Una medición de microdesplazamiento basada en la técnica de la sombra

Resumen

La medición de microdesplazamiento de alta precisión es importante en el campo de la ingeniería aeroespacial, el mecanizado de ultraprecisión y el microensamblaje. El presente protocolo describe la medición de micro desplazamientos basada en la técnica de sombra.

Resumen

La medición precisa de los microdesplazamientos es importante en los campos científicos e industriales. Sin embargo, es un desafío difícil debido al diseño complejo y al alto costo de los instrumentos de medición. Inspirado en la sombra formada por los caminantes acuáticos que caminan sobre una superficie de agua bajo la luz del sol, se propuso un método de medición de microdesplazamiento. Las patas de zancudo acuático con propiedades superhidrofóbicas doblan la superficie del agua. La superficie curva del agua refracta la luz solar, creando una sombra con un borde brillante en el fondo del estanque. El tamaño de la sombra es generalmente mayor que la profundidad de hendidura de las patas desde la superficie del agua. En el sistema de medición de microdesplazamiento, el desplazamiento aplicado es proporcional al cambio en el diámetro de la sombra. El estudio presentado propone un procedimiento de medición de micro-desplazamientos basado en esta técnica de sombra. La sensibilidad de desplazamiento puede alcanzar los 10,0 nm/píxel en el rango de 5 μm. Este sistema es fácil de construir, de bajo costo y tiene alta precisión con buen rendimiento lineal. El método proporciona una opción adicional conveniente para medir el microdesplazamiento.

Introducción

Las mediciones precisas de desplazamiento desempeñan un papel vital en los campos de la ingeniería aeroespacial¹, el mecanizado de ultraprecisión² y el microensamblaje³. La deformación estructural debe medirse con precisión para el monitoreo de la salud estructural⁴. Sin embargo, las mediciones de microdesplazamiento con alta precisión siguen siendo un desafío difícil debido al diseño complejo y al alto costo de los instrumentos de medición⁵.

La técnica de medición de microdesplazamientos se puede dividir en métodos convencionales y no convencionales. Los métodos convencionales, como los sensores magnéticos, capacitivos, inductivos y eléctricos, son susceptibles a la interferencia electromagnética⁶. Los métodos no convencionales son principalmente métodos ópticos, como el método basado en fibra óptica y el método láser.

Ke Tian et al. diseñaron experimentalmente una estructura de fibra multimodo doblada en forma de globo para medir el microdesplazamiento, cuya sensibilidad al desplazamiento podría alcanzar experimentalmente 0,51 dB/μm con un rango de medición de 0-100 μm⁷. Sin embargo, primero se debe considerar el tamaño y el costo del demodulador de fibra óptica; Y no fue fácil eliminar el efecto térmico. Qianbo Lu et al. propusieron un sensor de desplazamiento de resolución subnanométrica basado en una cavidad interferométrica de rejilla, cuya sensibilidad podría alcanzar los 44,75 mV/nm mediante la compensación de intensidad y la modulación de fase⁸. El interferómetro láser es uno de los instrumentos de microdesplazamiento más utilizados con resolución a nanoescala. Sin embargo, el reflector requiere un procesamiento de señal complicado, y la resolución marginal de la interferometría limita sus aplicaciones⁹. Por lo tanto, se necesita un sistema de medición alternativo de construcción simple, de bajo costo y alta precisión.

En este artículo se propone un procedimiento de medición de micro-desplazamiento basado en la técnica de sombra 10,11,12,13 que es simple, de bajo costo, altamente preciso y con buen rendimiento lineal. Este método se inspiró en los zancudos acuáticos que caminaban sobre la superficie del agua. Las patas de zancudo acuático con propiedades superhidrofóbicas doblan la superficie del agua. La superficie curva del agua refracta la luz solar, creando una sombra con un borde brillante en el fondo del estanque. El tamaño de la sombra es generalmente mucho mayor que la profundidad de indentación de las patas desde la superficie del agua 14,15,16. En el sistema, el desplazamiento aplicado y el cambio en el diámetro de la sombra fueron proporcionales, lo que se verificó mediante el experimento de calibración. La investigación indica que este método proporciona una alternativa para medir con precisión el microdesplazamiento.

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Protocolo

1. Preparación de la pieza PDMS

1. Prepare el polímero de polidimetilsiloxano (PDMS, consulte la tabla de materiales) pesando la base y el agente de curado (utilizando una balanza de pesaje) en una proporción de 30:1 en un recipiente de policarbonato (PC) cuboide.
   NOTA: El tamaño del contenedor es de 60 mm × 45 mm × 15 mm. La altura de la mezcla es de unos 10 mm.
2. Mezcle la mezcla de PDMS en una licuadora durante unos 20 minutos hasta que se llene de burbujas.
3. Utilice una bomba de vacío para eliminar las burbujas de la mezcla durante unos 30 minutos (consulte la tabla de materiales).
4. Curar el PDMS a 65 °C durante 4 h.
5. Utilice la pieza PDMS formada en el contenedor de PC como elemento sensible al desplazamiento (paso 2.1).
   NOTA: El tamaño de la pieza PDMS es de 60 mm × 45 mm × 10 mm.

