JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Высокоточное измерение микроперемещений имеет важное значение в области аэрокосмической техники, сверхточной обработки и микросборки. В настоящем протоколе описывается измерение микросмещений на основе метода тени.

Аннотация

Прецизионное измерение микросмещений имеет важное значение в научной и промышленной областях. Однако это сложная задача из-за сложной конструкции и высокой стоимости измерительных приборов. Вдохновленный тенью, образующейся от водных страйдеров, идущих по водной поверхности под солнечным светом, был предложен метод измерения микросмещений. Ноги водного страйдера с супергидрофобными свойствами изгибают водную поверхность. Изогнутая поверхность воды преломляет солнечный свет, создавая тень с яркой кромкой на дне пруда. Размер тени обычно больше, чем глубина углубления ног от поверхности воды. В системе измерения микросмещения применяемое смещение пропорционально изменению диаметра тени. В представленном исследовании предложена методика измерения микросмещений, основанная на данной теневой методике. Чувствительность смещения может достигать 10,0 нм/пиксель в диапазоне 5 мкм. Эта система проста в конструкции, недорога и обладает высокой точностью при хороших линейных характеристиках. Метод предоставляет удобную дополнительную возможность измерения микросмещений.

Введение

Прецизионные измерения перемещений играют жизненно важную роль в аэрокосмической технике1, сверхточной обработке2 и микросборке3. Деформация конструкции должна быть точно измерена для мониторинга состояния конструкции4. Тем не менее, измерение микросмещений с высокой точностью остается сложной задачей из-за сложной конструкции и высокой стоимости измерительных приборов.

Методику измерения микроперемещений можно разделить на традиционные и нетрадиционные. Традиционные методы, такие как магнитные, емкостные, индуктивные и электрические датчики, чувствительны к электромагнитным помехам6. К нетрадиционным методам относятся в основном оптические методы, такие как метод на основе оптического волокна и лазерный метод.

Ke Tian et al. разработали изогнутую многомодовую волоконную структуру в форме шара для измерения микросмещения, чувствительность смещения которой может достигать 0,51 дБ/мкм при диапазоне измерений 0-100 мкм экспериментально7. Однако в первую очередь необходимо учитывать размер и стоимость оптоволоконного демодулятора; Да и устранить тепловой эффект было непросто. Qianbo Lu et al. предложили датчик смещения с субнанометровым разрешением на основе решетчатого интерферометрического резонатора, чувствительность которого может достигать 44,75 мВ/нм за счет компенсации интенсивности ифазовой модуляции8. Лазерный интерферометр является одним из широко используемых приборов микросмещения с наноразмерным разрешением. Однако рефлектор требует сложной обработки сигнала, а бахромное разрешение интерферометрии ограничивает его применение9. Поэтому необходима альтернативная простая конструкция, недорогая и высокоточная измерительная система.

В данной статье предложена методика измерения микросмещений, основанная на технике теней 10,11,12,13, которая является простой, недорогой и высокоточной с хорошими линейными характеристиками. Этот метод был вдохновлен водными страйдерами, идущими по водной глади. Ноги водного страйдера с супергидрофобными свойствами изгибают водную поверхность. Изогнутая поверхность воды преломляет солнечный свет, создавая тень с яркой кромкой на дне пруда. Размер тени обычно намного больше глубины углубления ног от поверхности воды 14,15,16. В системе применяемое смещение и изменение диаметра тени были пропорциональными, что было проверено калибровочным экспериментом. Исследования показывают, что этот метод является альтернативой для точного измерения микросмещений.

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

протокол

1. Подготовка заготовки PDMS

  1. Приготовьте полимер полидиметилсилоксан (PDMS, см. Таблицу материалов) путем взвешивания основания и отвердителя (с помощью весов) в соотношении 30:1 в контейнере из прямоугольного поликарбоната (ПК).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Размер контейнера составляет 60 мм × 45 мм × 15 мм. Высота смеси составляет около 10 мм.
  2. Перемешивайте смесь PDMS в блендере около 20 минут, пока она не заполнится пузырьками.
  3. Используйте вакуумный насос для удаления пузырьков из смеси в течение примерно 30 минут (см. Таблицу материалов).
  4. Отверждите PDMS в духовке при температуре 65 °C в течение 4 часов.
  5. Используйте деталь PDMS, сформированную в контейнере ПК, в качестве элемента, чувствительного к смещению (шаг 2.1).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Размер детали PDMS составляет 60 мм × 45 мм × 10 мм.

