精密测量技术

1、精密测量技术一、背景研究随着社会的发展，普通机械加工的加工误差从过去的m级向“m级发展，精密加工则从10 p,m级向炉级发展，超精密加工正在向nm级工艺发展。由此，制造 业对精密测量仪器的需求越来越广泛， 同时误差要求也越来越高。 精密测量是精 密加工中的重要组成部分， 精密加工的误差要依靠测量准确度来保证。 目前，对 于测量误差已经由“仃级向nm级提升，而且这种趋势一年比一年迅猛 。二、概述现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术 为一体的综合性交叉学科， 它和精密超精密加工技术相辅相成， 为精密超精密加 工提供了评价和检测手段； 精密超精密加工水平的提高又为精密测

2、量提供了有力 的仪器保障。 现代测量技术涉及广泛的学科领域， 它的发展需要众多相关学科的 支持，在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能 化的发展趋势， 作为下世纪的重点发展目标， 各国在微 / 纳米测量技术领域开展 了广泛的应用研究 1 。三、测量技术及应用特点扫描探针显微镜1981年美国IBM公司研制成功的扫描隧道显微镜（STM）,将人们带到了微观 世界。STM具有极高的空间分辨率（平行和垂直于表面的分辨率分别达到和，即可分辨出单个原子 ）,广泛应用于表面科学、 材料科学和生命科学等研究领域 ,在一 定程度上推动了纳米技术的产生和发展。与此同时，基于STM相似原理与

3、结构， 相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面纳米尺度 上表现出来性质的扫描探针显微镜(SPM),用来获取通过STM无法获取的有关表 面结构和性质的各种信息 ,成为人类认识微观世界的有力工具。下面介绍几种具 有代表性的扫描探针显微镜。(1) 原子力显微镜( AFM ):AFM 利用微探针在样品表面划过时带动高敏感性的微悬臂梁随表面起伏而上下运动 ,通过光学方法或隧道电流检测出微悬臂梁的 位移 ,实现探针尖端原子与表面原子间排斥力检测 ,从而得到表面形貌信息。利用 类似AFM的工作原理,检测被测表面特性对受迫振动力敏元件产生的影响，在探 针与表面10100nm距离范围，可探

4、测到样品表面存在的静电力、 磁力、范德华力 等作用力 ,相继开发磁力显微镜、静电力显微镜、摩擦力显微镜等,统称为扫描力显微镜。(2) 光子扫描隧道显微镜(PSTM): PSTM的原理和工作方式与STM相似，后者 利用电子隧道效应 ,而前者利用光子隧道效应探测样品表面附近被全内反射所激 起的瞬衰场 ,其强度随距界面的距离成函数关系 ,获得表面结构信息。(3) 其它显微镜：如扫描隧道电位仪(STP)可用来探测纳米尺度的电位变化；扫描离子电导显微镜(SICM)适用于进行生物学和电生理学研究；扫描热显微镜 (STM)已经获得血红细胞的表面结构；弹道电子发射显微镜(BEEM)则是目前唯一 能够在纳米尺度

5、上无损检测表面和界面结构的先进分析仪器,国内也已研制成功。纳米测量的扫描X射线干涉技术以SPM为基础的观测技术只能给出纳米级分辨率，不能给出表面结构准确的 纳米尺寸 ,是因为到目前为止缺少一种简便的纳米精度尺寸测量的定标手段。 美国NIST和德国PTB分别测得硅(220)晶体的晶面间距为和飞米fm也叫费米， 是长度单位,1fm相当于1015m)。日本NRLM在恒温下对220晶间距进行稳定 性测试,发现其18天的变化不超过。实验充分说明单晶硅的晶面间距有较好的稳 定性。扫描X射线干涉测量技术是微/纳米测量中一项新技术，它正是利用单晶 硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位，加上X射线波长比可见

6、光波波长小2个数量级，有可能实现nm的分辨率。该方法较其它方法对环境要求低，测量稳 定性好，结构简单，是一种很有潜力方便的纳米测量技术。软X射线显微镜、扫描 光声显微镜等用以检测微结构表面形貌及内部结构的微缺陷。 迈克尔逊型差拍干 涉仪,适于超精细加工表面轮廓的测量 ,如抛光表面、 精研表面等 ,测量表面轮廓高 度变化最小可达nm，横向（X ,Y向）测量精度可达 呵。渥拉斯顿型差拍双频激 光干涉仪在微观表面形貌测量中 ,其分辨率可达数量级。光学干涉显微镜测量技术光学干涉显微镜测量技术 ,包括外差干涉测量技术、 超短波长干涉测量技术、 基于F-P标准的测量技术等，随着新技术、新方法的利用亦具有纳

7、米级测量精度。 外差干涉测量技术具有高的位相分辨率和空间分辨率 ,如光外差干涉轮廓仪具有 分辨率；基于频率跟踪的F-P标准具测量技术具有极高的灵敏度和准确度，其精度 nm，其测量范围受激光器调频范围的限制,仅有 呵。而扫描电子显微镜（SEM）可 使几十个原子大小物体成像。美国ZYGO公司开发的位移测量干涉仪系统，位移分 辨率高于，可在m/s的高速下测量,适于纳米技术在半导体生产、数据存储硬盘和 精密机械中的应用。 目前,在微/纳米机械中 ,精密测量技术的一个重要研究对象是 微结构的机械性能与力学性能、谐振频率、弹性模量、残余应力及疲劳强度等。 微细结构的缺陷研究 ,如金属聚集物、微沉淀物、微裂

