大平面平面度测量系统
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[ 3] 连铜淑 . 棱镜调整 . 国防工业出版社 [ 4] 陈博一 . 双光束扫描式大平面平面度 测量法 . 清华大学
硕士论文, 1988 [ 5] 王绍民 〈请合法使用软件〉激光准直仪的漂移问题 . 激光,
1980, 3
智能化电容式薄膜厚度在线检测仪
刘冬春 齐轩琴 吴小津 郑义忠
1) X
( 1)
一般在空气中测量, 1= 1, 则式 ( 1) 改为:
因此, 化。
Cx =
do+
K (
aS a- 1) X
( 2)
当 a 固定时, Cx 只随 X 变化而变
图1
将传感器接入开环放大倍数为 A 的运算
放大电路中, 作为反馈元件, CS 是温度系数可
忽略不计固定电容, V S 是交流万分之一稳幅信 号源电压, V o 是输出信号电压, 在 A 和输入阻
对平台表面平面度误差进行测量实验。测量面 积为: 2040×825mm , 测量点数为 7×4= 28。测 量结果见下表。经实验结果表明, 该仪器的测 量不确定度可达 2. 5×10- 6 。
图7
图6
四、实验结果
1, 双光束补偿效果的实验及对称中心线稳 定性实验
接收靶距扫描头的距离为 2. 8m 和 5. 6m 处, 不改变距离及接收靶的位置。步进电机做 扫描运动, 进行定点长时间采样, 时间为 2 小 时, 采样次数为 100 次。经数据处理结果, 在 5. 6m 处, 没经补偿的上下两光束最大变动量 为 106 m, 经补偿后的最大变动量为 6 m 。补 偿效果很好, 大大提高了激光的准直准确度。图 7、图 8 所示为实验结果。从实验结果看准直不 确定度可达 1. 8×10- 6。
q= ( qx , qy , qz ) T N= ( Nx, Ny , Nz ) T 经过计算得出以下结果: 上束光转换矩阵为 r 上
01 r 上=
-1 0 下束光转换矩阵为 r 下
0 1 r 下= 1 0 从计算结果看, 两束输出光是对称的。 图 3 所示, 输入光发生角漂、平移及扫描 头摆动时, 采用此特殊光路组成的扫描头, 其
( I 1 - I 4) I 1+ I 2 +
( I 2I3+ I4
I 3)
<
式中, 为给定的误差。
图2
矢量形式的反射定理为 q′= q- 2( q·N) N q= ( q′x, q′y , q′z ) T
式中, q 为入射光线矢量; q′为反射光线矢量; N 为反射面法线矢量。 矩阵形式的反射定理为
当入射光发生角漂或扫描头发生摆动时, 由于经过这样一个光路系统的上光束和下光束 所经过的反射次数不同, 最后使输出的上光束 和下光束发生对称上下漂移 ( 或下上漂移) , 而 且对称中心线保持不变, 其对称中心线在扫描 过程中所形成的平面, 即基准平面也保持不变, 从而得到了补偿的效果, 提高了平面度测量准 确度。此两束输出光用两个二象限的光电池接 收, 再由后续电路处理。
图4
图5
计算机控制步进电机驱动丝杠螺母机构, 使光电池座作向上或向下移动, 直到满足上式
6
计量技术 1998. № 12
为止, 步进电机停止运动。此时与光电池座连 在一起的位移传感器的测头的读数, 即为此被 测点相对扫描头光束基准平面的高低变化量, 最后由计算机进行数据处理。图 5 为检测原理 框图, 图 6 为其软件流程框图。
- 573 - 555 - 526 - 442 - 407 - 379 - 338
- 493 - 461 - 448 - 452 - 488 - 414 - 419
平面度误差 F = 216. 3 m
结论: 经过大量实验及与高精度双频干涉 仪的比对, 从实验结果和比对结果, 说明该仪 器稳定可靠, 其不确定度≤2. 5×10- 6 。符合原
[ 2] Chan W K , Liu C Y . Wong Y W. Charact er ist ics of t hin fi lm probe w ith t emperat ure com pens at ion. Flow M easuremen t and Ins t rument at ion. 1995 V . 6, №2, 137-140
