JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Yüksek hassasiyetli mikro deplasman ölçümü, havacılık ve uzay mühendisliği, ultra hassas işleme ve mikro montaj alanında önemlidir. Mevcut protokol, gölge tekniğine dayalı olarak mikro yer değiştirmelerin ölçülmesini açıklar.

Özet

Mikro yer değiştirmenin hassas ölçümü, bilimsel ve endüstriyel alanlarda önemlidir. Bununla birlikte, karmaşık tasarım ve ölçüm cihazlarının yüksek maliyeti nedeniyle zorlu bir zorluktur. Güneş ışığı altında bir su yüzeyinde yürüyen su yürüyüşçülerinden oluşan gölgeden esinlenerek, bir mikro yer değiştirme ölçüm yöntemi önerildi. Süperhidrofobik özelliklere sahip su sıyırıcı ayaklar su yüzeyini büker. Suyun kavisli yüzeyi güneş ışığını kırarak göletin dibinde parlak kenarlı bir gölge oluşturur. Gölge boyutu genellikle su yüzeyinden bacakların girinti derinliğinden daha büyüktür. Mikro yer değiştirme ölçüm sisteminde, uygulanan yer değiştirme, gölgenin çapındaki değişiklikle orantılıdır. Sunulan çalışma, bu gölge tekniğine dayalı bir mikro yer değiştirme ölçüm prosedürü önermektedir. Yer değiştirme hassasiyeti 5 μm aralığında 10,0 nm/piksele ulaşabilir. Bu sistemin kurulumu basittir, düşük maliyetlidir ve iyi doğrusal performans ile yüksek hassasiyete sahiptir. Yöntem, mikro yer değiştirmeyi ölçmek için uygun bir ek seçenek sunar.

Giriş

Hassas yer değiştirme ölçümleri, havacılık ve uzay mühendisliği1, ultra hassas işleme2 ve mikro montaj3 alanlarında hayati bir rol oynar. Yapı sağlığının izlenmesi için yapısal deformasyon hassas bir şekilde ölçülmelidir4. Bununla birlikte, yüksek hassasiyetli mikro yer değiştirme ölçümleri, ölçüm cihazlarının karmaşık tasarımı ve yüksek maliyeti nedeniyle zorlu bir zorluk olmaya devam etmektedir5.

Mikro yer değiştirme ölçüm tekniği, geleneksel ve geleneksel olmayan yöntemlere ayrılabilir. Manyetik, kapasitif, endüktif ve elektrik sensörleri gibi geleneksel yöntemler elektromanyetik girişime karşı hassastır6. Konvansiyonel olmayan yöntemler, fiber optik tabanlı yöntem ve lazer yöntemi gibi esas olarak optik yöntemlerdir.

Ke Tian ve ark. deneysel olarak 0-100 μm'lik bir ölçüm aralığı ile yer değiştirme hassasiyeti 0,51 dB/μm'ye ulaşabilen mikro yer değiştirmeyi ölçmek için balon şeklinde bükülmüş çok modlu bir fiber yapı tasarladı7. Bununla birlikte, önce fiber optik demodülatörün boyutu ve maliyeti dikkate alınmalıdır; Ve termal etkiyi ortadan kaldırmak kolay değildi. Qianbo Lu ve ark. yoğunluk kompanzasyonu ve faz modülasyonu8 ile hassasiyeti 44.75 mV/nm'ye ulaşabilen bir ızgara interferometrik boşluğuna dayalı bir nanometre altı çözünürlüklü yer değiştirme sensörü önerdi. Lazer interferometre, nano ölçekli çözünürlüğe sahip yaygın olarak kullanılan mikro yer değiştirme cihazlarından biridir. Bununla birlikte, reflektör karmaşık sinyal işleme gerektirir ve interferometrinin saçak çözünürlüğü uygulamalarınısınırlar 9. Bu nedenle, basit bir şekilde yapılandırılmış, düşük maliyetli, yüksek hassasiyetli alternatif bir ölçüm sistemine ihtiyaç vardır.

Bu makale, basit, düşük maliyetli ve iyi doğrusal performansa sahip son derece hassas olan 10,11,12,13 gölge tekniğine dayalı bir mikro yer değiştirme ölçüm prosedürü önermektedir. Bu yöntem, su yüzeyinde yürüyen su yürüyüşçülerinden ilham almıştır. Süperhidrofobik özelliklere sahip su sıyırıcı ayaklar su yüzeyini büker. Suyun kavisli yüzeyi güneş ışığını kırarak göletin dibinde parlak kenarlı bir gölge oluşturur. Gölge boyutu genellikle su yüzeyinden 14,15,16 bacakların girinti derinliğinden çok daha büyüktür. Sistemde, uygulanan yer değiştirme ve gölgenin çapındaki değişiklik orantılıydı ve bu da kalibrasyon deneyi ile doğrulandı. Araştırma, bu yöntemin mikro yer değiştirmeyi hassas bir şekilde ölçmek için bir alternatif sağladığını göstermektedir.

