Eine Mikro-Verschiebungsmessung auf Basis der Schattentechnik

Zusammenfassung

Die hochpräzise Mikrowegmessung ist im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik, der Ultrapräzisionsbearbeitung und der Mikromontage von großer Bedeutung. Das vorliegende Protokoll beschreibt die Messung von Mikroverschiebungen auf Basis der Schattentechnik.

Zusammenfassung

Die Präzisionsmessung der Mikroverschiebung ist im wissenschaftlichen und industriellen Bereich von großer Bedeutung. Aufgrund des komplexen Designs und der hohen Kosten für Messgeräte ist dies jedoch eine große Herausforderung. Inspiriert von dem Schatten, der von Wasserläufern gebildet wird, die unter Sonnenlicht auf einer Wasseroberfläche laufen, wurde eine Methode zur Messung der Mikroverschiebung vorgeschlagen. Wasserläuferbeine mit superhydrophoben Eigenschaften biegen die Wasseroberfläche. Die gewölbte Oberfläche des Wassers bricht das Sonnenlicht und erzeugt einen Schatten mit einer hellen Kante am Boden des Teiches. Die Schattengröße ist in der Regel größer als die Eindringtiefe der Beine von der Wasseroberfläche. Beim Mikro-Verschiebungsmesssystem ist die angewendete Verschiebung proportional zur Änderung des Schattendurchmessers. Die vorliegende Studie schlägt ein Verfahren zur Messung der Mikroverschiebung vor, das auf dieser Schattentechnik basiert. Die Verschiebungsempfindlichkeit kann 10,0 nm/Pixel im Bereich von 5 μm erreichen. Dieses System ist einfach zu konstruieren, kostengünstig und hat eine hohe Präzision bei guter linearer Leistung. Die Methode bietet eine komfortable zusätzliche Möglichkeit, Mikroverschiebungen zu messen.

Einleitung

Präzise Wegmessungen spielen in den Bereichen Luft- und Raumfahrttechnik¹, Ultrapräzisionsbearbeitung² und Mikromontage³ eine wichtige Rolle. Die strukturelle Verformung muss für die Überwachung des strukturellen Zustands genau gemessen werden⁴. Mikrowegmessungen mit hoher Präzision bleiben jedoch aufgrund des komplexen Aufbaus und der hohen Kosten der Messgeräte eine große Herausforderung⁵.

Die Mikrowegmesstechnik kann in konventionelle und unkonventionelle Methoden unterteilt werden. Herkömmliche Verfahren wie magnetische, kapazitive, induktive und elektrische Sensoren sind anfällig für elektromagnetische Störungen⁶. Bei unkonventionellen Verfahren handelt es sich vor allem um optische Verfahren, wie z.B. das faserbasierte Verfahren und das Laserverfahren.

Ke Tian et al. entwarfen eine ballonförmig gebogene Multimode-Faserstruktur zur Messung der Mikroverschiebung, deren Verschiebungsempfindlichkeit experimentell 0,51 dB/μm bei einem Messbereich von 0-100 μm erreichen konnte⁷. Allerdings müssen zunächst die Größe und die Kosten des faseroptischen Demodulators berücksichtigt werden; Und es war nicht einfach, den thermischen Effekt zu eliminieren. Qianbo Lu et al. schlugen einen Wegsensor mit einer Auflösung von unter einem Nanometer vor, der auf einem interferometrischen Gitterresonator basiert und dessen Empfindlichkeit durch die Intensitätskompensation und Phasenmodulation 44,75 mV/nm erreichen könnte⁸. Das Laserinterferometer ist eines der gebräuchlichsten Mikro-Verschiebungsinstrumente mit nanoskaliger Auflösung. Der Reflektor erfordert jedoch eine komplizierte Signalverarbeitung, und die Streifenauflösung der Interferometrie schränkt ihre Anwendungsmöglichkeiten^{ein 9}. Daher wird ein alternatives, einfach aufgebautes, kostengünstiges und hochpräzises Messsystem benötigt.

In diesem Artikel wird ein Mikro-Verschiebungsmessverfahren vorgeschlagen, das auf der Schattentechnik 10,11,12,13 basiert und einfach, kostengünstig und hochpräzise mit guter linearer Leistung ist. Diese Methode wurde von Wasserläufern inspiriert, die auf der Wasseroberfläche laufen. Wasserläuferbeine mit superhydrophoben Eigenschaften biegen die Wasseroberfläche. Die gewölbte Oberfläche des Wassers bricht das Sonnenlicht und erzeugt einen Schatten mit einer hellen Kante am Boden des Teiches. Die Schattengröße ist im Allgemeinen viel größer als die Eindringtiefe der Beine von der Wasseroberfläche 14,15,16. Im System waren die angelegte Verschiebung und die Änderung des Schattendurchmessers proportional, was durch das Kalibrierungsexperiment verifiziert wurde. Die Forschung deutet darauf hin, dass diese Methode eine Alternative zur präzisen Messung der Mikroverschiebung darstellt.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protokoll

