現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

作者：西北工業(yè)大學(xué) 黎永前朱名銓 信息來源:無憂測(cè)量  2007-6-21

    內(nèi)容摘要：現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù)是一門集光學(xué)、電子、傳感器、圖像、制造及計(jì)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(cè)量?jī)x器具有精密化、集成化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）是適應(yīng)上述發(fā)展趨勢(shì)的典型代表，它幾乎可以對(duì)生產(chǎn)中的所有三維復(fù)...

    現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù)是一門集光學(xué)、電子、傳感器、圖像、制造及計(jì)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(cè)量?jī)x器具有精密化、集成化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）是適應(yīng)上述發(fā)展趨勢(shì)的典型代表，它幾乎可以對(duì)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(cè)量。發(fā)展高速坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。同時(shí)，作為下世紀(jì)的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)，各 在微/納米測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域開展了廣泛的應(yīng)用研究。

    1 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的最新發(fā)展

    三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為幾何尺寸數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備在機(jī)械制造領(lǐng)域得到推廣使用，而科學(xué)研究和機(jī)械制造行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步又對(duì)CMM提出更多新的要求，作為測(cè)量機(jī)的制造者就需要不斷將新技術(shù)應(yīng)用于自己的產(chǎn)品以滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要。

    1.1 誤差自補(bǔ)償技術(shù)

    德國(guó)Carl Zeiss公司最近開發(fā)的CNC小型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用熱不靈敏陶瓷技術(shù)（Thermally insensitive ceramic technology），使坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度在17.8～25.6℃范圍不受溫度變化的影響。國(guó)內(nèi)自行開發(fā)的數(shù)控測(cè)量機(jī)軟件系統(tǒng)PMIS包括多項(xiàng)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別和優(yōu)化技術(shù)。

    1.2 豐富的軟件技術(shù)

    Carl Zeiss公司開發(fā)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)軟件STRATA-UX，其測(cè)量數(shù)據(jù)可以從CMM直接傳送到隨機(jī)配備的統(tǒng)計(jì)軟件中去，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)給出的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與管理，根據(jù)要求對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。依據(jù)此數(shù)據(jù)庫，可自動(dòng)生成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)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(guó)Brown & Sharp公司的Chameleon CMM測(cè)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(jì)50多個(gè)測(cè)量模塊。日本Mitutoyo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(shí)際值與要求測(cè)量值之間的比較，具有多種輸出方式。

    1.3 系統(tǒng)集成應(yīng)用技術(shù)

    各坐標(biāo)測(cè)量機(jī)制造商獨(dú)立開發(fā)的不同軟件系統(tǒng)往往互不相容，也因知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問題，這些工程軟件是封閉的。系統(tǒng)集成技術(shù)主要解決不同軟件包之間的通信協(xié)議和軟件翻譯接口問題。利用系統(tǒng)集成技術(shù)可以把CAD、CAM及CAT以在線工作方式集成在一起，形成數(shù)學(xué)實(shí)物仿形制造系統(tǒng)，大大縮短了模具制造及產(chǎn)品仿制生產(chǎn)周期。

    1.4 非接觸測(cè)量

    基于三角測(cè)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(cè)量及用于模具特征線的識(shí)別。該方法克服了接觸測(cè)量的局限性。將激光雙三角測(cè)量法應(yīng)用于1700mm×1200mm×200mm測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)復(fù)雜曲面輪廓進(jìn)行測(cè)量，其精度可高于1μm。英國(guó)IMS公司生產(chǎn)的IMP型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以配用其他廠商提供的接觸式或非接觸式探頭。

    2 微/納米級(jí)精密測(cè)量技術(shù)

    科學(xué)技術(shù)向微小領(lǐng)域發(fā)展，由毫米級(jí)、微米級(jí)繼而涉足到納米級(jí)，即微/納米技術(shù)。微/納米技術(shù)研究和探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的功能尺寸與分辨能力達(dá)到微米至納米級(jí)尺度，使 類在改造自然方面深入到原子、分子級(jí)的納米層次。