2. Экспериментальная подготовка к измерению микросмещений

  1. Соберите все модули/компоненты измерительной системы, включая параллельный источник света, апертурную диафрагму диаметром 0,7 мм, кусок PDMS (чувствительный к смещению элемент), верстак с тремя жесткими цилиндрическими ножками, камеру, вертикальный прецизионный позиционер, моторизованные столики и другие компоненты (см. Таблицу материалов), как показано на Рисунке 1 и Рисунке 2.
  2. Поместите коммерчески приобретенный верстак (см. Таблицу материалов) на PDMS.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Поверхность PDMS изгибается ножками верстака. Верстак получается путем механической обработки алюминия. Диаметр жестких цилиндрических ножек составляет 0,5 мм, что должно быть как можно меньше.
  3. Соедините параллельный источник света с апертурной диафрагмой, чтобы излучать параллельный световой луч определенного диаметра по вертикали на одну из жестких цилиндрических ножек.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Диаметр параллельного светового луча составляет 0,7 мм, который должен быть как можно меньше.
  4. Расположите параллельный источник света на высоте около 50 мм над поверхностью PDMS, отрегулировав моторизованные ступени верстака.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Изогнутая поверхность преломляет параллельный свет, создавая тень с яркой кромкой, которая показана на рисунке 3.
  5. Поместите камеру прямо под PDMS на 260 мм, чтобы получить изображение тени. Отрегулируйте увеличение объектива камеры так, чтобы тень заполняла все изображение.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Размер пикселя и разрешение камеры составляют около 3,72 мкм и 4 000 × 6 000 соответственно.
  6. Закрепите вертикальный прецизионный позиционер с разрешением 0,2 нм над верстаком для калибровки чувствительности смещения (шаг 4).

3. Обработка изображений

  1. Преобразуйте цветную фотографию тени в изображение в оттенках серого с помощью программного обеспечения машинного зрения (см. Таблицу материалов).
    1. Нажмите кнопку «Пуск » программного обеспечения, чтобы обработать изображение тени и получить диаметр тени напрямую.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Код этапов обработки изображений интегрирован в программное обеспечение.
  2. Выполните предварительную обработку изображения, включая фильтрацию по Гауссу для удаления шума и улучшение изображения для повышения контрастности изображения12.
  3. Используйте оператор Canny для вычисления градиента каждого пикселя и получения наборов контуров субпиксельных краев. Исключите некраевые пиксели на основе немаксимального подавления12.
  4. Удалите контуры краев, которые не являются частью теневых краев, установив определенный порог длины.
  5. Подогнаем диаметр тени по методу наименьших квадратов по размеру окружностей17.

4. Калибровка смещения

  1. Отрегулируйте вертикальный прецизионный позиционер (см. Таблицу материалов) так, чтобы он соприкасался с кнопкой загрузки верстака.
  2. Захватите текущее изображение тени в качестве эталонного изображения.
  3. Перемещайте верстак вниз с шагом 1 мкм, пока расстояние между верстаком и вертикальным прецизионным позиционером не составит 5 мкм.
  4. Делайте снимки тени с помощью камеры на каждом шагу.
  5. Повторите эксперимент пять раз.
  6. Подгонка результатов для получения взаимосвязи между выходным смещением вертикального прецизионного позиционера и изменением диаметра тени в соответствии с уравнением 4 (см. раздел «Репрезентативные результаты»).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Отсюда получается чувствительность к смещению k .

5. Измерение микросмещения

  1. Отсоедините контакт между вертикальным прецизионным позиционером и кнопкой загрузки верстака.
  2. Захватите текущее изображение тени в качестве эталонного изображения.
  3. Отрегулируйте моторизованный линейный столик (разрешение, 0,625 мкм) так, чтобы он соприкасался с кнопкой загрузки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящем исследовании для демонстрации измерения микросмещения был использован коммерчески доступный моторизованный линейный столик (см. Таблицу материалов). Тем не менее, пользователи могут выполнять измерения для многих распространенных образцов, требующих измерения микроперемещений.
  4. Захватите текущее изображение тени благодаря микросмещению.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Как только тестовый образец соприкасается с кнопкой загрузки, верстак перемещается. Диаметр тени изменяется из-за микросмещения. Затем захватывается изображение тени, и определяется диаметр тени.
  5. Определите изменение диаметра тени с помощью обработки изображения (шаг 3) и рассчитайте микросмещение в соответствии с откалиброванной чувствительностью смещения k и уравнением 4.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Буква Z в уравнении 4 — это микросмещение.

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

Результаты

Следуя протоколу, можно откалибровать чувствительность системы измерения микросмещений, а также измерить микросмещение. Метод теней при измерении микросмещений представлен следующим образом. На рисунке 3 показана траектория прохождения параллельн?...

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

Обсуждение

В этом протоколе была предложена система измерения микросмещений, основанная на теневом методе. Калибровка смещения является критическим этапом в протоколе для получения чувствительности смещения и диапазона измерения. Чувствительность смещения может быть улучше?...

