Una misura di micro-spostamento basata sulla tecnica dell'ombra

Riepilogo

La misurazione del microspostamento ad alta precisione è significativa nel campo dell'ingegneria aerospaziale, della lavorazione ultraprecisa e del microassemblaggio. Il presente protocollo descrive la misurazione di micro spostamenti basata sulla tecnica dell'ombra.

Abstract

La misurazione di precisione del micro spostamento è importante in campo scientifico e industriale. Tuttavia, si tratta di una sfida difficile a causa della progettazione complessa e dell'elevato costo degli strumenti di misura. Ispirandosi all'ombra formata dai camminatori d'acqua che camminano su una superficie d'acqua sotto la luce del sole, è stato proposto un metodo di misurazione del micro-spostamento. Le gambe del camminatore d'acqua con proprietà superidrofobiche piegano la superficie dell'acqua. La superficie curva dell'acqua rifrange la luce solare, creando un'ombra con un bordo luminoso sul fondo del laghetto. La dimensione dell'ombra è generalmente maggiore della profondità di rientranza delle gambe dalla superficie dell'acqua. Nel sistema di misurazione del micro-spostamento, lo spostamento applicato è proporzionale alla variazione del diametro dell'ombra. Lo studio presentato propone una procedura di misurazione del micro-spostamento basata su questa tecnica dell'ombra. La sensibilità allo spostamento può raggiungere i 10,0 nm/pixel nell'intervallo di 5 μm. Questo sistema è semplice da costruire, a basso costo e ha un'elevata precisione con buone prestazioni lineari. Il metodo fornisce una comoda opzione aggiuntiva per misurare il micro-spostamento.

Introduzione

Le misurazioni precise dello spostamento svolgono un ruolo fondamentale nei settori dell'ingegneria aerospaziale¹, della lavorazione ultraprecisa² e del microassemblaggio³. La deformazione strutturale deve essere misurata con precisione per il monitoraggio della salute strutturale⁴. Tuttavia, le misure di micro-spostamento con alta precisione rimangono una sfida difficile a causa della struttura complessa e del costo elevato degli strumenti di misura⁵.

La tecnica di misurazione del microspostamento può essere suddivisa in metodi convenzionali e non convenzionali. I metodi convenzionali, come i sensori magnetici, capacitivi, induttivi ed elettrici, sono suscettibili alle interferenze elettromagnetiche⁶. I metodi non convenzionali sono principalmente metodi ottici, come il metodo basato su fibra ottica e il metodo laser.

Ke Tian et al. hanno progettato una struttura in fibra multimodale piegata a forma di palloncino per misurare il micro spostamento, la cui sensibilità allo spostamento potrebbe raggiungere 0,51 dB/μm con un intervallo di misurazione di 0-100 μm sperimentalmente⁷. Tuttavia, le dimensioni e il costo del demodulatore in fibra ottica devono essere considerati in primo luogo; E non è stato facile eliminare l'effetto termico. Qianbo Lu et al. hanno proposto un sensore di spostamento con risoluzione sub-nanometrica basato su una cavità interferometrica a reticolo, la cui sensibilità potrebbe raggiungere i 44,75 mV/nm mediante la compensazione dell'intensità e la modulazione di fase⁸. L'interferometro laser è uno degli strumenti di micro-spostamento comunemente usati con risoluzione su scala nanometrica. Tuttavia, il riflettore richiede un'elaborazione del segnale complicata e la risoluzione marginale dell'interferometria ne limita le applicazioni⁹. Pertanto, è necessario un sistema di misura alternativo, semplice, economico e ad alta precisione.

