精密测量技术

精密测量技术一、背景研究
跟着社会的发展，一般机械加工的加工偏差从过去的mm级向“ m级发展，精密加工则从 10 p,m级向炉级发展，超精美加工正在向nm级工艺发展。

由此，制造业对精美丈量仪器的需求愈来愈宽泛，同时偏差要求也愈来愈高。

精美丈量是精密加工中的重要构成部分，精美加工的偏差要依靠丈量正确度来保证。

目前，对于丈量偏差已经由“ m级向 nm级提高，并且这类趋向一年比一年迅猛[1] 。

二、概括
现代精美丈量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术
为一体的综合性交错学科，它和精美超精美加工技术相辅相成，为精美超精美加工供给了评论和检测手段；精美超精美加工水平的提高又为精美丈量供给了有力
的仪器保障。

现代丈量技术波及宽泛的学科领域，它的发展需要众多有关学科的
支持，在现代工业制造技术和科学研究中，丈量仪器拥有精美化、集成化、智能
化的发展趋向，作为来世纪的要点发展目标，各国在微 /纳米丈量技术领域展开
了宽泛的应用研究[1]。

三、丈量技术及应用特色
3.1扫描探针显微镜
1981年美国 IBM 公司研制成功的扫描地道显微镜 (STM), 将人们带到了微观世界。

STM 拥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 0.1nm
和0.01nm,即可分辨出单个原子),宽泛应用于表面科学、资料科学和生命科学等研究领域 ,在必定程度上推进了纳米技术的产生和发展。

与此同时，鉴于 STM 相像
原理与构造 ,接踵产生了一系列利用探针与样品的不一样互相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)，用来获取经过 STM 没法获取的有关表面构造和性质的各样信息,成为人类认识微观世界的有力工具。

下边
介绍几种拥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 ,经过光学方法或地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挤力检测 ,进而获取表面容貌信息。

利用近似AFM 的工作原理 ,检测被测表面特征对受迫振动力敏元件产生的影响 ,在探针与表面10～100nm距离范围 ,可探测到样品表面存在的静电力、磁力、范德华力等作使劲 ,接踵开发磁力显微镜、静电力显微镜、摩擦力显微镜等 ,统称为扫描力显微镜。

(2)光子扫描地道显微镜 (PSTM): PSTM 的原理和工作方式与 STM 相像 ,后者利用电子地道效应 ,而前者利用光子地道效应探测样品表面邻近被全内反射所激
起的瞬衰场 ,其强度随距界面的距离成函数关系,获取表面构造信息。

(3)其余显微镜 :如扫描地道电位仪 (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) 合用于进行生物学和电生理学研究 ;扫描热显微镜
(STM) 已经获取血红细胞的表面构造;弹道电子发射显微镜 (BEEM) 则是目前独一能够在纳米尺度上无损检测表面和界面构造的先进剖析仪器,国内也已研制成功。

3.2纳米丈量的扫描Ｘ射线干预技术
以SPM为基础的观察技术只好给出纳米级分辨率,不可以给出表面构造正确
的纳米尺寸 ,是因为到目前为止缺乏一种简易的纳米精度 (0.10～0.01nm)尺寸丈量
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
192015.560 ±0.012fm和192015.902 ±0.019fm(飞米fm 也叫费米,是长度单位,1fm 相当于 10～ 15m)。

日本ＮＲＬＭ在恒温下对 220晶间距进行稳固性测试 ,发现其 18 天的变化不超出 0.1fm。

实验充足说明单晶硅的晶面间距有较好的稳固性。

扫描
Ｘ射线干预丈量技术是微 /纳米丈量中一项新技术，它正是利用单晶硅的晶面间距
作为亚纳米精度的基本丈量单位 ,加上Ｘ射线波长比可见光波波长小 2个数目级 ,有
可能实现 0.01ｎｍ的分辨率。

该方法较其余方法对环境要求低 ,丈量稳固性
好 ,构造简单 ,是一种很有潜力方便的纳米丈量技术。

软Ｘ射线显微镜、扫描光声
显微镜等用以检测微构造表面容貌及内部构造的微缺点。

迈克尔逊型差拍干预仪 , 适于超精美加工表面轮廓的丈量,如抛光表面、精研表面等,丈量表面轮廓高度变化
最小可达 0.5ｎｍ ,横向 (Ｘ,Ｙ向 )丈量精度可达 0.3～1.0 μｍ。

渥拉斯顿型差拍双
频激光干预仪在微观表面容貌丈量中 ,其分辨率可达 0.1nm数目级。

3.3光学干预显微镜丈量技术
光学干预显微镜丈量技术 ,包含外差干预丈量技术、超短波长干预丈量技术、
鉴于 F-P标准的丈量技术等 ,跟着新技术、新方法的利用亦拥有纳米级丈量精度。

外差干预丈量技术拥有高的位相分辨率和空间分辨率 ,如光外差干预轮廓仪拥有
0.1nm分辨率 ;鉴于频次追踪的 F-P标准具丈量技术拥有极高的敏捷度和正确度 ,其
精度 0.001ｎｍ ,其丈量范围受激光器调频范围的限制 ,仅有 0.1 μｍ。

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 公司开发的位移丈量干预仪系统 ,位移分辨率高于 0.6nm,可在 1.1ｍ/ｓ的高速下丈量 ,适于纳米技术在半导体生产、数据储存硬盘和精美机械中的应用。