一、电容测微仪原理
电容传感器, 是按平行板电容器的原理构
成的。如图 1 所示, 其中 1 和 2 是固定电极, 极
板的面积为 S , 3 是厚度为 X 相对介电常数为 a 的被测薄膜, 两固定极板的距离为 d o, 传感
器置于相对介电常数为 1 的介质中, 此时电容
量为:
Cx =
do
K 1 aS 1+ ( a-
[ 3] Zhang X Z, Wu Y . M easu rement of liquid fil m velocit y and th ickn es s in an nular f low . FLO M EK O ' 93, K orea, 559-563
[ 4] Zhang X Z. A m et hod f or solving l apl ace' s equat ion w it h mi xed boundary condit ions in elect romagnetic f low ment er, J Phys D : A ppl Phys , 1989 V ol. 22, 573-576
计量技术 1998. № 12
5
图 2 所示是经简化的光路系统。
输出的两束光仍发生对称的漂移, 起到了补偿 作用, 大大提高扫描准确度。
图3
三、检测系统
图1
此测量仪, 采用二个二象限光电池同时对
两束输出光进行检测, 并通过计算机控制步进
电机带动光电池座作上下移动。如图 4 所示, 当 二个二象限光电池接收到信号不满足下式时,
一归一后的曲线 ( 见图 3, 其中说明与图 2 相 同) 。
四、结 论
本文关于采用电导法测量液膜厚度的理论 分析与实验得到以下结论:
1. 所建立的理论模型可以指导电极结构 的设计。
2. 采用修正电极的方法可以在实际应用 中减少测量误差。
参考文献
[ 1] Hew it t G F. M easu rement of T w o Phase Flow Param et ers. A cademic Press . London, 1978
一、引 言
大型平面平面度测量一直是较难解决的问 题, 本文采用双光束补偿法。利用特殊的光路 组成的扫描头, 使激光通过此光路后, 产生对 称输出的两束光。当存在入射光发生角漂或扫 描头发生摆动等因素时, 输出的两束光发生对 称上下漂移, 其中心线保持不变, 故其扫描形 成的基准平面也保持不变, 大大提高了测量准 确度。经实验结果证明, 测量不确定度小于 2. 5 ×10-6 。
- 487 - 462 - 449 - 453 - 477 - 414 - 411
平面度误差 F= 217. 1 m
计量技术 1998. № 12
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表 3
单位 m
- 671 - 648 - 605 - 556 - 489 - 392 - 278
- 632 - 647 - 621 - 523 - 450 - 403 - 294
抗 Zi 很大的情况下:
V o=
-
1/ j 1/ j
C C
x S
V
S
=
-
CS Cx
V
S
4
测试与设备
计量技术 1998. № 12
大平面平面度测量系统
刘兴占 梁晋文 陈博一 花国粱 何树荣等
( 清华大学精密仪器系, 北京 100084)
摘 要 本文提出一种新的高精度大型平面 扫描仪。利用双光束补偿系统, 扫描头由一特殊光路组成。 当入射光发生角漂或扫描头发生摆 动等, 输出的两束光发生对称上下漂移, 其中心线扫描形成的基准平 面保持不变。测量不确定度小于 2. 5×10-6。 关键词 双光束补偿 准直 大平面 扫描 仪 平面度
二、原 理
图 1 所示为光路原理图, 它是由平面镜 1、 半五角标准镜 2、五角棱镜 3 和平面反射镜 4 组成。经过普通准直后的激光束, 经直角棱镜
反射, 进入五角棱镜 3, 再经五角棱镜内部反射 后, 射出为上光束。另外, 当光束到达五角棱 镜时, 除了进入五角棱镜的一束光外, 还有一 束反射光经平面反射镜 4 反射到平面镜 1 的上 表面 ( 此表面镀有半透半反射膜, 而且要求对 斜入射光全反射) , 经此表面反射后, 进入半五 角棱镜 2, 反射后射出为下光束。
2, 对大平面平面度误差实验 将测量仪固定在一台进口的气浮平台上,
图8
表1
单位 m
- 626 - 629 - 612 - 556 - 483 - 386 - 254
- 640 - 656 - 594 - 528 - 449 - 404 - 305
- 587 - 566 - 532 - 447 - 442 - 394 - 331
( 天津理工学院, 天津 300191) ( 天绍了用电容测微仪和单片机 构成的薄膜厚度在线检测系统。重点介绍 了非接触式电容 传感器原理及在本系统中的应用实例, 简要说明了单 片机的组成及与电容测微仪的接口。 关键词 非接触 电容测微仪 智能化
薄膜的厚度检测, 多采用接触测量, 测量 中由于测量力的作用产生变形, 使得测量不够 精确, 而且是被动测量, 不能直接控制生产。我 们将电容测微仪与单片机结合, 用于薄膜厚度 的非接触在线检测。其测量范围从几微米到几 千微米, 分辨力在几微米至零点几微米。
设计各项指标的要求。
参考文献
[ 1] 徐 家复 . 双 光束 精密 激 光准 直技 术 . 应 用激 光 联刊, 1983, 2
[ 2] W. Fobin, E. Hier holz, A ut omat ic M easuremen t of Body surf ace U s ing Rast erst es t ereograph y, PE RS , 1983
- 504 - 472 - 480 - 461 - 465 - 421 - 415
平面度误差 F= 216. 3 m
表2
单位 m
- 660 - 646 - 594 - 563 - 491 - 391 - 272
- 647 - 657 - 598 - 529 - 550 - 384 - 289
- 579 - 553 - 514 - 442 - 407 - 396 - 332
硕士论文, 1988 [ 5] 王绍民 〈请合法使用软件〉激光准直仪的漂移问题 . 激光,
1980, 3
智能化电容式薄膜厚度在线检测仪
刘冬春 齐轩琴 吴小津 郑义忠
1) X
( 1)
一般在空气中测量, 1= 1, 则式 ( 1) 改为:
因此, 化。
Cx =
do+
K (
aS a- 1) X
( 2)
当 a 固定时, Cx 只随 X 变化而变
图1
将传感器接入开环放大倍数为 A 的运算
放大电路中, 作为反馈元件, CS 是温度系数可
忽略不计固定电容, V S 是交流万分之一稳幅信 号源电压, V o 是输出信号电压, 在 A 和输入阻
对平台表面平面度误差进行测量实验。测量面 积为: 2040×825mm , 测量点数为 7×4= 28。测 量结果见下表。经实验结果表明, 该仪器的测 量不确定度可达 2. 5×10- 6 。
图7
图6
四、实验结果
1, 双光束补偿效果的实验及对称中心线稳 定性实验
接收靶距扫描头的距离为 2. 8m 和 5. 6m 处, 不改变距离及接收靶的位置。步进电机做 扫描运动, 进行定点长时间采样, 时间为 2 小 时, 采样次数为 100 次。经数据处理结果, 在 5. 6m 处, 没经补偿的上下两光束最大变动量 为 106 m, 经补偿后的最大变动量为 6 m 。补 偿效果很好, 大大提高了激光的准直准确度。图 7、图 8 所示为实验结果。从实验结果看准直不 确定度可达 1. 8×10- 6。
q= ( qx , qy , qz ) T N= ( Nx, Ny , Nz ) T 经过计算得出以下结果: 上束光转换矩阵为 r 上
01 r 上=
-1 0 下束光转换矩阵为 r 下
0 1 r 下= 1 0 从计算结果看, 两束输出光是对称的。 图 3 所示, 输入光发生角漂、平移及扫描 头摆动时, 采用此特殊光路组成的扫描头, 其
