精密測量技術(shù)

1、精密測量技術(shù)一、背景研究隨著社會的發(fā)展，普通機械加工的加工誤差從過去的m級向“m級發(fā)展，精密加工則從10 p,m級向爐級發(fā)展，超精密加工正在向nm級工藝發(fā)展。由此，制造 業(yè)對精密測量儀器的需求越來越廣泛， 同時誤差要求也越來越高。精密測量是精 密加工中的重要組成部分，精密加工的誤差要依靠測量準確度來保證。目前，對于測量誤差已經(jīng)由“仃級向nm級提升，而且這種趨勢一年比一年迅猛 。二、概述現(xiàn)代精密測量技術(shù)是一門集光學、電子、傳感器、圖像、制造及計算機技術(shù) 為一體的綜合性交叉學科，它和精密超精密加工技術(shù)相輔相成，為精密超精密加 工提供了評價和檢測手段；精密超精密加工水平的提高又為精密測量提供了有力

2、的儀器保障?，F(xiàn)代測量技術(shù)涉及廣泛的學科領(lǐng)域，它的發(fā)展需要眾多相關(guān)學科的 支持，在現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)和科學研究中，測量儀器具有精密化、集成化、智能 化的發(fā)展趨勢，作為下世紀的重點發(fā)展目標，各國在微/納米測量技術(shù)領(lǐng)域開展 了廣泛的應用研究。三、測量技術(shù)及應用特點3.1掃描探針顯微鏡1981年美國IBM公司研制成功的掃描隧道顯微鏡（STM）,將人們帶到了微觀 世界。STM具有極高的空間分辨率（平行和垂直于表面的分辨率分別達到0.1 nm和0.01 nm,即可分辨出單個原子），廣泛應用于表面科學、材料科學和生命科學等研 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 原理與結(jié)構(gòu)

3、，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界 面納米尺度上表現(xiàn)出來性質(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，成為人類認識微觀世界的有力工具。下面 介紹幾種具有代表性的掃描探針顯微鏡。原子力顯微鏡(AFM):AFM利用微探針在樣品表面劃過時帶動高敏感性 的微懸臂梁隨表面起伏而上下運動，通過光學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。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元件產(chǎn)生的影響，在探 針與表面10100nm距離范圍，可探測到樣品表面存在的靜電力

4、、 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。(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，而前者利用光子隧道效應探測樣品表面附近被全內(nèi)反射所激 起的瞬衰場，其強度隨距界面的距離成函數(shù)關(guān)系，獲得表面結(jié)構(gòu)信息。(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 描離子電導顯微鏡(SICM)適用于進行生物學和電生理學研究；掃描熱顯微鏡 (STM)已經(jīng)獲得血紅細胞的表面結(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界面結(jié)構(gòu)的先進

5、分析儀器，國內(nèi)也已研制成 功。3.2納米測量的掃描X射線干涉技術(shù)以SPM為基礎(chǔ)的觀測技術(shù)只能給出納米級分辨率，不能給出表面結(jié)構(gòu)準確的 納米尺寸，是因為到目前為止缺少一種簡便的納米精度 (0.100.01 nm)尺寸測量 的定標手段。美國NIST和德國PTB分別測得硅(220)晶體的晶面間距為 192015.560 012fm和 192015.902 019fm(飛米fm 也叫費米，是長度單位,1fm相 當于1015m)。日本NRLM在恒溫下對220晶間距進行穩(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/納米測量中一項新

6、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2個數(shù)量 級，有可能實現(xiàn)0.01 nm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,是一種很有潛力方便的納米測量技術(shù)。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0.5nm，橫向(X ,Y向)測量精度可達0.31.0 m。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0.1 nm數(shù)量級。3.3光學干涉顯微鏡測量技術(shù)光學干涉顯微鏡測

7、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標準的測量技術(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 0.1 nm分辨率;基于頻率跟蹤的F-P標準具測量技術(shù)具有極高的靈敏度和準確度，其 精度0.001nm，其測量范圍受激光器調(diào)頻范圍的限制，僅有0.1 m。而掃描電子顯 微鏡(SEM )可使幾十個原子大小物體成像。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1.1 m/s的高速下測量，適于納米技術(shù)在半導 體生產(chǎn)、數(shù)據(jù)存儲硬盤和精密機械中的應用。目前，在微/納米機械中

8、，精密測量技 術(shù)的一個重要研究對象是微結(jié)構(gòu)的機械性能與力學性能、諧振頻率、彈性模量、 殘余應力及疲勞強度等。微細結(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(LST)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 激光雷達技術(shù)，其探測尺度分辨率均可達 1nm。3.4雙頻激光干涉儀與超精密光柵尺雙頻激光干涉儀測量精度高，測量范圍大，因此常用于超精密機床作位置測量 和位置控制測量反饋元件。但激光測量精度與空氣的折射率有關(guān)，而空氣折射率 與濕度、溫度、壓力、二氧化碳含量等有關(guān)。美國 NBS的研究結(jié)果說明當前雙頻

