计量型原子力测头模型研究及性能分析

建立了具有立体光路的光束偏转法原子力测头的模型,给出测头的放大能力,证明光路不会对光束偏转法的分辨力造成影响.分析了光路特性,说明光斑运动轨迹与规律.以此为基础完成了一个用于纳米计量的原子力测头,测头读数可溯源.测头的重复性通过实验验证,测头信号实验标准差为0.318nm.该测头应用在“2.5维大范围纳米结构测量系统”中,对台阶高度样板进行测量,取得了良好结果.

利用计量型原子力显微镜进行纳米台阶高度测量

计量型原子力显微镜纳米测量系统主要由扫描器、测针位置传感器和一体化微型激光干涉三维测量系统等部分构成.针对计量型原子力显微测量系统,采用三维激光干涉测量系统作为测量基准,以实现原子力测量系统的纳米尺度量值溯源和校准工作.建立了校准模型,分析了扫描器9项主要误差项,并将该模型应用到原子力显微镜扫描器的校准中.校准后的结果表明,除x轴位置误差不超过±2,nm外,其他8项的残余误差均不超过±1,nm.通过台阶高度国际比对,建立了台阶高度标准计算方法及不确定度分析模型.台阶高度国际比对的测量结果表明,计量型原子力显微镜的测量值与参考值相差均小于1.5,nm.

纳米测量系统气体轴承瞬态研究

为了消除气体轴承固有纳米级微振动,需要研究气体止推轴承上气和排气的瞬态过程。应用流体力学方程,计算得到气体轴承的外特性。设计一个适用于气膜厚度为微米量级的气体轴承实验机构,进行不同负载下气体轴承上气和排气过程的实验。实验结果较好地验证了理论分析的合理性,上气过程随着负载的增加出现初速度不为零的阶跃过程,排气过程中气膜厚度的变化随压强的变化呈现三次函数关系。为下一步控制研究提供重要的理论和实践基础。

一种用于纳米计量的原子力显微镜测头的设计

介绍了我们研制的一种高精度、具有计量学意义的原子力显微镜测头.该显微测头与其它部件协同工作在50 mm×50 mm×2 mm的测量范围内实现纳米级精度的测量.测头采用光束偏转法检测探针悬臂的微小偏移,由单模保偏光纤引入半导体激光作为光源.该测头安装有3个立体反射镜作为激光干涉仪的参考镜.样品与原子力显微镜测头的相对位置可以由激光干涉仪直接读数,可溯源到米国际定义及国家基准上.激光干涉仪的布置无阿贝误差.测头采用立体光路设计,结构紧凑.测头厚度小于20 mm,质量约200 g,却实现了100 mm的反射光程.使用该测头测得与量块表面的力-距离曲线,还测得标称高度300 nm SiO2台阶样板的图像,分辨率优于0.05 nm.

视觉系统中调焦函数的选择方法研究

研究了视觉系统中调焦函数的选择方法,采用常用调焦函数对一透射式照明图像测量系统的调焦函数选择过程进行实验研究,对其灵敏性、稳定性、计算速度等指标进行了对比分析,结果表明对于该系统来说梯度向量平方函数具有较好的效果。并通过实验得出:调焦图像选择区域越大,调焦函数曲线灵敏度越高;光源强度越强或越弱,调焦函数曲线灵敏度越低。

试析计量基标准资源共享服务提升国家创新能力的作用

结合计量科学的特点与定位，分析国家计量基标准资源共享平台的内容和特点，讨论计量科技及其信息共享服务对我国国家创新能力的巨大提升作用，特别是在强调产学研用紧密结合的协同创新过程中对创新主体、创新成果，创新过程、创新资源及创新系统等方面的重要作用。认为计量科技是国家创新能力的体现和技术基础，而共享平台是信息社会计量科技服务社会的新的重要渠道。

一种图像测量系统的现场标定和畸变校正方法

提出了一种图像测量系统的现场标定和分区线性畸变校正方法,靶标件采用一加工有一个圆孔的工件,以圆心为特征点,标定时,CCD摄像机沿着系统的导轨移动,计算图像中圆心位置并读取导轨光栅尺数值,可以获得多组标定特征点。用中心部分特征点求出标定参数,从而计算出图像中各点的畸变值,进行分区畸变校正。

基于电容传感器的大型工件圆度误差测量系统

轴类回转工件的圆度误差是衡量机床加工水平的重要指标。针对大直径轴类工件无法采用传统圆度仪进行圆度误差测量,介绍了三点法测量轴类回转工件圆度误差的理论基础、数学模型。采用非接触式电容传感器进行微位移测量,介绍了传感器结构与测量电路基本原理,搭建了适用于圆度误差测量基于电容传感器的硬件系统,应用虚拟仪器技术开发了可用于数据采集、线性校正、误差分离与评定的专用测试系统。最后进行了测试实验,通过对多次测量数据的分析评定测量系统的可靠性与精度。

基于相位补偿的调频连续波大长度测距中的色散校正

基于调频连续波测距的原理搭建并改进了双光路调频连续波测距系统,在测量光路增加光纤延迟线使测量距离拓展到了65 m.还研究了等光频重采样中色散的影响,推导出了带有色散和光纤延迟线的重采样模型,提出了在调频连续波大长度测距中通过频率幅度来调节相位补偿系数的色散校正方法.实验表明,在45~65 m的范围内增加了光纤延迟线并且有效的校正了色散,校正色散后在65. 165 m处测距值与干涉仪测量值最大误差小于500μm,标准差为246μm,频谱分辨力高达123μm,十分接近理论分辨力.文章的研究为调频连续波大尺寸测量提供了可行性的参考.