( I 1 - I 4) I 1+ I 2 +
( I 2I3+ I4
I 3)
<
式中, 为给定的误差。
图2
矢量形式的反射定理为 q′= q- 2( q·N) N q= ( q′x, q′y , q′z ) T
式中, q 为入射光线矢量; q′为反射光线矢量; N 为反射面法线矢量。 矩阵形式的反射定理为
当入射光发生角漂或扫描头发生摆动时, 由于经过这样一个光路系统的上光束和下光束 所经过的反射次数不同, 最后使输出的上光束 和下光束发生对称上下漂移 ( 或下上漂移) , 而 且对称中心线保持不变, 其对称中心线在扫描 过程中所形成的平面, 即基准平面也保持不变, 从而得到了补偿的效果, 提高了平面度测量准 确度。此两束输出光用两个二象限的光电池接 收, 再由后续电路处理。
图4
图5
计算机控制步进电机驱动丝杠螺母机构, 使光电池座作向上或向下移动, 直到满足上式
6
计量技术 1998. № 12
为止, 步进电机停止运动。此时与光电池座连 在一起的位移传感器的测头的读数, 即为此被 测点相对扫描头光束基准平面的高低变化量, 最后由计算机进行数据处理。图 5 为检测原理 框图, 图 6 为其软件流程框图。
- 573 - 555 - 526 - 442 - 407 - 379 - 338
- 493 - 461 - 448 - 452 - 488 - 414 - 419
平面度误差 F = 216. 3 m
结论: 经过大量实验及与高精度双频干涉 仪的比对, 从实验结果和比对结果, 说明该仪 器稳定可靠, 其不确定度≤2. 5×10- 6 。符合原
[ 2] Chan W K , Liu C Y . Wong Y W. Charact er ist ics of t hin fi lm probe w ith t emperat ure com pens at ion. Flow M easuremen t and Ins t rument at ion. 1995 V . 6, №2, 137-140
一、电容测微仪原理
电容传感器, 是按平行板电容器的原理构
成的。如图 1 所示, 其中 1 和 2 是固定电极, 极
板的面积为 S , 3 是厚度为 X 相对介电常数为 a 的被测薄膜, 两固定极板的距离为 d o, 传感
器置于相对介电常数为 1 的介质中, 此时电容
量为:
Cx =
do
K 1 aS 1+ ( a-
[ 3] Zhang X Z, Wu Y . M easu rement of liquid fil m velocit y and th ickn es s in an nular f low . FLO M EK O ' 93, K orea, 559-563
[ 4] Zhang X Z. A m et hod f or solving l apl ace' s equat ion w it h mi xed boundary condit ions in elect romagnetic f low ment er, J Phys D : A ppl Phys , 1989 V ol. 22, 573-576
计量技术 1998. № 12
5
图 2 所示是经简化的光路系统。
输出的两束光仍发生对称的漂移, 起到了补偿 作用, 大大提高扫描准确度。
图3
三、检测系统
图1
此测量仪, 采用二个二象限光电池同时对
两束输出光进行检测, 并通过计算机控制步进
电机带动光电池座作上下移动。如图 4 所示, 当 二个二象限光电池接收到信号不满足下式时,
一归一后的曲线 ( 见图 3, 其中说明与图 2 相 同) 。
四、结 论
本文关于采用电导法测量液膜厚度的理论 分析与实验得到以下结论:
1. 所建立的理论模型可以指导电极结构 的设计。
2. 采用修正电极的方法可以在实际应用 中减少测量误差。
参考文献
[ 1] Hew it t G F. M easu rement of T w o Phase Flow Param et ers. A cademic Press . London, 1978