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

Protokol

1. PDMS parçasının hazırlanması

  1. Tabanı ve kürleme maddesini (bir tartı terazisi kullanarak) bir küboid polikarbonat (PC) kapta 30:1 oranında tartarak polidimetilsiloksan (PDMS, Malzeme Tablosuna bakınız) polimerini hazırlayın.
    NOT: Konteyner boyutu 60 mm × 45 mm × 15 mm'dir. Karışımın yüksekliği yaklaşık 10 mm'dir.
  2. PDMS karışımını bir karıştırıcıda kabarcıklarla dolana kadar yaklaşık 20 dakika karıştırın.
  3. Karışımdaki kabarcıkları yaklaşık 30 dakika boyunca çıkarmak için bir vakum pompası kullanın (Malzeme Tablosuna bakın).
  4. PDMS'yi 65 °C fırında 4 saat kürleyin.
  5. PC kabında oluşturulan PDMS parçasını yer değiştirmeye duyarlı eleman olarak kullanın (adım 2.1).
    NOT: PDMS parça boyutu 60 mm × 45 mm × 10 mm'dir.

2. Mikro yer değiştirmeyi ölçmek için deneysel hazırlık

  1. Paralel bir ışık kaynağı, 0.7 mm çapında bir diyafram açıklığı, bir PDMS parçası (yer değiştirmeye duyarlı eleman), üç sert silindirik ayaklı bir çalışma tezgahı, bir kamera, dikey hassas konumlandırıcı, motorlu aşamalar ve diğer bileşenler (bkz . Malzeme Tablosu), Şekil 1 ve Şekil 2'de gösterildiği gibi toplayın.
  2. Ticari olarak elde edilen çalışma tezgahını (Malzeme Tablosuna bakın) PDMS'nin üzerine yerleştirin.
    NOT: PDMS'nin yüzeyi, tezgahın bacakları tarafından bükülür. Tezgah, alüminyumun işlenmesiyle elde edilir. Sert silindirik bacakların çapı 0,5 mm'dir ve bunun mümkün olduğunca küçük olması gerekir.
  3. Sert silindirik ayaklardan birine dikey olarak belirli bir çapa sahip paralel bir ışık huzmesi yaymak için paralel ışık kaynağını diyafram diyaframına bağlayın.
    NOT: Paralel ışık huzmesinin çapı 0.7 mm'dir ve bu mümkün olduğunca küçük olmalıdır.
  4. Tezgahın motorlu aşamalarını ayarlayarak paralel ışık kaynağını PDMS yüzeyinin yaklaşık 50 mm üzerine yerleştirin.
    NOT: Bükülmüş yüzey, Şekil 3'te gösterildiği gibi parlak kenarlı bir gölge oluşturarak paralel ışığı kırar.
  5. Gölgenin görüntüsünü yakalamak için kamerayı doğrudan PDMS'nin altına 260 mm uzağa yerleştirin. Kamera merceğinin büyütme oranını, gölge tüm görüntüyü dolduracak şekilde ayarlayın.
    NOT: Kameranın piksel boyutu ve çözünürlüğü sırasıyla yaklaşık 3.72 μm ve 4.000 × 6.000'dir.
  6. Yer değiştirme hassasiyetini kalibre etmek için dikey hassas konumlandırıcıyı tezgahın üzerinde 0.2 nm çözünürlüğe sahip sabitleyin (adım 4).

3. Görüntü işleme

  1. Bir makine görüşü yazılımı kullanarak gölgenin renkli fotoğrafını gri tonlamalı bir görüntüye dönüştürün (bkz. Malzeme Tablosu).
    1. Gölge görüntüsünü işlemek ve gölge çapını doğrudan elde etmek için yazılımın başlat düğmesine tıklayın.
      NOT: Görüntü işleme adımlarının kodu yazılıma entegre edilmiştir.
  2. Paraziti gidermek için Gauss filtrelemesi ve görüntü kontrastını artırmak için görüntü iyileştirme dahil olmak üzere görüntünün ön işlemesini gerçekleştirin12.
  3. Her pikselin gradyanını hesaplamak ve alt piksel kenar kontur kümelerini elde etmek için Canny operatörünü kullanın. Maksimum olmayan bastırmaya bağlı olarak kenar olmayan pikselleri hariç tutun12.
  4. Belirli bir uzunluk eşiği ayarlayarak gölge kenarların parçası olmayan kenar konturlarını ortadan kaldırın.
  5. Gölge çapını, dairelerin en küçük karelere sığdırılmasına göre yerleştirin17.

