精密坐標(biāo)測量

 

 

現(xiàn)代精密測量技術(shù)是一門集光學(xué)、電子、傳感器、圖像、制造及計算機(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，測量儀器具有精密化、集成化、智慧化的發(fā)展趨勢。三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）是適應(yīng)上述發(fā)展趨勢的典型代表，它幾乎可以對生產(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)確度測量。發(fā)展高速坐標(biāo)測量機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。同時，作為下世紀(jì)的重點發(fā)展目標(biāo)，各國在微/納米測量技術(shù)領(lǐng)域開展了廣泛的應(yīng)用研究。

 

 

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

 

 

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

 

CNC小型坐標(biāo)測量機(jī)

 

 

CarlZeiss公司開發(fā)的坐標(biāo)測量機(jī)軟件STRATA-UX，其測量數(shù)據(jù)可以從CMM直接傳送到隨機(jī)配備的統(tǒng)計軟件中去，對測量系統(tǒng)給出的檢驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析與管理，根據(jù)要求對其進(jìn)行評估。依據(jù)此數(shù)據(jù)庫，可自動生成各種統(tǒng)計報表，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。

 

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

 

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)行實際值與要求測量值之間的比較，具有多種輸出方式。

 

STRATA-UX系統(tǒng)處理簡圖

 

 

基于三角測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量及用于模具特征線的識別。

 

該方法克服了接觸測量的局限性。將激光雙三角測量法應(yīng)用于大范圍內(nèi)測量，對復(fù)雜曲面輪廓進(jìn)行測量，其精度可高于1μm。英國IMS公司生產(chǎn)的IMP型坐標(biāo)測量機(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)測量機(jī)

 

 

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

 

納米級加工技術(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發(fā)展到現(xiàn)有的幾個納米數(shù)量級。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，離不開微米級和納米級的測量技術(shù)與設(shè)備。具有微米及亞微米測量精度的幾何量與表面形貌測量技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如HP5528雙頻激光干涉測量系統(tǒng)（精度10nm）、具有1nm精度的光學(xué)觸針式輪廓掃描系統(tǒng)等。

 

因為掃描隧道顯微鏡、掃描探針顯微鏡和原子力顯微鏡用來直接觀測原子尺度結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，使得進(jìn)行原子級的操作、裝配和改形等加工處理成為近幾年來的前沿技術(shù)。

 

 

1981年美國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，在一定程度上推動了納米技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。與此同時，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探測表面或接口納米尺度上表現(xiàn)出來的性質(zhì)的掃描探針顯微鏡（SPM），用來獲取通過STM無法獲取的有關(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帶動高敏感性的微懸臂梁隨表面的起伏而上下運(yùn)動，通過光學(xué)方法或隧道電流檢測出微懸臂梁的位移，實現(xiàn)探針尖端原子與表面原子間排斥力檢測，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年中國科學(xué)院化學(xué)所研制成功國內(nèi)首臺具有原子分辨率的AFM。安裝有微型光纖傳導(dǎo)激光干涉三維測量系統(tǒng)，可自校準(zhǔn)和進(jìn)行絕對測量的計量型原子力顯微鏡可使目前納米測量技術(shù)定量化。

 

利用類似AFM的工作原理，檢測被測表面特性對受迫振動力敏組件產(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。

 

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)探測樣品表面附近被全內(nèi)反射所激起的瞬衰場，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）可用來探測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損檢測表面和接口結(jié)構(gòu)的先進(jìn)分析儀器，國內(nèi)也已研制成功。

 

掃描隧道電位儀

 

 

以SPM為基礎(chǔ)的觀測技術(shù)只能給出納米級分辨率，卻不能給出表面結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的納米尺寸，這是因為到目前為止缺少一種簡便的納米精度（0.10～0.01nm）尺寸測量的定標(biāo)手段。

 

美國NIST和德國PTB分別測得硅（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220晶間距進(jìn)行穩(wěn)定性測試，發(fā)現(xiàn)其18天的變化不超過0.1fm。實驗充分說明單晶硅的晶面間距具有較好的穩(wěn)定性。

 

掃描X射線干涉測量技術(shù)是微/納米測量中的一項新技術(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量單位，加上X射線波長比可見光波波長小兩個數(shù)量級，有可能實現(xiàn)0.01nm的分辨率。該方法較其它方法對環(huán)境要求低，測量穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，是一種很有潛力的方便的納米測量技術(shù)。

 

自從1983年D.G.Chetwynd將其應(yīng)用于微位移測量以來，英、日、意大利相繼將其應(yīng)用于納米級位移傳感器的校正。國內(nèi)清華大學(xué)測試技術(shù)與儀器國家重點實驗室在1997年5月利用自己研制的X射線干涉器件在國內(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)加工表面輪廓的測量，如拋光表面、精研表面等，測量表面輪廓高度變化最小可達(dá)0.5nm，橫向（X，Y向）測量精度可達(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量中，其分辨率可達(dá)0.1nm數(shù)量級。

 

邁克爾遜型差拍干涉儀

 

 

光學(xué)干涉顯微鏡測量技術(shù)，包括外差干涉測量技術(shù)、超短波長干涉測量技術(shù)、基于F-P（Ferry-Perot）標(biāo)準(zhǔn)的測量技術(shù)等，隨著新技術(shù)、新方法的利用亦具有納米級測量精度。外差干涉測量技術(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）可使幾十個原子大小的物體成像。

 

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

 

目前，在微/納米機(jī)械中，精密測量技術(shù)一個重要研究對象是微結(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、微裂紋等測試技術(shù)的納米分析技術(shù)目前尚不成熟。國外在此領(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微米之內(nèi)缺陷情況的納米激光雷達(dá)技術(shù)，其探測尺度分辨率均可達(dá)到1nm。

 

以激光波長為已知長度利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測量位移

 

 

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

 

圖像識別測量過程包括：（1）圖像信息的獲取；（2）圖像信息的加工處理，特征提?。唬?）判斷分類。計算機(jī)及相關(guān)計算技術(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別模型及數(shù)理統(tǒng)計知識。

 

圖像測量系統(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到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；計算機(jī)及計算技術(shù)實現(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)的自動調(diào)焦等功能；載物工作臺具有三坐標(biāo)或多坐標(biāo)自由度，可以精確控制微位移。

 

圖像測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

 

物體三維輪廓測量方法中，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。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)非接觸圖像識別測量系統(tǒng)中。

 

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

 

 

全息照相測量技術(shù)是60年代發(fā)展起來的一種新技術(shù)，用此技術(shù)可以觀察到被測物體的空間像。激光具有極好的空間相干性和時間相干性，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。

 

超精密測量技術(shù)所代表的測量技術(shù)在國防、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，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要的地位。在發(fā)展高端裝備制造業(yè)的背景下，提高我國在超精密測量方面的科研實力和技術(shù)水平，成為不得不解決的迫切問題。

 

本文轉(zhuǎn)載自傳感器技術(shù)。