    納米級(jí)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(jí)發(fā)展到現(xiàn)有的幾個(gè)納米數(shù)量級(jí)。金剛石車床加工的超精密衍射光柵精度已達(dá)1nm，實(shí)驗(yàn)室已經(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(jí)和納米級(jí)的測(cè)量技術(shù)與設(shè)備。具有微米及亞微米測(cè)量精度的幾何量與表面形貌測(cè)量技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如HP5528雙頻激光干涉測(cè)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?yàn)閽呙杷淼里@微鏡（STM,Scanning Tunning Microscope）、掃描探針顯微鏡（SPM，Scanning Probe Microscope）和原子力顯微鏡（AFM，Atomic Force Microscope）用來直接觀測(cè)原子尺度結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，使得進(jìn)行原子級(jí)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)。

    2.1 掃描探針顯微鏡

    1981年美國(guó)IBM公司研制成功的掃描隧道顯微鏡（STM），把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(dá)到0.1nm和0.01nm，即可以分辨出單個(gè)原子），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(dòng)了納米技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。與此同時(shí)，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(cè)表面或界面納米尺度上表現(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(shí)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(cè)導(dǎo)體和半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)的缺陷，Binnig等人發(fā)明了AFM，AFM利用微探針在樣品表面劃過時(shí)帶動(dòng)高敏感性的微懸臂梁隨表面的起伏而上下運(yùn)動(dòng)，通過光學(xué)方法或隧道電流檢測(cè)出微懸臂梁的位移，實(shí)現(xiàn)探針尖端原子與表面原子間排斥力檢測(cè)，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(guó)科學(xué)院化學(xué)所研制成功國(guó)內(nèi)首臺(tái)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(cè)量系統(tǒng)，可自校準(zhǔn)和進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的計(jì)量型原子力顯微鏡可使目前納米測(cè)量技術(shù)定量化。利用類似AFM的工作原理，檢測(cè)被測(cè)表面特性對(duì)受迫振動(dòng)力敏元件產(chǎn)生的影響，在探針與表面10～100nm距離范圍，可以探測(cè)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（MFM，Magnetic Force Microscope）、靜電力顯微鏡（EFM，Electrostatic Force Microscope）、摩擦力顯微鏡（LFM，Lateral Force Microscope）等，統(tǒng)稱為掃描力顯微鏡（SFM，Scanning Force Microscope）。

    （2）光子掃描隧道顯微鏡（PSTM，Photon Scanning Tunning Microscope）

    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(cè)樣品表面附近被全內(nèi)反射所激起的瞬衰場(chǎng)，其強(qiáng)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）其他顯微鏡

如掃描隧道電位儀（STP，Scanning Tunning Potentiometry）可用來探測(cè)納米尺度的電位變化；掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（SICM，Scanning Ion_Conductation Microscope）適用于進(jìn)行生物學(xué)和電生理學(xué)研究；掃描熱顯微鏡(Scanning Thermal Microscope)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，Ballistic Electron Emission Miroscope）則是目前唯一能夠在納米尺度上無損檢測(cè)表面和界面結(jié)構(gòu)的先進(jìn)分析儀器，國(guó)內(nèi)也已研制成功。

    2.2 納米測(cè)量的掃描X射線干涉技術(shù)

