Uma medição de microdeslocamento baseada na técnica de sombra

Resumo

A medição de microdeslocamento de alta precisão é significativa no campo da engenharia aeroespacial, usinagem de ultraprecisão e micromontagem. O presente protocolo descreve a medição de microdeslocamentos com base na técnica de sombra.

Resumo

A medição precisa do microdeslocamento é importante nos campos científico e industrial. No entanto, é um desafio difícil devido ao design complexo e ao alto custo dos instrumentos de medição. Inspirado na sombra formada por caminhantes de água andando sobre uma superfície de água sob a luz do sol, foi proposto um método de medição de microdeslocamento. As pernas do Water Strider com propriedades super-hidrofóbicas dobram a superfície da água. A superfície curva da água refrata a luz solar, criando uma sombra com uma borda brilhante no fundo da lagoa. O tamanho da sombra é geralmente maior do que a profundidade de recuo das pernas da superfície da água. No sistema de medição de microdeslocamento, o deslocamento aplicado é proporcional à mudança no diâmetro da sombra. O presente estudo propõe um procedimento de medição de microdeslocamento baseado nesta técnica de sombra. A sensibilidade de deslocamento pode chegar a 10,0 nm/pixel na faixa de 5 μm. Este sistema é simples de construir, de baixo custo e possui alta precisão com bom desempenho linear. O método fornece uma opção adicional conveniente para medir o microdeslocamento.

Introdução

Medições precisas de deslocamento desempenham um papel vital nas áreas de engenharia aeroespacial¹, usinagem de ultraprecisão² e micromontagem³. A deformação estrutural deve ser medida com precisão para monitoramento da integridade estrutural⁴. No entanto, as medições de microdeslocamento com alta precisão continuam sendo um grande desafio devido ao design complexo e ao alto custo dos instrumentos de medição⁵.

A técnica de medição de microdeslocamento pode ser dividida em métodos convencionais e não convencionais. Métodos convencionais, como sensores magnéticos, capacitivos, indutivos e elétricos, são suscetíveis a interferências eletromagnéticas⁶. Os métodos não convencionais são principalmente métodos ópticos, como o método baseado em fibra óptica e o método a laser.

Ke Tian et al. projetaram uma estrutura de fibra multimodo dobrada em forma de balão para medir o micro deslocamento, cuja sensibilidade de deslocamento poderia atingir 0,51 dB / μm com uma faixa de medição de 0-100 μm experimentalmente⁷. No entanto, o tamanho e o custo do demodulador de fibra óptica devem ser considerados primeiro; e não foi fácil eliminar o efeito térmico. Qianbo Lu et al. propuseram um sensor de deslocamento de resolução subnanométrica baseado em uma cavidade interferométrica de grade, cuja sensibilidade poderia chegar a 44,75 mV/nm pela compensação de intensidade e modulação de fase⁸. O interferômetro a laser é um dos instrumentos de microdeslocamento comumente usados com resolução em nanoescala. No entanto, o refletor requer processamento de sinal complicado e a resolução marginal da interferometria limita suas aplicações⁹. Portanto, é necessário um sistema de medição alternativo, de baixo custo e alta precisão.

Este artigo propõe um procedimento de medição de microdeslocamento baseado na técnica de sombra 10,11,12,13 que é simples, de baixo custo e altamente preciso com bom desempenho linear. Este método foi inspirado em caminhantes de água andando na superfície da água. As pernas do Water Strider com propriedades super-hidrofóbicas dobram a superfície da água. A superfície curva da água refrata a luz solar, criando uma sombra com uma borda brilhante no fundo da lagoa. O tamanho da sombra é geralmente muito maior do que a profundidade de recuo das pernas da superfície da água 14,15,16. No sistema, o deslocamento aplicado e a mudança no diâmetro da sombra foram proporcionais, o que foi verificado pelo experimento de calibração. A pesquisa indica que este método oferece uma alternativa para medir o microdeslocamento com precisão.

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Protocolo

1. Preparação da peça PDMS

1. Preparar o polímero de polidimetilsiloxano (PDMS, ver Tabela de Materiais) pesando a base e o agente de cura (utilizando uma balança) na proporção de 30:1 num recipiente de policarbonato paralelepípedo (PC).
   NOTA: O tamanho do recipiente é de 60 mm × 45 mm × 15 mm. A altura da mistura é de cerca de 10 mm.
2. Bata a mistura PDMS no liquidificador por cerca de 20 min até que esteja cheia de bolhas.
3. Use uma bomba de vácuo para remover as bolhas da mistura por cerca de 30 min (consulte a Tabela de Materiais).
4. Catalise o PDMS em um forno a 65 °C por 4 h.
5. Use a peça PDMS formada no contêiner do PC como o elemento sensível ao deslocamento (etapa 2.1).
   NOTA: O tamanho da peça PDMS é de 60 mm × 45 mm × 10 mm.