1. Vorbereitung des PDMS-Stücks

1. Bereiten Sie das Polymer Polydimethylsiloxan (PDMS, siehe Materialtabelle) vor, indem Sie die Base und das Härter (mit einer Waage) im Verhältnis 30:1 in einem quaderförmigen Polycarbonat (PC)-Behälter wiegen.
   HINWEIS: Die Behältergröße beträgt 60 mm × 45 mm × 15 mm. Die Höhe der Mischung beträgt ca. 10 mm.
2. Die PDMS-Mischung in einem Mixer ca. 20 min mixen, bis sie mit Blasen gefüllt ist.
3. Verwenden Sie eine Vakuumpumpe, um etwa 30 Minuten lang Blasen aus der Mischung zu entfernen (siehe Materialtabelle).
4. Das PDMS bei 65 °C Ofen 4 h lang aushärten.
5. Verwenden Sie das im PC-Container gebildete PDMS-Stück als verschiebungsempfindliches Element (Schritt 2.1).
   HINWEIS: Die PDMS-Stückgröße beträgt 60 mm × 45 mm × 10 mm.

2. Experimentelle Vorbereitung zur Messung der Mikroverschiebung

1. Sammeln Sie alle Module/Komponenten des Messsystems, einschließlich einer parallelen Lichtquelle, einer Aperturblende mit einem Durchmesser von 0,7 mm, einem Stück PDMS (dem wegempfindlichen Element), einer Werkbank mit drei starren zylindrischen Beinen, einer Kamera, einem vertikalen Präzisionspositionierer, motorisierten Tischen und anderen Komponenten (siehe Materialtabelle), wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 gezeigt.
2. Platzieren Sie die handelsübliche Werkbank (siehe Materialtabelle) auf dem PDMS.
   HINWEIS: Die Oberfläche des PDMS wird durch die Beine der Werkbank gebogen. Die Werkbank wird durch die Bearbeitung von Aluminium erhalten. Der Durchmesser der starren zylindrischen Beine beträgt 0,5 mm, was so klein wie möglich sein muss.
3. Verbinden Sie die parallele Lichtquelle mit der Aperturblende, um einen parallelen Lichtstrahl mit einem bestimmten Durchmesser vertikal zu einem der starren zylindrischen Beine abzugeben.
   HINWEIS: Der Durchmesser des parallelen Lichtstrahls beträgt 0,7 mm, was so klein wie möglich sein muss.
4. Platzieren Sie die parallele Lichtquelle etwa 50 mm über der PDMS-Oberfläche, indem Sie die motorisierten Tische der Werkbank einstellen.
   HINWEIS: Die gebogene Oberfläche bricht das parallele Licht und erzeugt einen Schatten mit einer hellen Kante, der in Abbildung 3 dargestellt ist.
5. Platzieren Sie die Kamera direkt in einem Winkel von 260 mm unter dem PDMS, um das Bild des Schattens aufzunehmen. Passen Sie die Vergrößerung des Kameraobjektivs so an, dass der Schatten das gesamte Bild ausfüllt.
   HINWEIS: Die Pixelgröße und die Auflösung der Kamera betragen ca. 3,72 μm bzw. 4.000 × 6.000 μm.
6. Befestigen Sie den vertikalen Präzisionspositionierer mit einer Auflösung von 0,2 nm über der Werkbank, um die Verschiebungsempfindlichkeit zu kalibrieren (Schritt 4).

3. Bildbearbeitung

1. Konvertieren Sie das Farbfoto des Schattens mit einer Bildverarbeitungssoftware in ein Graustufenbild (siehe Materialtabelle).
   1. Klicken Sie auf den Start-Button der Software, um das Schattenbild zu bearbeiten und den Schattendurchmesser direkt zu erhalten.
      HINWEIS: Der Code der Bildverarbeitungsschritte ist in die Software integriert.
2. Führen Sie die Vorverarbeitung des Bildes durch, einschließlich Gaußscher Filterung, um das Rauschen zu entfernen, und Bildverbesserung, um den Bildkontrast zu verbessern¹².
3. Verwenden Sie den Operator "Geschickt", um den Verlauf jedes Pixels zu berechnen und Kantenkontursätze unter dem Pixel zu erhalten. Nicht-Kantenpixel basierend auf der nicht maximalen Unterdrückung¹² ausschließen.
4. Beseitigen Sie die Kantenkonturen, die nicht Teil der Schattenkanten sind, indem Sie einen bestimmten Längenschwellenwert festlegen.
5. Passen Sie den Schattendurchmesser an die Anpassung der kleinsten Quadrate der Kreise¹⁷ an.