    以SPM為基礎(chǔ)的觀測(cè)技術(shù)只能給出納米級(jí)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?yàn)榈侥壳盀橹谷鄙僖环N簡(jiǎn)便的納米精度（0.10～0.01nm）尺寸測(cè)量的定標(biāo)手段。美國(guó)NIST和德國(guó)PTB分別測(cè)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(duì)220晶間距進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其18天的變化不超過0.1fm。實(shí)驗(yàn)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(cè)量技術(shù)是微/納米測(cè)量中的一項(xiàng)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(cè)量單位，加上X射線波 比可見光波波長(zhǎng)小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，有可能實(shí)現(xiàn)0.01nm的分辨率。該方法較其他方法對(duì)環(huán)境要求低，測(cè)量穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一種很有潛力的方便的納米測(cè)量技術(shù)。自從1983年D.G.Chetwynd將其應(yīng)用于微位移測(cè)量以來，英、日、意大利相繼將其應(yīng)用于納米級(jí)位移傳感器的校正。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)測(cè)試技術(shù)與儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在1997年5月利用自己研制的X射線干涉器件在國(guó)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(cè)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(cè)量，如拋光表面、精研表面等，測(cè)量表面輪廓高度變化最小可達(dá)0.5nm，橫向（X，Y向）測(cè)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(cè)量中，其分辨率可達(dá)0.1nm數(shù)量級(jí)。

    2.3 光學(xué)干涉顯微鏡測(cè)量技術(shù)

    光學(xué)干涉顯微鏡測(cè)量技術(shù)，包括外差干涉測(cè)量技術(shù)、超短波長(zhǎng)干涉測(cè)量技術(shù)、基于F-P（Febry-Perot）標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量技術(shù)等，隨著新技術(shù)、新方法的利用亦具有納米級(jí)測(cè)量精度。

    外差干涉測(cè)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(cè)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(cè)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，Scanning Electric Microscope）可使幾十個(gè)原子大小的物體成像。

    美國(guó)ZYGO公司開發(fā)的位移測(cè)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(cè)量，適于納米技術(shù)在半導(dǎo)體生產(chǎn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)量技術(shù)一個(gè)重要研究對(duì)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(cè)試技術(shù)的納米分析技術(shù)目前尚不成熟。國(guó)外在此領(lǐng)域主要開展用于晶體缺陷的激光掃描層析（Laser Scanning Tomograph）技術(shù)，用于研究樣品頂部幾個(gè)微米之內(nèi)缺陷情況的納米激光雷達(dá)技術(shù)（Nanoladar），其探測(cè)尺度分辨率均可達(dá)到1nm。

    3 圖像識(shí)別測(cè)量技術(shù)

    隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，幾何尺寸與形位測(cè)量已從簡(jiǎn)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(cè)量，從宏觀物體發(fā)展到微觀領(lǐng)域。被測(cè)物體圖像中即包含有豐富的信息，為此，正確地進(jìn)行圖像識(shí)別測(cè)量已經(jīng)成為測(cè)量技術(shù)中的重要課題。圖像識(shí)別測(cè)量過程包括：（1）圖像信息的獲?。唬?）圖像信息的加工處理，特征提??；（3）判斷分類。計(jì)算機(jī)及相關(guān)計(jì)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(shí)別模型及數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)。

    圖像測(cè)量系統(tǒng)一般由以下結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。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(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的處理和顯示；反饋系統(tǒng)包括溫度誤差補(bǔ)償，攝像系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦等功能；載物工作臺(tái)具有三坐標(biāo)或多坐標(biāo)自由度，可以精確控制微位移。

    3.1 CCD傳感器技術(shù)

    物體三維輪廓測(cè)量方法中，有三坐標(biāo)法、干涉法、莫爾等高線法及相位法等。而非接觸電荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）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(diǎn)。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(shí)別測(cè)量系統(tǒng)中。在對(duì)物體三維輪廓尺寸進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采用軟件或硬件的方法，如解調(diào)法、多項(xiàng)式插值函數(shù)法及概率統(tǒng)計(jì)法等，測(cè)量系統(tǒng)分辨率可達(dá)微米級(jí)。也有將CCD應(yīng)用于測(cè)量半導(dǎo)體材料表面應(yīng)力的研究。

    3.2 全息照相技術(shù)

    全息照相測(cè)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(cè)物體的空間像。激光具有極好的空間相干性和時(shí)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。

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