2. Preparação experimental para medição de microdeslocamento

1. Reúna todos os módulos/componentes do sistema de medição, incluindo uma fonte de luz paralela, um diafragma de abertura com diâmetro de 0,7 mm, um pedaço de PDMS (o elemento sensível ao deslocamento), uma bancada de trabalho com três pernas cilíndricas rígidas, uma câmera, um posicionador de precisão vertical, estágios motorizados e outros componentes (consulte a Tabela de Materiais), conforme mostrado na Figura 1 e na Figura 2.
2. Coloque a bancada de trabalho obtida comercialmente (consulte a Tabela de Materiais) no PDMS.
   NOTA: A superfície do PDMS é dobrada pelas pernas da bancada de trabalho. A bancada é obtida por usinagem de alumínio. O diâmetro das pernas cilíndricas rígidas é de 0,5 mm, o que precisa ser o menor possível.
3. Conecte a fonte de luz paralela com o diafragma de abertura para emitir um feixe de luz paralelo com um determinado diâmetro verticalmente a uma das pernas cilíndricas rígidas.
   NOTA: O diâmetro do feixe de luz paralelo é de 0,7 mm, que deve ser o menor possível.
4. Coloque a fonte de luz paralela cerca de 50 mm acima da superfície do PDMS, ajustando os estágios motorizados da bancada de trabalho.
   NOTA: A superfície dobrada refrata a luz paralela criando uma sombra com uma borda brilhante, que é mostrada na Figura 3.
5. Coloque a câmera diretamente a 260 mm sob o PDMS para capturar a imagem da sombra. Ajuste a ampliação da lente da câmera para que a sombra preencha toda a imagem.
   NOTA: O tamanho e a resolução de pixels da câmera são de cerca de 3,72 μm e 4.000 × 6.000, respectivamente.
6. Fixe o posicionador de precisão vertical com uma resolução de 0.2 nm acima da bancada para calibrar a sensibilidade de deslocamento (etapa 4).

3. Processamento de imagem

1. Converta a fotografia colorida da sombra em uma imagem em tons de cinza usando um software de visão de máquina (consulte Tabela de materiais).
   1. Clique no botão Iniciar do software para processar a imagem da sombra e obter o diâmetro da sombra diretamente.
      NOTA: O código das etapas de processamento de imagem é integrado ao software.
2. Execute o pré-processamento da imagem, incluindo filtragem gaussiana para remover o ruído e aprimoramento da imagem para melhorar o contraste da imagem¹².
3. Use o operador Canny para calcular o gradiente de cada pixel e obter conjuntos de contornos de borda de subpixel. Exclua pixels sem borda com base na supressão não máxima¹².
4. Elimine os contornos de borda que não fazem parte das bordas de sombra definindo um determinado limite de comprimento.
5. Ajuste o diâmetro da sombra pelo ajuste dos círculos mínimos^{quadrados 17}.

4. Calibração de deslocamento

1. Ajuste o posicionador de precisão vertical (consulte a Tabela de Materiais) para entrar em contato com o botão de carga da bancada de trabalho.
2. Capture a imagem de sombra atual como uma imagem de referência.
3. Conduza a bancada para baixo em passos de 1 μm até que a distância entre a bancada e o posicionador de precisão vertical seja de 5 μm.
4. Capture as fotografias da sombra com a câmera em cada etapa.
5. Repita o experimento cinco vezes.
6. Ajuste os resultados para obter a relação entre a saída de deslocamento do posicionador de precisão vertical e a mudança no diâmetro da sombra de acordo com a Equação 4 (consulte Resultados representativos).
   NOTA: A partir daqui, obtém-se a sensibilidade de deslocamento k .

5. Micro deslocamento de medição

1. Desconecte o contato entre o posicionador de precisão vertical e o botão de carga da bancada.
2. Capture a imagem de sombra atual como uma imagem de referência.
3. Ajuste o linear motorizado stage (resolução, 0.625 μm) para entrar em contato com o botão de carga.
   NOTA: No presente estudo, um estágio linear motorizado disponível comercialmente (ver Tabela de Materiais) foi usado para demonstrar a medição do microdeslocamento. No entanto, os usuários podem medir muitas amostras comuns que requerem medição de microdeslocamento.
4. Capture a imagem atual da sombra devido ao microdeslocamento.
   NOTA: Assim que a amostra de teste entrar em contato com o botão de carga, a bancada se move. O diâmetro da sombra muda devido ao microdeslocamento. Em seguida, a imagem da sombra é capturada e o diâmetro da sombra é determinado.
5. Determine a mudança no diâmetro da sombra por processamento de imagem (etapa 3) e calcule o microdeslocamento de acordo com a sensibilidade de deslocamento calibrada k e a Equação 4.
   NOTA: O Z na Equação 4 é o microdeslocamento.

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Resultados

Seguindo o protocolo, a sensibilidade do sistema de medição de microdeslocamento pode ser calibrada e o microdeslocamento pode ser medido. O método da sombra na medição do microdeslocamento é apresentado a seguir. A Figura 3 mostra o caminho de deslocamento da luz paralela através da superfície deformada do PDMS devido ao deslocamento aplicado. A refração da luz paralela forma uma sombra com uma borda brilhante. A solução explícita de deslocamen...

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Discussão

Este protocolo propôs um sistema de medição de microdeslocamento baseado na técnica de sombra. A calibração de deslocamento é a etapa crítica dentro do protocolo para obter a sensibilidade de deslocamento e a faixa de medição. A sensibilidade de deslocamento pode ser melhorada reduzindo os diâmetros das pernas cilíndricas e do feixe de luz paralelo e aumentando a distância de trabalho com base na Equação 4. Além disso, o tamanho do pixel e a resolução da câmera, bem co...

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Materiais

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