4. Kalibrierung der Verschiebung

1. Stellen Sie den vertikalen Präzisionspositionierer (siehe Materialtabelle) so ein, dass er die Ladetaste der Werkbank berührt.
2. Erfassen Sie das aktuelle Schattenbild als Referenzbild.
3. Treiben Sie die Werkbank so an, dass sie sich in 1-μm-Schritten nach unten bewegt, bis der Abstand zwischen der Werkbank und dem vertikalen Präzisionspositionierer 5 μm beträgt.
4. Nehmen Sie die Fotos des Schattens bei jedem Schritt mit der Kamera auf.
5. Wiederholen Sie das Experiment fünfmal.
6. Passen Sie die Ergebnisse an, um die Beziehung zwischen der Verschiebungsausgabe des vertikalen Präzisionspositionierers und der Änderung des Schattendurchmessers gemäß Gleichung 4 zu erhalten (siehe Repräsentative Ergebnisse).
   HINWEIS: Von hier aus wird die Verschiebungsempfindlichkeit k erhalten.

5. Messung der Mikroverschiebung

1. Trennen Sie den Kontakt zwischen dem vertikalen Präzisionspositionierer und dem Lastknopf der Werkbank.
2. Erfassen Sie das aktuelle Schattenbild als Referenzbild.
3. Stellen Sie den motorisierten Lineartisch (Auflösung, 0,625 μm) so ein, dass er die Lasttaste berührt.
   HINWEIS: In der vorliegenden Studie wurde ein kommerziell erhältlicher motorisierter Lineartisch (siehe Materialtabelle) verwendet, um die Mikroverschiebungsmessung zu demonstrieren. Die Benutzer können jedoch für viele gängige Proben messen, die eine Mikroverschiebungsmessung erfordern.
4. Erfassen Sie das aktuelle Bild des Schattens aufgrund der Mikroverschiebung.
   HINWEIS: Sobald das Prüfmuster mit der Ladetaste in Berührung kommt, bewegt sich die Werkbank. Der Schattendurchmesser ändert sich durch Mikroverschiebung. Dann wird das Schattenbild aufgenommen und der Schattendurchmesser bestimmt.
5. Bestimmen Sie die Änderung des Schattendurchmessers durch Bildverarbeitung (Schritt 3) und berechnen Sie die Mikroverschiebung gemäß der kalibrierten Verschiebungsempfindlichkeit k und Gleichung 4.
   HINWEIS: Das Z in Gleichung 4 ist die Mikroverschiebung.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Ergebnisse

Gemäß dem Protokoll kann die Empfindlichkeit des Mikrowegmesssystems kalibriert und die Mikroverschiebung gemessen werden. Die Schattenmethode bei der Mikroverschiebungsmessung wird wie folgt dargestellt. Abbildung 3 zeigt den Wegweg von parallelem Licht durch die PDMS-verformte Oberfläche aufgrund der angewendeten Verschiebung. Durch die Brechung des parallelen Lichts entsteht ein Schatten mit einer hellen Kante. Die explizite Lösung der Verschiebungen ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Diskussion

Dieses Protokoll schlug ein Mikro-Verschiebungsmesssystem vor, das auf der Schattentechnik basiert. Die Verschiebungskalibrierung ist der kritische Schritt innerhalb des Protokolls, um die Verschiebungsempfindlichkeit und den Messbereich zu erhalten. Die Verschiebungsempfindlichkeit kann verbessert werden, indem die Durchmesser der zylindrischen Schenkel und der des parallelen Lichtstrahls reduziert und der Arbeitsabstand auf der Grundlage von Gleichung 4 vergrößert wird. Darüber hina...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aperture diaphragm	Processed by high precision grinding		The diameter of the aperture is 0.7 mm.
Camera	Canon	EOS80D	The pixel size and the resolution of the camera are about 3.72 μm and 4000 × 6000, respectively.
HALCON	MVTec Software GmbH	18.11	MVTec HALCON is the comprehensive standard software for machine vision with an integrated development environment (HDevelop) that is used worldwide.
Motorized linear stage	Zolix	TSA50-C	Resolution 0.625 μm
Parallel light source	Oriental Technology (Shanghai) Co, Ltd.	BTPL-50G	The peak wavelength is 523 nm.
Polydimethylsiloxane (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184	PDMS is a transparent silicon-based crosslinked polymer.
Vacuum pump	SHANGHAI LICHEN-BX INSTRUMENT TECHONOLOGY CO.,Ltd	2XZ-6B	The pumping rate is 6 L/s.The ultimate vacuum is ≤1 Pa
Vertical precision positioner	PI	P-620.ZCD	The resolution is 0.2 nm in the range of 50 μm.
Workbench with three rigid cylindrical legs	Processed by high precision grinding		The diameter of legs is 0.5 mm. The legs are distributed on the trisection points of a circle with a radius of 14 mm