一、引 言
大型平面平面度测量一直是较难解决的问 题, 本文采用双光束补偿法。利用特殊的光路 组成的扫描头, 使激光通过此光路后, 产生对 称输出的两束光。当存在入射光发生角漂或扫 描头发生摆动等因素时, 输出的两束光发生对 称上下漂移, 其中心线保持不变, 故其扫描形 成的基准平面也保持不变, 大大提高了测量准 确度。经实验结果证明, 测量不确定度小于 2. 5 ×10-6 。
- 487 - 462 - 449 - 453 - 477 - 414 - 411
平面度误差 F= 217. 1 m
计量技术 1998. № 12
7
表 3
单位 m
- 671 - 648 - 605 - 556 - 489 - 392 - 278
- 632 - 647 - 621 - 523 - 450 - 403 - 294
抗 Zi 很大的情况下:
V o=
-
1/ j 1/ j
C C
x S
V
S
=
-
CS Cx
V
S
4
测试与设备
计量技术 1998. № 12
大平面平面度测量系统
刘兴占 梁晋文 陈博一 花国粱 何树荣等
( 清华大学精密仪器系, 北京 100084)
摘 要 本文提出一种新的高精度大型平面 扫描仪。利用双光束补偿系统, 扫描头由一特殊光路组成。 当入射光发生角漂或扫描头发生摆 动等, 输出的两束光发生对称上下漂移, 其中心线扫描形成的基准平 面保持不变。测量不确定度小于 2. 5×10-6。 关键词 双光束补偿 准直 大平面 扫描 仪 平面度
二、原 理
图 1 所示为光路原理图, 它是由平面镜 1、 半五角标准镜 2、五角棱镜 3 和平面反射镜 4 组成。经过普通准直后的激光束, 经直角棱镜
反射, 进入五角棱镜 3, 再经五角棱镜内部反射 后, 射出为上光束。另外, 当光束到达五角棱 镜时, 除了进入五角棱镜的一束光外, 还有一 束反射光经平面反射镜 4 反射到平面镜 1 的上 表面 ( 此表面镀有半透半反射膜, 而且要求对 斜入射光全反射) , 经此表面反射后, 进入半五 角棱镜 2, 反射后射出为下光束。
2, 对大平面平面度误差实验 将测量仪固定在一台进口的气浮平台上,
图8
表1
单位 m
- 626 - 629 - 612 - 556 - 483 - 386 - 254
- 640 - 656 - 594 - 528 - 449 - 404 - 305
- 587 - 566 - 532 - 447 - 442 - 394 - 331
( 天津理工学院, 天津 300191) ( 天绍了用电容测微仪和单片机 构成的薄膜厚度在线检测系统。重点介绍 了非接触式电容 传感器原理及在本系统中的应用实例, 简要说明了单 片机的组成及与电容测微仪的接口。 关键词 非接触 电容测微仪 智能化
薄膜的厚度检测, 多采用接触测量, 测量 中由于测量力的作用产生变形, 使得测量不够 精确, 而且是被动测量, 不能直接控制生产。我 们将电容测微仪与单片机结合, 用于薄膜厚度 的非接触在线检测。其测量范围从几微米到几 千微米, 分辨力在几微米至零点几微米。
设计各项指标的要求。
参考文献
[ 1] 徐 家复 . 双 光束 精密 激 光准 直技 术 . 应 用激 光 联刊, 1983, 2
[ 2] W. Fobin, E. Hier holz, A ut omat ic M easuremen t of Body surf ace U s ing Rast erst es t ereograph y, PE RS , 1983
- 504 - 472 - 480 - 461 - 465 - 421 - 415
平面度误差 F= 216. 3 m
表2
单位 m
- 660 - 646 - 594 - 563 - 491 - 391 - 272
- 647 - 657 - 598 - 529 - 550 - 384 - 289
- 579 - 553 - 514 - 442 - 407 - 396 - 332