Questo articolo propone una procedura di misurazione del micro-spostamento basata sulla tecnica dell'ombra 10,11,12,13 che è semplice, a basso costo e altamente precisa con buone prestazioni lineari. Questo metodo è stato ispirato dai camminatori d'acqua che camminano sulla superficie dell'acqua. Le gambe del camminatore d'acqua con proprietà superidrofobiche piegano la superficie dell'acqua. La superficie curva dell'acqua rifrange la luce solare, creando un'ombra con un bordo luminoso sul fondo del laghetto. La dimensione dell'ombra è generalmente molto più grande della profondità di rientranza delle zampe dalla superficie dell'acqua 14,15,16. Nel sistema, lo spostamento applicato e la variazione del diametro dell'ombra erano proporzionali, il che è stato verificato dall'esperimento di calibrazione. La ricerca indica che questo metodo fornisce un'alternativa per misurare con precisione il micro spostamento.

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Protocollo

1. Preparazione del pezzo PDMS

1. Preparare il polimero di polidimetilsilossano (PDMS, vedere la Tabella dei materiali) pesando la base e l'agente indurente (utilizzando una bilancia) a un rapporto di 30:1 in un contenitore di policarbonato cuboide (PC).
   NOTA: La dimensione del contenitore è di 60 mm × 45 mm × 15 mm. L'altezza dell'impasto è di circa 10 mm.
2. Mescolare la miscela PDMS in un frullatore per circa 20 minuti fino a quando non si riempie di bolle.
3. Utilizzare una pompa a vuoto per rimuovere le bolle dalla miscela per circa 30 minuti (vedi Tabella dei materiali).
4. Polimerizzare il PDMS in forno a 65 °C per 4 ore.
5. Utilizzare il pezzo PDMS formato nel contenitore PC come elemento sensibile allo spostamento (passaggio 2.1).
   NOTA: La dimensione del pezzo PDMS è di 60 mm × 45 mm × 10 mm.

2. Preparazione sperimentale per la misura del micro-spostamento

1. Raccogli tutti i moduli/componenti del sistema di misura, tra cui una sorgente luminosa parallela, un diaframma di apertura con un diametro di 0,7 mm, un pezzo di PDMS (l'elemento sensibile allo spostamento), un banco di lavoro con tre gambe cilindriche rigide, una telecamera, un posizionatore verticale di precisione, stadi motorizzati e altri componenti (vedi Tabella dei materiali), come mostrato nella Figura 1 e nella Figura 2.
2. Posizionare il banco da lavoro ottenuto in commercio (vedere la tabella dei materiali) sul PDMS.
   NOTA: La superficie del PDMS è piegata dalle gambe del banco di lavoro. Il banco di lavoro è ottenuto dalla lavorazione dell'alluminio. Il diametro delle gambe cilindriche rigide è di 0,5 mm, che deve essere il più piccolo possibile.
3. Collegare la sorgente luminosa parallela con il diaframma di apertura per emettere un raggio di luce parallelo con un certo diametro verticalmente a una delle gambe cilindriche rigide.
   NOTA: Il diametro del fascio di luce parallelo è di 0,7 mm, che deve essere il più piccolo possibile.
4. Posizionare la sorgente luminosa parallela a circa 50 mm sopra la superficie del PDMS regolando gli stadi motorizzati del banco di lavoro.
   NOTA: La superficie piegata rifrange la luce parallela creando un'ombra con un bordo luminoso, che è mostrato nella Figura 3.
5. Posizionare la telecamera direttamente a 260 mm sotto il PDMS per catturare l'immagine dell'ombra. Regola l'ingrandimento dell'obiettivo della fotocamera in modo che l'ombra riempia l'intera immagine.
   NOTA: La dimensione e la risoluzione dei pixel della fotocamera sono rispettivamente di circa 3,72 μm e 4.000 × 6.000.
6. Fissare il posizionatore verticale di precisione con una risoluzione di 0,2 nm sopra il banco di lavoro per calibrare la sensibilità di spostamento (passaggio 4).