9、 激光干涉儀其光路在空氣中進行了各種休整與補償，其最高精度為8.5 10-8。由于 這種測量方法對環(huán)境要求過高，對生產(chǎn)機床在時間加工中往往過于苛刻，很難加以 保證。近年來光柵技術(shù)得到了很大發(fā)展，傳統(tǒng)自成象原理（莫爾或反射原理）的光柵 尺，其動、靜尺之間的距離受到限制，其距離的允差約為塔耳波特周期（g -8/入的 10%, （g為光柵周期， 為光源波長），例如，LED光源入=90（0 m，光柵條紋間隔 10pm，則動、靜尺間隙距離允差也為10m，這對光柵尺的安裝及運動帶來困難。 目前，衍射掃描干涉光柵采取偏振元件相移原理或附加光柵像相移原理。例如德 國Heide nhaiin公司采用三光柵系統(tǒng)原

10、理和四光柵系統(tǒng)原理的光柵尺可達到很高 的分辨率又有很好的可安裝性。該公司的LIP382線性光柵尺，測量70mm長度，用真 空中激光干涉儀進行測量最大誤差不超過 土 0.1m。這種光柵尺的光柵線周期為 128 nm,分辨率可達1nm,采用Zerodur材料制成幾乎是零膨脹系數(shù)，動、靜尺間隙為 03. .1mm,安裝和使用都很方便。上述2種測量一起，雖然精度高但價格過于昂貴。 炫耀光柵是一種高精度，大范圍的廉價測量儀器。炫耀光柵的定尺?？坛射忼X形 條紋，如5m 50mm,每厘米1000線，而定尺為普通光柵尺，光柵常數(shù)為20 pm。炫耀 光柵的分辨率僅取決于細光柵，因此比較容易實現(xiàn)大范圍、高精度的測

11、量，是一種 有前途廉價化的光柵測量方式。3.5超精密測量用電容測微儀電容測微儀的特點是非接觸測量，精度高、價格低。但測量范圍有限，測量穩(wěn) 定性和漂移常令人不滿意。美國LionPrecision公司的電容測微儀分辨率可達0.5 mm （1Hz頻響），熱漂移每度0.04%滿量程。對于差頻式電容測微儀而言，如何減 少測頭電纜對測量的影響是難題之一，電纜驅(qū)動”技術(shù)可解決該問題。所研制的 儀器采取集成化、小型化測量震蕩器和本機震蕩器的方法，將2個震蕩器與測頭做 在一起，取消原來的測頭電纜。這種測頭的引出電纜送出的是經(jīng)過混頻后的脈沖 信號,這對減少漂移，增加穩(wěn)定性都有很好的效果。小型化后的測頭可以方便地組

12、 成多傳感器測量系統(tǒng)。如圓度的三傳感器測量系統(tǒng)，直線度和平面度的四傳感器測量系統(tǒng)。這些傳感器可以對運動誤差與被測工具形狀誤差進行分離，測得高精度真值0四、高速鐵路軌道精密測量技術(shù)見附件1五、精密測量技術(shù)未來發(fā)展方向精密加工技術(shù)的發(fā)展需要精密測量的發(fā)展與之匹配。市場對測量準確度不斷 提升的需求，也是鞭策研究人員加快開發(fā)高端產(chǎn)品去適應市場的動力。目前，我國在機械測量技術(shù)和儀器方面的自主開發(fā)能力還不強，制造技術(shù)也相對落后。近年來，國外著名儀器制造企業(yè)分別尋求國內(nèi)市場， 形成了國內(nèi)市場上面對面的競 爭趨勢，低技術(shù)含量，低價微利的產(chǎn)品難以應對市場沖擊，國內(nèi)量具兩試件加工工藝條件，硬度大的材料對加工環(huán)境的

13、依賴性較小， 溫度變化對殘余應力產(chǎn)生的 作用不顯著，容易得到高質(zhì)量的表面，但容易產(chǎn)生裂紋，對工件的壽命影響很大。近年來，精密測量技術(shù)發(fā)展迅速，成果喜人。隨著光機電一體化、系統(tǒng)化的 發(fā)展，光學測量技術(shù)有了迅速發(fā)展，相應的測量機產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，測量軟件的開 發(fā)也日益受到重視。利用光學原理開發(fā)的非接觸測量機及各種裝置非常多。如索 尼精密工程公司的非接觸形狀測量機YP20/ 21也是利用半導體激光高速高精密 自動聚焦傳感器的形狀測量機，所有刻度尺均系標準元件，傳感器和載物臺均由 微型計算機控制，具有優(yōu)異的操作性能和數(shù)據(jù)處理功能。 非接觸三坐標測量系統(tǒng) Zip250是-種高剛性、高速、高精密的新型測量機。該機載物臺的承載量為23kg, 刻度尺的分辨力（X、丫、Z軸）均為0.25卩m機上裝配了帶數(shù)碼法蘭盤的CCDS像 機和最新DS處理器，因此可進行高速圖像處理測量，同時也可與接觸式測頭并 用進行相關(guān)測量。例如這些測量儀器在線路測景技術(shù)，已可進行實時測量與顯示。 這種精密測量技術(shù)應用到鐵路上面前景將非常廣闊。其精密測量技術(shù)未來發(fā)展方 向：（1）測量精度由微米級向納米級發(fā)展，測量分辨力進一步提高；（2）由點測量 向面測量過渡(即由長度的精密測量擴展至形狀的精密測量)，提高整體測量精 度；(