2. Preparación experimental para la medición de microdesplazamientos

1. Reúna todos los módulos/componentes del sistema de medición, incluida una fuente de luz paralela, un diafragma de apertura de 0,7 mm de diámetro, una pieza de PDMS (el elemento sensible al desplazamiento), un banco de trabajo con tres patas cilíndricas rígidas, una cámara, un posicionador de precisión vertical, etapas motorizadas y otros componentes (consulte la Tabla de materiales), como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2.
2. Coloque el banco de trabajo obtenido comercialmente (consulte la Tabla de materiales) en el PDMS.
   NOTA: La superficie del PDMS está doblada por las patas del banco de trabajo. El banco de trabajo se obtiene mediante el mecanizado de aluminio. El diámetro de las patas cilíndricas rígidas es de 0,5 mm, que debe ser lo más pequeño posible.
3. Conecte la fuente de luz paralela con el diafragma de apertura para emitir un haz de luz paralelo con un cierto diámetro verticalmente a una de las patas cilíndricas rígidas.
   NOTA: El diámetro del haz de luz paralelo es de 0,7 mm, que debe ser lo más pequeño posible.
4. Coloque la fuente de luz paralela a unos 50 mm por encima de la superficie del PDMS ajustando las etapas motorizadas del banco de trabajo.
   NOTA: La superficie doblada refracta la luz paralela creando una sombra con un borde brillante, que se muestra en la Figura 3.
5. Coloque la cámara directamente a 260 mm debajo del PDMS para capturar la imagen de la sombra. Ajuste el aumento de la lente de la cámara para que la sombra llene toda la imagen.
   NOTA: El tamaño de píxel y la resolución de la cámara son de aproximadamente 3,72 μm y de 4.000 × 6.000, respectivamente.
6. Fije el posicionador de precisión vertical con una resolución de 0,2 nm por encima del banco de trabajo para calibrar la sensibilidad de desplazamiento (paso 4).

3. Procesamiento de imágenes

1. Convierta la fotografía en color de la sombra en una imagen en escala de grises utilizando un software de visión artificial (consulte la tabla de materiales).
   1. Haga clic en el botón de inicio del software para procesar la imagen de la sombra y obtener el diámetro de la sombra directamente.
      NOTA: El código de los pasos de procesamiento de imágenes está integrado en el software.
2. Realice el preprocesamiento de la imagen, incluido el filtrado gaussiano para eliminar el ruido y la mejora de la imagen para mejorar el contraste de la imagen¹².
3. Utilice el operador Canny para calcular el gradiente de cada píxel y obtener conjuntos de contornos de borde de subpíxeles. Excluya los píxeles que no sean de borde en función de la supresión no máxima¹².
4. Elimine los contornos de borde que no forman parte de los bordes de sombra estableciendo un umbral de longitud determinado.
5. Ajuste el diámetro de la sombra por el ajuste de mínimos cuadrados de los círculos¹⁷.

4. Calibración de desplazamiento

1. Ajuste el posicionador vertical de precisión (ver Tabla de Materiales) para contactar el botón de carga del banco de trabajo.
2. Capture la imagen de sombra actual como imagen de referencia.
3. Impulse el banco de trabajo para que se mueva hacia abajo en pasos de 1 μm hasta que la distancia entre el banco de trabajo y el posicionador de precisión vertical sea de 5 μm.
4. Captura las fotografías de la sombra con la cámara a cada paso.
5. Repite el experimento cinco veces.
6. Ajuste los resultados para obtener la relación entre la salida de desplazamiento del posicionador de precisión vertical y el cambio en el diámetro de la sombra de acuerdo con la Ecuación 4 (ver Resultados Representativos).
   NOTA: A partir de aquí, se obtiene la sensibilidad de desplazamiento k .

5. Medición de micro desplazamientos

1. Desconecte el contacto entre el posicionador de precisión vertical y el botón de carga del banco de trabajo.
2. Capture la imagen de sombra actual como imagen de referencia.
3. Ajuste la etapa lineal motorizada (resolución, 0,625 μm) para tocar el botón de carga.
   NOTA: En el presente estudio, se utilizó una etapa lineal motorizada disponible comercialmente (ver Tabla de Materiales) para demostrar la medición de micro desplazamiento. Sin embargo, los usuarios pueden medir para muchas muestras comunes que requieren la medición de micro desplazamiento.
4. Captura la imagen actual de la sombra debido al micro desplazamiento.
   NOTA: Una vez que la muestra de prueba entra en contacto con el botón de carga, el banco de trabajo se mueve. El diámetro de la sombra cambia debido al micro desplazamiento. A continuación, se captura la imagen de la sombra y se determina el diámetro de la sombra.
5. Determine el cambio en el diámetro de la sombra mediante el procesamiento de imágenes (paso 3) y calcule el micro desplazamiento de acuerdo con la sensibilidad de desplazamiento calibrada k y la Ecuación 4.
   NOTA: La Z en la Ecuación 4 es el micro-desplazamiento.

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Resultados

Siguiendo el protocolo, se puede calibrar la sensibilidad del sistema de medición de microdesplazamiento y se puede medir el microdesplazamiento. El método de sombra en la medición de microdesplazamiento se presenta a continuación. La Figura 3 muestra la trayectoria de viaje de la luz paralela a través de la superficie deformada del PDMS debido al desplazamiento aplicado. La refracción de la luz paralela forma una sombra que tiene un borde brillante. L...

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Discusión

Este protocolo propuso un sistema de medición de micro-desplazamiento basado en la técnica de sombra. La calibración del desplazamiento es el paso crítico dentro del protocolo para obtener la sensibilidad del desplazamiento y el rango de medición. La sensibilidad al desplazamiento se puede mejorar reduciendo los diámetros de las patas cilíndricas y el del haz de luz paralelo y aumentando la distancia de trabajo según la Ecuación 4. Además, el tamaño de píxel y la resolución ...

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Materiales

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