3. Elaborazione delle immagini

1. Converti la fotografia a colori dell'ombra in un'immagine in scala di grigi utilizzando un software di visione artificiale (vedi Tabella dei materiali).
   1. Fare clic sul pulsante di avvio del software per elaborare l'immagine dell'ombra e ottenere direttamente il diametro dell'ombra.
      NOTA: Il codice delle fasi di elaborazione delle immagini è integrato nel software.
2. Eseguire la pre-elaborazione dell'immagine, incluso il filtro gaussiano per rimuovere il rumore e il miglioramento dell'immagine per migliorare il contrasto dell'immagine¹².
3. Usa l'operatore Canny per calcolare il gradiente di ogni pixel e ottenere set di contorni dei bordi sub-pixel. Escludete i pixel non dai bordi in base alla soppressione non massima¹².
4. Eliminate i contorni dei bordi che non fanno parte dei bordi delle ombre impostando una determinata soglia di lunghezza.
5. Adattare il diametro dell'ombra con l'adattamento dei minimi quadrati dei cerchi¹⁷.

4. Calibrazione della cilindrata

1. Regolare il posizionatore di precisione verticale (vedi Tabella dei materiali) per entrare in contatto con il pulsante di caricamento del banco di lavoro.
2. Cattura l'immagine dell'ombra corrente come immagine di riferimento.
3. Guidare il banco di lavoro in modo che si sposti verso il basso con incrementi di 1 μm fino a quando la distanza tra il banco di lavoro e il posizionatore di precisione verticale è di 5 μm.
4. Cattura le fotografie dell'ombra con la fotocamera ad ogni passo.
5. Ripeti l'esperimento cinque volte.
6. Adattare i risultati per ottenere la relazione tra l'output di spostamento del posizionatore verticale di precisione e la variazione del diametro dell'ombra secondo l'equazione 4 (vedere Risultati rappresentativi).
   NOTA: Da qui si ottiene la sensibilità allo spostamento k .

5. Misurazione del micro spostamento

1. Scollegare il contatto tra il posizionatore di precisione verticale e il pulsante di carico del banco di lavoro.
2. Cattura l'immagine dell'ombra corrente come immagine di riferimento.
3. Regolare il tavolino lineare motorizzato (risoluzione, 0,625 μm) per entrare in contatto con il pulsante di carico.
   NOTA: Nel presente studio, è stato utilizzato uno stadio lineare motorizzato disponibile in commercio (vedi Tabella dei materiali) per dimostrare la misurazione del micro spostamento. Tuttavia, gli utenti possono misurare per molti campioni comuni che richiedono la misurazione del micro spostamento.
4. Cattura l'immagine corrente dell'ombra a causa del micro spostamento.
   NOTA: Una volta che il campione di prova entra in contatto con il pulsante di caricamento, il banco di lavoro si muove. Il diametro dell'ombra cambia a causa del micro spostamento. Quindi viene catturata l'immagine dell'ombra e viene determinato il diametro dell'ombra.
5. Determinare la variazione del diametro dell'ombra mediante l'elaborazione delle immagini (passaggio 3) e calcolare il micro spostamento in base alla sensibilità di spostamento calibrata k e all'equazione 4.
   NOTA: La Z nell'equazione 4 è il micro-spostamento.

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Risultati

Seguendo il protocollo, è possibile calibrare la sensibilità del sistema di misurazione del micro-spostamento e misurare il micro-spostamento. Il metodo dell'ombra nella misurazione del micro-spostamento è presentato come segue. La Figura 3 mostra il percorso di corsa della luce parallela attraverso la superficie deformata del PDMS a causa dello spostamento applicato. La rifrazione della luce parallela forma un'ombra con un bordo luminoso. La soluzione es...

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Discussione

Questo protocollo proponeva un sistema di misura del micro-spostamento basato sulla tecnica dell'ombra. La calibrazione dello spostamento è il passaggio critico all'interno del protocollo per ottenere la sensibilità allo spostamento e il campo di misura. La sensibilità allo spostamento può essere migliorata riducendo i diametri delle gambe cilindriche e quello del fascio di luce parallelo e aumentando la distanza di lavoro in base all'equazione 4. Inoltre, anche la dimensione dei pix...

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Materiali

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