针孔对单轴法线跟踪式测量系统零位测量的影响（英文）

针对大曲率表面面形测量问题,提出一种单轴法线跟踪式测量方法。通过运用Collins公式,研究了倾斜角度对基于高斯光束测量系统的影响;通过理论分析和数值模拟,证明了在待测面倾斜的情况下,高斯光束与点光源作用下差动共焦系统的零位位置有明显不同;推导出高斯光束测量系统中针孔最佳尺寸和实际系统参数的关系,指出实验中波长为633nm测量系统的针孔最佳直径在20μm到35μm之间。

多倍程激光干涉仪光路几何特性分析

针对纳米计量高分辨力的要求，应用光学倍程法设计了一套基于Michelson激光干涉仪原型的多倍程激光干涉系统。该系统光源由保偏光纤直接导入，采用共光路、立体空间布局设计。通过建立模型分析该干涉系统的几何特性，得出移动镜偏转对该系统带来的影响可以得到有效补偿，因而光路具有很好的稳定性。出射的参考光与测量光始终保持平行，便于干涉系统光路的整体布局与信号接收，同时易于光路的调节从而获得对比度高、信噪比好的干涉信号。

特征边缘跟踪的调焦评价方法

图像测量系统中,已有的调焦评价函数当被测工件图像中边缘在高度上不共面时将无法正确调焦定位。研究了一种基于特征边缘跟踪的调焦评价方法,首先确定测量图像中被测边缘,进行跟踪获得边缘点,对每个边缘点在边缘方向上一定范围内进行梯度平方和运算,所有被测边缘点的值求和作为调焦评价值,达到极大值时认为该边缘正焦。采用透射式照明图像测量系统对一种图像中边缘在高度方向上不共面的工件进行了调焦实验,结果表明,该调焦方法能够对图像中各边缘在高度上不共面时对被测边缘对焦。

工业CT二维空间分辨力的校准方法

工业CT的空间分辨力是指从CT图像中能够分辨特定的最小几何细节的能力,是评价一台工业CT系统测量能力的重要参数之一.为了提升工业CT的测量能力及成像质量,需要对其空间分辨力进行校准实验.针对这一问题设计出栅格形及交叉形分辨力线对卡,使用光刻工艺完成其研制过程,并基于此结合本底校正等图像处理方法进行了系统二维空间分辨力校准实验,通过调制传递函数MTF计算出实验系统的空间分辨力数值,验证了此方法可用于校准CT分辨力的实验意义.最后,对如何提升测量准确度的问题进行了探讨.

高分辨力单轴法线跟踪测量方法

为实现对大曲率表面轮廓进行高效、准确的非接触测量,提出一种基于差动共焦原理的单轴法线跟踪式测量方法,具有高分辨力和高信噪比的优点。分析了影响系统分辨力的因素,研究了在入射光为高斯光束时倾斜对于差动共焦探测的影响,通过理论模型及实验验证了光束倾斜时针孔偏移及针孔大小的最佳尺寸。建立了相应的传感系统,实验表明,所建系统可以很好地跟踪被测表面,其轴向分辨力优于5nm,组合高精度激光干涉测长系统后可用于大曲率表面轮廓的精密测量。

一种不确定度的卷积评定方法

在不确定度的评定过程中，对于形如Y=X1＋X2＋…＋Xn的被测量模型，被测量的概率密度函数是各相互独立的概率密度函数的卷积。本文提出使用卷积的方法可清楚、直观、准确地表达不确定度评定中被测量的分布，并用程序实现了该方法。实验结果表明，与GUM方法相比较，能提高测量不确定度评定者对不确定度的理解水平。

共焦法布里-珀罗干涉显微测头光学特性分析

根据纳米计量分辨力的要求,设计一套共焦法布里-珀罗(F-P)干涉显微测头。系统光源采用保偏光纤直接导入,从F-P腔外入射。光路设计成便于减小光学共模噪音的差动形式。通过建立模型分析系统光学特性,得出反射平板的最佳反射率以及共焦结构对干涉条纹的影响。实验验证表明反射平板反射率为40%时可以使系统得到对比度高,信噪比好的干涉条纹;针孔光阑可以方便寻找测量透镜的焦点和减小杂散光的噪音;系统轴向分辨力达到0.2nm。