目前 ,在微 /纳米机械中 ,精美丈量技术的一个重要研究对象是微构造的机械性能与力学性能、谐振频次、弹性模量、剩余应力
及疲惫强度等。

微细构造的缺点研究 ,如金属齐集物、微积淀物、微裂纹等测试技术的纳米剖析技术目前尚不可熟。

外国在此领域主要展开用于晶体缺点的激光扫描层析 (LST)技术 ,用于研究样品顶部几个微米以内缺点状况的纳米激光雷达技术，其探
测尺度分辨率均可达 1nm。

3.4双频激光干预仪与超精美光栅尺
双频激光干预仪丈量精度高,丈量范围大 ,所以常用于超精美机床作地点丈量
和地点控制丈量反应元件。

但激光丈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的研究结果说明目前双频
激光干预仪其光路在空气中进行了各样休整与赔偿,其最高精度为 8.5 ×10-8。

因为这类丈量方法对环境要求过高,对生产机床在时间加工中常常过于苛刻,很难加以
保证。

最近几年来光栅技术获取了很大发展,传统自成象原理 (莫尔或反射原理 )的光栅尺 ,其动、静尺之间的距离遇到限制,其距离的允差约为塔耳波特周期(ｇ -8/ λ)的10%，(ｇ为光栅周期，λ为光源波长 )，比如， LED 光源λ =900ｎｍ ,光栅条纹间隔
10μｍ ,则动、静尺空隙距离允差也为10μｍ,这对光栅尺的安装及运动带来困难。

目前 ,衍射扫描干预光栅采纳偏振元件相移原理或附带光栅像相移原理。

比如德
国 Heidenhaiin公司采纳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 ,丈量 70mm长度 ,用
真空中激光干预仪进行丈量最大偏差不超出±0.1ｍμ。

这类光栅尺的光栅线周期为128nm,分辨率可达 1nm,采纳 Zerodur资料制成几乎是零膨胀系数,动、静尺空隙为
3.±0.1mm,安装和使用都很方便。

上述 2种丈量一同 ,固然精度高但价钱过于昂
贵。

夸耀光栅是一种高精度 ,大范围的低价丈量仪器。

夸耀光栅的定尺常刻成锯齿形
条纹 ,如 5mm× 50mm,每厘米 1000线 ,而定尺为一般光栅尺 ,光栅常数为 20μｍ。

夸耀光栅的分辨率仅取决于细光栅,所以比较简单实现大范围、高精度的丈量,是一
种有前程低价化的光栅丈量方式。

3.5超精美丈量用电容测微仪
电容测微仪的特色是非接触丈量 ,精度高、价钱低。

但丈量范围有限 ,丈量稳固
性和漂移常令人不满意。

美国 LionPrecision公司的电容测微仪分辨率可达 0.5 ｍｍ
(1Hz频响 ),热漂移每度 0.04%满量程。

关于差频式电容测微仪而言，怎样减少测头
电缆对丈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
纳集成化、小型化丈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同 ,
撤消本来的测头电缆。

这类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 ,增添稳固性都有很好的成效。

小型化后的测头能够方便地构
成多传感器丈量系统。

如圆度的三传感器丈量系统 ,直线度和平面度的四传感器
丈量系统。

这些传感器能够对运动偏差与被测工具形状偏差进行分别,测得高精度真值[2]。

四、高速铁路轨道精美丈量技术
见附件 1
五、精美丈量技术将来发展方向
精美加工技术的发展需要精美丈量的发展与之般配。

市场对丈量正确度不停提高的需求，也是鼓励研究人员加速开发高端产品去适应市场的动力。

目前，我国在机械丈量技术和仪器方面的自主开发能力还不强，制造技术也相对落伍。

最近几年来，外国有名仪器制造公司分别追求国内市场，形成了国内市场上当面的竞争趋向，低技术含量，低价微利的产品难以应付市场冲击，国内量具两试件加工工艺条件，硬度大的资料对加工环境的依靠性较小，温度变化对剩余应力产生的作用不明显，简单获取高质量的表面，但简单产生裂纹，对工件的寿命影响很大。

最近几年来，精美丈量技术发展快速，成就喜人。

跟着光机电一体化、系统化的发展，光学丈量技术有了快速发展，相应的丈量机产品大批浮现，丈量软件的开发也日趋遇到重视。

利用光学原理开发的非接触丈量机及各样装置特别多。

如索尼精美工程公司的非接触形状丈量机YP20／2l 也是利用半导体激光高速高精美
自动聚焦传感器的形状丈量机，全部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，拥有优秀的操作性能和数据办理功能。

非接触三坐标丈量系统Zip250 是 - 种高刚性、高速、高精美的新式丈量机。

该机载物台的承载量为 23kg，刻度尺的分辨力 (X、Y、Z轴) 均为 0.25 μm。

机上装置了带数码法兰盘的CCD摄像机和最新 DSP办理器，所以可进行高速图像办理丈量，同时也可与接触式测头并
用进行有关丈量。

比如这些丈量仪器在线路测景技术，已可进行及时丈量与显示。

这类精美丈量技术应用到铁路上眼远景将特别广阔。

其精美丈量技术将来发展方向：(1) 丈量精度由微米级向纳米级发展，丈量分辨力进一步提高；(2)由点丈量
向面丈量过渡 ( 即由长度的精美丈量扩展至形状的精美丈量) ，提高整体丈量精度； (3) 跟着图像办理等新技术的应用，遥感技术在精美丈量工程中将获取推行和普及。

(4) 跟着标准化体系确实立和丈量不确定度的数值化，将有效提高丈量的靠谱性[3]。

参照文件
[1] 董红磊 . 精美加工与精美丈量技术的发展[J]. 宇航计测技术 2008 28（ 6）： 22-26.
[2] 司国斌，张艳 . 精美超精美加工及现代精美丈量技术[J]. 机械研究与应用2006 19（1）:15-18.
[3] 薛双纲 . 铁路精美丈量技术应用研究 [J]. 高新技术 2011(1):7.。