4. Deplasman kalibrasyonu

  1. Tezgahın yükleme düğmesine temas etmek için dikey hassas konumlandırıcıyı ( Malzeme Tablosuna bakın) ayarlayın.
  2. Geçerli gölge görüntüyü referans görüntü olarak yakalayın.
  3. Tezgah ile dikey hassas konumlandırıcı arasındaki mesafe 1 μm olana kadar 5 μm'lik adımlarla aşağı hareket etmek için tezgahı sürün.
  4. Her adımda kamera ile gölgenin fotoğraflarını çekin.
  5. Deneyi beş kez tekrarlayın.
  6. Denklem 4'e göre dikey hassas konumlandırıcının yer değiştirme çıkışı ile gölgenin çapındaki değişiklik arasındaki ilişkiyi elde etmek için sonuçları eşleştirin (bkz.
    NOT: Buradan, yer değiştirme hassasiyeti k elde edilir.

5. Mikro yer değiştirmenin ölçülmesi

  1. Dikey hassas konumlandırıcı ile tezgahın yükleme düğmesi arasındaki teması kesin.
  2. Geçerli gölge görüntüyü referans görüntü olarak yakalayın.
  3. Yük düğmesine temas etmek için motorlu lineer kademeyi (çözünürlük, 0,625 μm) ayarlayın.
    NOT: Bu çalışmada, mikro yer değiştirme ölçümünü göstermek için ticari olarak temin edilebilen bir motorlu lineer aşama (Malzeme Tablosuna bakınız) kullanılmıştır. Bununla birlikte, kullanıcılar mikro yer değiştirme ölçümü gerektiren birçok yaygın numune için ölçüm yapabilir.
  4. Mikro yer değiştirme nedeniyle gölgenin mevcut görüntüsünü yakalayın.
    NOT: Test numunesi yükleme düğmesiyle temas ettiğinde, tezgah hareket eder. Mikro yer değiştirme nedeniyle gölge çapı değişir. Daha sonra gölge görüntüsü yakalanır ve gölge çapı belirlenir.
  5. Görüntü işleme ile gölge çapındaki değişikliği belirleyin (adım 3) ve kalibre edilmiş yer değiştirme duyarlılığı k ve Denklem 4'e göre mikro yer değiştirmeyi hesaplayın.
    NOT: Denklem 4'teki Z , mikro yer değiştirmedir.

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

Sonuçlar

Protokolü takiben, mikro yer değiştirme ölçüm sisteminin hassasiyeti kalibre edilebilir ve mikro yer değiştirme ölçülebilir. Mikro yer değiştirme ölçümünde gölge yöntemi aşağıdaki gibi sunulmuştur. Şekil 3 , uygulanan yer değiştirme nedeniyle paralel ışığın PDMS deforme olmuş yüzeyinden geçen yolunu göstermektedir. Paralel ışığın kırılması, parlak bir kenara sahip bir gölge oluşturur. Johnson-Kendall-Roberts (JKR)...

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

Tartışmalar

Bu protokol, gölge tekniğine dayalı bir mikro yer değiştirme ölçüm sistemi önerdi. Deplasman kalibrasyonu, deplasman hassasiyetini ve ölçüm aralığını elde etmek için protokol içindeki kritik adımdır. Yer değiştirme hassasiyeti, silindirik bacakların çapları ve paralel ışık huzmesinin çapları azaltılarak ve Denklem 4'e göre çalışma mesafesi artırılarak geliştirilebilir. Ayrıca, kameranın piksel boyutu ve çözünürlüğünün yanı sıra görüntü...

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

Açıklamalar

Yazarların ifşa edecek hiçbir şeyi yok.

Teşekkürler

Bu çalışmayı finanse ettiği için Çin Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programına (No 2021YFC2202702) teşekkür ederiz.

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

Malzemeler

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

Referanslar

  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.

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

Mikro deplasman l mG lge Tekni iHassas l mSu StriderS perhidrofobik zelliklerE rilik K r lmasG lge Boyutul m SistemiYer De i tirme HassasiyetiD k MaliyetY ksek HassasiyetDo rusal Performans

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır