口)芯片,十分燙手是怎么回事?

    最近在調(diào)試TVP7002(VGA接口)芯片,發(fā)現(xiàn)7002裸板在室溫下正常工作時(shí)的芯片溫度為60度,十分燙手,查了下電源好像也沒什么異常,希望哪位有用個(gè)的高手指點(diǎn)下調(diào)試方向。
    發(fā)表于 02-08 07:30

    精密電焊恒流電源技術(shù)現(xiàn)代焊接工藝中的關(guān)鍵應(yīng)用與發(fā)展探究

    隨著科技的飛速發(fā)展和工業(yè)制造水平的不斷提升,精密電焊恒流電源技術(shù)現(xiàn)代焊接工藝中的地位日益凸顯,它以其精準(zhǔn)、穩(wěn)定的電流控制能力對(duì)焊接質(zhì)量的提升起到了決定性
    的頭像 發(fā)表于 11-27 15:07 ?596次閱讀

    無(wú)人機(jī)的發(fā)展十分火熱在哪些領(lǐng)域都有所應(yīng)用

    無(wú)人機(jī)的發(fā)展確實(shí)十分火熱,并且在多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 、無(wú)人機(jī)技術(shù)概述 無(wú)人機(jī),即無(wú)人駕駛飛機(jī),是種利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程
    的頭像 發(fā)表于 10-22 18:14 ?3493次閱讀

    直徑測(cè)量工具的發(fā)展歷程

    的直徑和其他尺寸??ǔ叩脑硎抢脙?b class='flag-5'>個(gè)相互平行的尺子,通過移動(dòng)其中個(gè)尺子來(lái)測(cè)量物體的直徑。 精密測(cè)量
    發(fā)表于 10-10 16:55

    做安全“守護(hù)者” | KMV1聲學(xué)成像儀檢測(cè)氣體泄漏實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)新飛躍!

    在錯(cuò)綜復(fù)雜的工業(yè)管道系統(tǒng)中,氣體泄漏檢測(cè)這關(guān)鍵環(huán)節(jié)在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)及日常生活安全中都十分重要。
    的頭像 發(fā)表于 09-25 11:35 ?697次閱讀
    做安全“守護(hù)者” | KMV1聲學(xué)成像儀檢測(cè)氣體泄漏實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)新飛躍!

    放大電路的原理和作用

    放大電路是模擬電子技術(shù)中的個(gè)重要組成部分,其原理和作用在信號(hào)處理、儀器
    的頭像 發(fā)表于 09-02 10:53 ?4271次閱讀

    OPA855空載FFT頻譜存在突起的原因?怎么解決?

    針對(duì)上述現(xiàn)象,請(qǐng)問有什么解決辦法嗎? 2.論壇中關(guān)于OPA855的TIA電路設(shè)計(jì)中補(bǔ)償電容似乎十分重要,但是我在實(shí)際應(yīng)用過程中添加1pF的電容,OPA855輸出就會(huì)產(chǎn)生振蕩減小電容值振蕩現(xiàn)象依然存在,請(qǐng)問這是為什么?
    發(fā)表于 07-30 07:07

    電加熱元件在醫(yī)療設(shè)備中的作用

    加熱技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備中的作用十分重要。目前市場(chǎng)上大約有10,000多種不同的醫(yī)療設(shè)備。每件設(shè)備都必須按照最高標(biāo)準(zhǔn)制造,以確保獲得準(zhǔn)確、高效和安全的性能。術(shù)語(yǔ)上醫(yī)療器械是指任何涉及診斷、治療或改善生活
    的頭像 發(fā)表于 07-25 08:36 ?2211次閱讀
    電加熱元件在醫(yī)療設(shè)備中的<b class='flag-5'>作用</b>

    定位技術(shù):關(guān)于藍(lán)牙人員定位的幾個(gè)重要問題

    藍(lán)牙人員定位目前已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),在提高安全系數(shù)、避免重大損失和降低傷害方面起到十分重要作用,是比較理想的獲取位置信息的方式。伴隨著藍(lán)牙人員定位產(chǎn)品的不斷更新發(fā)展,藍(lán)牙人員定位系統(tǒng)的功能也在
    的頭像 發(fā)表于 07-24 11:36 ?622次閱讀