Профилометр - Profilometer

Контактный профилометр на LAAS технологический комплекс в Тулузе, Франция.

А профилометр это измерительный инструмент используется для измерения профиль поверхности, чтобы количественно оценить это грубость. Критические размеры, такие как шаг, кривизна, плоскостность, вычисляются из топографии поверхности.

В то время как историческое понятие профилометра было устройством, похожим на фонограф который измеряет поверхность при перемещении поверхности относительно контактного профилометра. стилус, это понятие меняется с появлением множества методов бесконтактной профилометрии.

Технологии без сканирования могут измерять топографию поверхности за один снимок камеры, сканирование XYZ больше не требуется. Как следствие, динамические изменения топографии измеряются в режиме реального времени. Современные профилометры измеряют не только статическую топографию, но теперь и динамическую топографию - такие системы называют профилометрами с временным разрешением.

Типы

Оригинальные 1940-е годы Тейлор-Хобсон Talysurf машина для измерения профиля поверхности

Оптические методы^[1][2]включают интерферометрия методы на основе, такие как цифровая голографическая микроскопия, интерферометрия с вертикальным сканированием /интерферометрия белого света, фазосдвигающая интерферометрия, и дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия (Микроскопия Номарского); методы обнаружения насекомых, такие как обнаружение интенсивности, вариация фокуса, дифференциальное обнаружение, метод критического угла, астигматический метод, метод Фуко и конфокальная микроскопия; методы проектирования паттернов, такие как Проекция бахромы, Фурье профилометрия, Муар, и методы отражения паттернов.

Контактные и псевдоконтактные методы^[1][2] профилометр includestylus (механический профилометр)^[3]атомно-силовая микроскопия,^[4]и сканирующая туннельная микроскопия

Контактные профилометры

Алмазная игла перемещается вертикально в контакте с образцом, а затем перемещается поперек образца на заданное расстояние и заданное контактное усилие. Профилометр может измерять небольшие отклонения поверхности при вертикальном перемещении щупа в зависимости от положения. Типичный профилометр может измерять небольшие вертикальные детали высотой от 10 нанометров до 1 миллиметра. Положение алмазного щупа по высоте генерирует аналоговый сигнал, который преобразуется в цифровой, сохраняется, анализируется и отображается. Радиус алмазного щупа составляет от 20 нанометров до 50 мкм, а разрешение по горизонтали регулируется скоростью сканирования и частотой дискретизации сигнала данных. Сила прижима иглы может составлять от менее 1 до 50 миллиграммов.

Преимущества контактных профилометров включают приемлемость, независимость от поверхности, разрешение, это прямой метод, не требующий моделирования. Большинство мировых стандартов чистоты поверхности написано для контактных профилометров. Чтобы следовать предписанной методике, этот тип профилометра часто требуется. Контакт с поверхностью часто является преимуществом в грязной среде, где бесконтактные методы могут привести к измерению поверхностных загрязнений, а не самой поверхности. Поскольку игла соприкасается с поверхностью, этот метод нечувствителен к отражательной способности поверхности или цвету. Радиус наконечника иглы может составлять всего 20 нанометров, что значительно лучше, чем при оптическом профилировании в белом свете. Вертикальное разрешение также обычно составляет менее нанометра.

Бесконтактные профилометры

Оптический профилометр - это бесконтактный метод предоставления большей части той же информации, что и профилометр на основе щупа. В настоящее время используется множество различных методов, таких как лазерная триангуляция (датчик триангуляции ), конфокальная микроскопия (используется для профилирования очень маленьких объектов), интерферометрия с низкой когерентностью и цифровая голография.

Преимущества оптических профилометров - скорость, надежность и размер пятна. Для небольших шагов и требований к выполнению 3D-сканирования, поскольку бесконтактный профилометр не касается поверхности, скорость сканирования определяется светом, отраженным от поверхности, и скоростью электроники для сбора данных. При выполнении больших шагов 3D-сканирование на оптическом профилировщике может быть намного медленнее, чем 2D-сканирование на стилусе. Оптические профилометры не касаются поверхности и поэтому не могут быть повреждены из-за поверхностного износа или неосторожности оператора. Многие бесконтактные профилометры являются твердотельными, что значительно сокращает необходимое техническое обслуживание. Размер пятна или поперечное разрешение оптических методов варьируется от нескольких микрометров до субмикрометров.

Профилометры с временным разрешением

Самовосстанавливающийся полимер от Tosoh Corporation (Япония), измеренный с помощью цифрового голографического микроскопа

Ультразвуковые преобразователи MEMS, измеренные на частоте 8 МГц в стробоскопическом режиме

Несканирующие технологии как цифровая голографическая микроскопия включить трехмерное измерение топографии в реальном времени. 3D-топография измеряется с одной камеры, как следствие, скорость захвата ограничена только скоростью захвата камеры, некоторые системы измеряют топографию с частотой кадров 1000 кадров в секунду. Системы с временным разрешением позволяют измерять изменения топографии по мере восстановления умные материалы или измерение движущихся образцов. профилометры с временным разрешением могут быть объединены со стробоскопическим устройством для измерения МЭМС колебания в диапазоне МГц. Стробоскопический блок подает сигнал возбуждения на МЭМС и подает сигнал запуска на источник света и камеру.

Преимущество профилометров с временным разрешением состоит в том, что они устойчивы к вибрациям. В отличие от методов сканирования, время регистрации профилометра с временным разрешением находится в диапазоне миллисекунд. Калибровка по вертикали не требуется: измерение по вертикали не зависит от механизма сканирования, цифровая голографическая микроскопия вертикальное измерение имеет встроенную вертикальную калибровку на основе длины волны лазерного источника. Образцы не статичны, и топография образца реагирует на внешний раздражитель. При измерении в полете топография движущегося образца достигается за короткое время экспозиции. Измерение вибраций MEMS может быть выполнено, когда система объединена со стробоскопическим устройством.

Волоконно-оптические профилометры

Оптоволокно Оптические профилометры на основе профиля сканируют поверхности с помощью оптических датчиков, которые посылают сигналы световой интерференции обратно на детектор профилометра по оптическому волокну. Волоконно-оптические зонды могут физически располагаться на расстоянии сотен метров от корпуса детектора без ухудшения качества сигнала. Дополнительными преимуществами использования волоконно-оптических профилометров являются гибкость, получение длинных профилей, надежность и простота внедрения в производственные процессы. Благодаря небольшому диаметру некоторых датчиков поверхности можно сканировать даже в труднодоступных местах, таких как узкие щели или трубки малого диаметра.^[5]Поскольку эти датчики обычно захватывают одну точку за раз и при высоких скоростях отбора проб, возможно получение длинных (непрерывных) профилей поверхности. Сканирование может происходить в агрессивных средах, включая очень горячие или криогенный температуры, или в радиоактивных камерах, в то время как детектор расположен на расстоянии, в безопасной для человека среде.^[6]Зонды на основе волокна легко устанавливаются в процессе, например, над движущимися полотнами или устанавливаются на различные системы позиционирования.

Смотрите также

• Профилометрия дорог
• Метрология поверхности

Рекомендации

1. Жан М. Беннетт, Ларс Матссон, Введение в шероховатость поверхности и рассеяние, Оптическое общество Америки, Вашингтон, округ Колумбия.
2. У. Дж. Валецки, Ф. Сонди и М. М. Хилали, «Быстрая поточная метрология топографии поверхности, позволяющая рассчитывать напряжения для производства солнечных элементов с производительностью более 2000 пластин в час», 2008 г. Измер. Sci. Technol. 19 025302 (6pp) Дои:10.1088/0957-0233/19/2/025302
3. Стаут, К. Дж .; Блант, Лиам (2000). Трехмерная топография поверхности (2-е изд.). Пентон Пресс. п. 22. ISBN  978-1-85718-026-8.
4. Бинниг, Герд, Кальвин Ф. Куэйт и Ч. Гербер (1986). ""Атомно-силовой микроскоп. "Physical Review Letters 56.9 (1986): 930". Письма с физическими проверками. 56 (9): 930–933. Дои:10.1103 / PhysRevLett.56.930. PMID  10033323.
5. Дюфур, Марк; Lamouche, G .; Gauthier, B .; Padioleau, C .; Мончалин, Дж. П. (2006). «Проверка труднодоступных промышленных деталей с использованием зондов малого диаметра» (PDF). Отдел новостей SPIE. SPIE. Дои:10.1117/2.1200610.0467. Получено 15 декабря, 2010.
6. Dufour, M. L .; Lamouche, G .; Detalle, V .; Gauthier, B .; Саммут, П. (апрель 2005 г.). «Низкокогерентная интерферометрия - передовой метод оптической метрологии в промышленности». Insight: неразрушающий контроль и мониторинг состояния. 47 (4): 216–219. CiteSeerX  10.1.1.159.5249. Дои:10.1784 / insi.47.4.216.63149. ISSN  1354-2575.

внешняя ссылка