8、纹等测试技术的纳米分析 技术目前尚不成熟。国外在此领域主要开展用于晶体缺陷的激光扫描层析 （LST） 技术,用于研究样品顶部几个微米之内缺陷情况的纳米激光雷达技术，其探测尺 度分辨率均可达 1nm。双频激光干涉仪与超精密光栅尺双频激光干涉仪测量精度高 ,测量范围大 ,因此常用于超精密机床作位置测量 和位置控制测量反馈元件。但激光测量精度与空气的折射率有关 ,而空气折射率 与湿度、温度、压力、二氧化碳含量等有关。美国 NBS的研究结果说明当前双频 激光干涉仪其光路在空气中进行了各种休整与补偿，其最高精度为X10-8。由于这种测量方法对环境要求过高 ,对生产机床在时间加工中往往过于苛刻 ,很难加以

9、保 证。近年来光栅技术得到了很大发展 ,传统自成象原理 （莫尔或反射原理 ）的光栅尺 , 其动、静尺之间的距离受到限制，其距离的允差约为塔耳波特周期（g -8/ X的 10%, （g为光栅周期，X为光源波长），例如，LED光源入=90（0 m，光栅条纹间隔10呵, 则动、静尺间隙距离允差也为10呵，这对光栅尺的安装及运动带来困难。目前， 衍射扫描干涉光栅采取偏振元件相移原理或附加光栅像相移原理。例如德国 Heide nhaiin公司采用三光栅系统原理和四光栅系统原理的光栅尺可达到很高的 分辨率又有很好的可安装性。该公司的LIP382线性光栅尺，测量70mm长度,用真空 中激光干涉仪进行测量最大

10、误差不超过 土 m。这种光栅尺的光栅线周期为128nm, 分辨率可达1nm,采用Zerodur材料制成几乎是零膨胀系数，动、静尺间隙为03.按 装和使用都很方便。上述 2种测量一起 ,虽然精度高但价格过于昂贵。炫耀光栅是 一种高精度 ,大范围的廉价测量仪器。炫耀光栅的定尺常刻成锯齿形条纹,如5mm 50mm,每厘米1000线,而定尺为普通光栅尺，光栅常数为20呵。炫耀光栅的 分辨率仅取决于细光栅 ,因此比较容易实现大范围、高精度的测量 ,是一种有前途 廉价化的光栅测量方式。超精密测量用电容测微仪电容测微仪的特点是非接触测量 ,精度高、价格低。但测量范围有限 ,测量稳 定性和漂移常令人不满意。美

11、国Lio nPrecisio n公司的电容测微仪分辨率可达mm （1Hz频响），热漂移每度满量程。对于差频式电容测微仪而言，如何减少测头电 缆对测量的影响是难题之一 , “电缆驱动 ”技术可解决该问题。所研制的仪器采取 集成化、小型化测量震荡器和本机震荡器的方法 ,将2个震荡器与测头做在一起 , 取消原来的测头电缆。这种测头的引出电缆送出的是经过混频后的脉冲信号,这对减少漂移 ,增加稳定性都有很好的效果。小型化后的测头可以方便地组成多传 感器测量系统。如圆度的三传感器测量系统 ,直线度和平面度的四传感器测量系 统。这些传感器可以对运动误差与被测工具形状误差进行分离 ,测得高精度真值 2。四、高

12、速铁路轨道精密测量技术见附件1五、精密测量技术未来发展方向精密加工技术的发展需要精密测量的发展与之匹配。 市场对测量准确度不断 提升的需求， 也是鞭策研究人员加快开发高端产品去适应市场的动力。 目前，我 国在机械测量技术和仪器方面的自主开发能力还不强， 制造技术也相对落后。 近 年来，国外着名仪器制造企业分别寻求国内市场， 形成了国内市场上面对面的竞 争趋势， 低技术含量， 低价微利的产品难以应对市场冲击， 国内量具两试件加工 工艺条件， 硬度大的材料对加工环境的依赖性较小， 温度变化对残余应力产生的 作用不显着，容易得到高质量的表面， 但容易产生裂纹，对工件的寿命影响很大。近年来，精密测量技

13、术发展迅速，成果喜人。随着光机电一体化、系统化的 发展，光学测量技术有了迅速发展， 相应的测量机产品大量涌现， 测量软件的开 发也日益受到重视。 利用光学原理开发的非接触测量机及各种装置非常多。 如索 尼精密工程公司的非接触形状测量机 YP202l 也是利用半导体激光高速高精密 自动聚焦传感器的形状测量机， 所有刻度尺均系标准元件， 传感器和载物台均由 微型计算机控制， 具有优异的操作性能和数据处理功能。 非接触三坐标测量系统 Zip250 是- 种高刚性、高速、高精密的新型测量机。 该机载物台的承载量为 23kg， 刻度尺的分辨力(X、丫、Z轴)均为卩m机上装配了带数码法兰盘的CC摄像机和 最新DSP处理器，因此可进行高速图像处理测量，同时也可与接触式测头并用进 行相关测量。 例如这些测量仪器在线路测景技术， 已可进行实时测量与显示。 这 种精密测量技术应用到铁路上面前景将非常广阔。 其精密测量技术未来发展方向： (1) 测量精度由微米级向纳米级发展， 测量分辨力进一步提高； (2) 由点测量向面 测量过渡 (即由长度的精密测量扩展至形状的精密测量 ) ，提高整体测量精度；(3) 随着图像处理等