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

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Мы благодарим Национальную программу ключевых исследований и разработок Китая (No 2021YFC2202702) за финансирование этой работы.

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

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Aperture diaphragmProcessed by high precision grindingThe diameter of the aperture is 0.7 mm.
CameraCanon EOS80DThe pixel size and the resolution of the camera are about 3.72 μm and 4000 × 6000, respectively.
HALCONMVTec Software GmbH18.11MVTec HALCON is the comprehensive standard software for machine vision with an integrated development environment (HDevelop) that is used worldwide.
Motorized linear stageZolixTSA50-CResolution 0.625 μm
Parallel light sourceOriental Technology (Shanghai) Co, Ltd.BTPL-50GThe peak wavelength is 523 nm.
Polydimethylsiloxane (PDMS)Dow CorningSylgard 184PDMS is a transparent silicon-based crosslinked polymer.
Vacuum pumpSHANGHAI LICHEN-BX INSTRUMENT TECHONOLOGY CO.,Ltd2XZ-6BThe pumping rate is 6 L/s.The ultimate vacuum is ≤1 Pa 
Vertical precision positionerPIP-620.ZCDThe resolution is 0.2 nm in the range of 50 μm.
Workbench with three rigid cylindrical legsProcessed by high precision grindingThe diameter of legs is 0.5 mm. The legs are distributed on the trisection points of a circle with a radius of 14 mm

Ссылки

  1. Zhang, H., Li, D. T., Li, H. Development of a cantilever beam thrust stand for electric propulsion thrusters. Review of Scientific Instruments. 91 (11), 115104(2020).
  2. Huang, Y., et al. An optical glass plane angle measuring system with photoelectric autocollimator. Nanotechnology and Precision Engineering. 2 (2), 71-76 (2019).
  3. Bettahar, H., Clevy, C., Courjal, N., Lutz, P. Force-Position photo-robotic approach for the high-accurate micro-assembly of photonic devices. IEEE Robotics and Automation Letters. 5 (4), 6396-6402 (2020).
  4. Ngeljaratan, L., Moustafa, M. A. Structural health monitoring and seismic response assessment of bridge structures using target-tracking digital image correlation. Engineering Structures. 213, 110551(2020).
  5. Berkovic, G., Shafir, E. Optical methods for distance and displacement measurements. Advances in Optics and Photonics. 4 (4), 441-471 (2012).
  6. Ghaffar, A., et al. A simple and high-resolution POF displacement sensor based on face-coupling method. Measurement. 187, 110285(2022).
  7. Tian, K., Farrell, G., Wang, X., Lewis, E., Wang, P. Highly sensitive displacement sensor based on composite interference established within a balloon-shaped bent multimode fiber structure. Applied Optics. 57 (32), 9662-9668 (2018).
  8. Lu, Q. B., et al. Subnanometer resolution displacement sensor based on a grating interferometric cavity with intensity compensation and phase modulation. Applied Optics. 54 (13), 4188-4196 (2015).
  9. Hu, Y., et al. An axial displacement measurement relying on the double-helix light beam. Optics & Laser Technology. 59, 1-6 (2014).
  10. Zheng, Y., et al. Elegant shadow making tiny force visible for water-walking arthropods and updated Archimedes' principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
  11. Lu, H., et al. A shadow-based nano scale precision force sensor. IEEE Sensors Journal. 19 (6), 2072-2078 (2019).
  12. Yang, Y., et al. Development of a nanoscale displacement sensor based on the shadow method. Applied Optics. 61 (22), 9-14 (2022).
  13. Li, Y., et al. Imaging dynamic three-dimensional traction stresses. Science Advances. 8 (11), (2022).
  14. Zheng, Y., Yin, W., Lu, H., Tian, Y. Revealing stepping forces in sub-mg tiny insect walking. Chinese Physics B. 29 (12), 124703(2020).
  15. Zheng, Y., et al. Walking of spider on water surface studied from its leg shadows. Chinese Physics B. 27 (8), 084702(2018).
  16. Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y., Zhang, X. J., Tian, Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701(2016).
  17. Yang, Y., et al. A disturbance suppression micro-Newton force sensor based on shadow method. ISA Transactions. , (2022).
  18. Popov, V. L., Heß, M., Willert, E. Handbook of contact mechanics: exact solutions of axisymmetric contact problems. , Springer Nature. (2019).
  19. Sun, B., Zheng, G., Zhang, X. Application of contact laser interferometry in precise displacement measurement. Measurement. 174, 108959(2021).
  20. Huang, Y. G., Yang, Y., Zhang, X. M., Zhao, M. R. A novel torque sensor based on the angle of magnetization vector. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. 2018 (1), 230(2018).

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

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены