接触触发式探头结构优化设计

设计了一种适用于微纳米三坐标测量机的高灵敏度接触触发式探头。介绍了该探头的结构和原理,建立了探头的灵敏度模型和刚度模型,依据三维方向等灵敏度和等刚度的原则,利用最优化方法得出了探头结构参数的最优解。对探头的刚度进行了仿真验证;分别对探头的刚度、分辨率以及稳定性进行了实验测试。实验结果表明:该探头在三维方向上的刚度均小于1 mN/μm,且近似相等;分辨率高于50 nm;当环境温度的波动范围小于±0.025℃时,探头在1.3 h内的漂移量为20nm。     

微纳米测量机测头结构的参数设计及分析

设计了一种高精度的接触扫描式测头,提出了4种测头弹性结构的设计方案。根据测头的测量范围、测量灵敏性、测量稳定性、各向同性的要求,选择了最优的设计结构。对选择的结构进行了参数设计、力学分析和有限元分析,分析结果表明设计的测头测量范围达到40 μm×40 μm×20 μm,测量刚度小于0.5 mN/μm,各向同性也符合设计要求。     

三坐标测量机微纳探头的设计与验证

介绍了国内外测量探头的研究现状;设计了基于簧线和簧片的弹性机构,建立了典型结构:弹性机构的刚度模型,对不同形状的弹性机构进行了仿真验证;介绍了作者团队研制的几种光学传感器及八款三坐标测量机微纳探头,对探头的性能进行了实验验证与测试;对三坐标测量机微纳测量探头的研究和发展趋势进行了总结和展望。     

半光斑成像式多功能激光瞄准测头的研究

运用半光斑成像原理设计了一种用于三坐标测量机的多功能激光瞄准测头。详细介绍了测头的光学系统工作原理和设计思路,采用自适应控制方法实时调节激光光强使其可以适应不同光学特性表面的瞄准测量,并进行了多功能测头的重复性瞄准测量、灵敏度测量、倾角跟踪实验。实验结果表明,该测头重复性瞄准测量不确定度优于1 μm,测量灵敏度可达30 mV/μm,激光跟踪瞄准被测曲面倾角可达25°,能满足三坐标测量机的使用要求。该测头具有检测速度快、自动化程度高、瞄准精度高的特点,结合三坐标测量机或者其它测长仪器,能够实现对自由曲面进行快速精确瞄准及轮廓图像瞄准测量,具有广泛的应用前景和实用价值。     

基于多电容传感大型主轴圆度的精密测量

为解决大型轴类零件圆度形状的高精度在线测量问题,研究了一种基于多电容传感、非接触式圆度形状测量系统,可现场测量直径达800 mm的精密主轴。介绍了大直径精密回转工作台的主轴圆度形状测量方法,分析了多测头三点法的误差分离技术,详细阐述了精密电容传感器的测量原理和系统的结构及数据评价方法。与高精度的圆度形状测量仪比较的实验结果表明,该测量系统的示值误差优于0.1 μm,重复性优于0.05 μm,能够满足现场测量要求。     

圆柱形声学共鸣腔特征长度的精密计量

声学共鸣腔特征长度是声学法测量玻尔兹曼常数的一个重要参数,其测量不确定度的量值直接影响着玻尔兹曼常数k的不确定度大小。介绍了研制的高精度圆柱形声学共鸣腔特征长度测量系统,阐述了其中的关键技术,实现了对测量结果进行环境参数的实时修正。测试数据表明,该测量系统对圆柱形声学共鸣腔特征长度的测量不确定度为0.60μm,3次测量标准差为0.20μm。     

基于静力称重法的微小容量光学检测系统标定

实验室常用静力称重法对微量液体容量进行检测,该方法在1μL容量的精确度达到2.18%,重复性为1.85%,但该方法无法在实验室外进行。现有的光学测量微量液体容量法的在1μL的精度为6.09%,重复性为1.31%。该法可实现在线检测,但其精度不如静力称重法。对光学测量微量液体容量的方法进行研究分析,提出了一种新的标定容量参照标准的方法,该标定方法将静力称重法与光学测量法两者结合,以静力称重法容量测量结果为参照标准,代替光学法原先的标准液。新的标定方法在原理上将参照标准由点扩展到线,可将光学测量法在10μL点的精度提高到2.014%,重复性1.30%。     

视频引伸计标定装置设计及标定方法研究

视频引伸计被用于测量材料的变形,需要进行在线标定和校准,然而目前尚无相应的标准和校准规范的指导,针对此,设计了一种光栅式引伸计在线标定装置,主要由控制器、步进电机、机械传动机构、光栅位移传感器、显示器以及上标定板、下标定板组成。第三方校准结果显示,该装置标距标定板最大相对示值误差为0.07%(Urel=0.04%,k=2);光栅位移部分技术指标:小于等于1/3mm时,绝对误差小于0.3μm(U=0.1μm,k=2),大于1/3mm时,相对误差小于0.1%(Urel=0.04%,k=2),技术指标明显优于使用要求。用该装置对视频引伸计进行了重复性和稳定性验证实验,对标定结果评定了不确定度。结果表明:该装置技术指标完全满足视频引伸计的在线标定。     

用于双探针原子力显微镜的定位平台的设计及实验验证

针对双探针原子力显微镜的需求,设计了一种提供精确位移的大行程定位平台。采用柔性铰链和压电陶瓷致动器分别作为定位平台的导向机构和驱动机构。在 X、Y和Z轴运动方向通过并联机构实现独立位移。对定位平台进行数学建模,分析和计算定位平台的工作刚度和固有频率,并进行了有限元仿真分析。以电容传感器作为位移测量单元构建了定位平台实验装置,并进行了实验验证。实验结果表明:定位平台在X与Y轴方向上拥有 110μm 的行程,分辨率为5nm,在Z轴方向上拥有45μm的行程,分辨率为5nm。     

基于线激光传感器的工件尺寸测量系统的误差补偿方法

提出了一种基于线激光传感器的工件尺寸测量系统的误差补偿方法,利用坐标系投影和图像处理技术进行误差补偿。设定传感器坐标系OM-XMYMZM和设备坐标系O-XYZ,分析坐标轴夹角φ、δ、γ对工件尺寸坐标值X、Y、Z的误差,建立了基于φ、δ、γ在XOY、YOZ、XOZ平面上的投影角α、β、θ的误差补偿模型。利用图像处理技术测得α、β、θ,计算经过误差补偿的工件尺寸坐标值X′、Y′、Z′。对尺寸100mm×100mm×10mm的长方体工件进行测量实验,分别测量了长度、宽度、圆心距、圆直径、圆线距、台阶高度。测量结果表明:经误差补偿后的工件尺寸测量误差在40μm以内,优于未补偿前的520μm;均方根误差低于40μm,优于未补偿前的580μm。其中,圆心距误差补偿效果最显著,测量误差减小了560μm;圆直径误差补偿效果最不明显,测量误差减小了10μm。     

基于光谱共焦的在线集成表面粗糙度测量方法

为了提高加工检测效率,实现尺寸形位公差与微观轮廓的同平台测量,提出一种基于光谱共焦位移传感器在现场坐标测量平台上集成表面粗糙度测量的方法.搭建实验测量系统且在LabVIEW平台上开发系统的硬件通讯控制模块,并配套了高斯轮廓滤波处理及表面粗糙度的评价环境,建立了非接触的表面粗糙度测量能力.对标准台阶、表面粗糙度标准样块和...     

温度条件对大尺寸测量装置精度影响的研究

大尺寸测量装置由于测量范围大,其测量精度受诸多因素影响,其中大尺寸测量装置所处环境条件变化会影响其测量精度。基于中国计量科学研究院地下一层实验室80m长度标准装置,在空调控温状态和自然温度状态(不控温)下,进行了长度测量范围为10,30,70m的测量精度实验研究,得到空调控温状态下折射率补偿误差分别为7.0,10.5,21.0μm;自然温度状态下折射率补偿误差分别为2.5,2.9,3.9μm。实验结果表明:大尺寸测量装置在自然温度状态下能得到更高的测量精度,当测量范围大于30m时,测量精度可优于10^-7量级。     

基于多层膜沉积的循迹式线宽标准样片

为了实现半导体行业内关键尺寸测量仪器的校准问题,展开了纳米尺寸线宽标准样片的研究工作。采用多层膜沉积技术研制了尺寸为20 nm和50 nm的纳米级线宽标准样片。针对标准样板整体尺寸小、仪器测量视场小所引起的校准时不便寻找的问题,以及由于样板线边缘质量问题导致每次测量不同位置结果相差太大的困扰,设计了定位循迹标志。共设计9组标志,每组标志9个标记格,每个标记格的宽度尺寸为0.5μm,标记格的间隔为2.5μm,每组标志之间的距离为100μm。采用半导体工艺进行加工,可以快速准确地寻找到标准的测量位置,保证了每次测量结果的重复性,有效提高了测量速度及准确性。     

绝对重力仪落体光心与质心空间距离测量

为了准确测量重力仪落体光心与质心距离,减少落体光心与质心不重合引起的旋转对重力加速度测量的影响,设计了落体光心与质心空间距离测量装置。提出了1种光心与质心间距的计算方法,并仿真验证了计算方法的可行性。使用设计的测量装置对落体进行测试,结果表明:激光干涉仪在信号频率为0.3~0.5Hz时的测量精度为0.1nm,提出的计算方法可以使测量系统的A类不确定度优于10μm,最大调校测量误差为1μm。