مقالة منهجية

قياس الإزاحة الدقيقة على أساس تقنية الظل

DOI:

10.3791/64658

⸱

أكتوبر 7, 2022

 ,  ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, 2State Key Laboratory of Tribology, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعد قياس الإزاحة الدقيقة عالي الدقة مهما في مجال هندسة الطيران ، والتشغيل الآلي فائق الدقة ، والتجميع الدقيق. يصف البروتوكول الحالي قياس الإزاحة الدقيقة بناء على تقنية الظل.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعد القياس الدقيق للإزاحة الدقيقة أمرا مهما في المجالات العلمية والصناعية. ومع ذلك ، فهو يمثل تحديا صعبا بسبب التصميم المعقد والتكلفة العالية لأدوات القياس. مستوحاة من الظل المتكون من خطوات مائية تمشي على سطح مائي تحت أشعة الشمس ، تم اقتراح طريقة قياس الإزاحة الدقيقة. أرجل strider الماء مع خصائص الكارهة للماء تنحني سطح الماء. يكسر السطح المنحني للماء ضوء الشمس ، مما يخلق ظلا بحافة مشرقة في قاع البركة. يكون حجم الظل بشكل عام أكبر من عمق المسافة البادئة للأرجل من سطح الماء. في نظام قياس الإزاحة الدقيقة ، يتناسب الإزاحة المطبقة مع التغير في قطر الظل. تقترح الدراسة المقدمة إجراء قياس الإزاحة الدقيقة بناء على تقنية الظل هذه. يمكن أن تصل حساسية الإزاحة إلى 10.0 نانومتر / بكسل في نطاق 5 ميكرومتر. هذا النظام سهل البناء ومنخفض التكلفة وله دقة عالية مع أداء خطي جيد. توفر الطريقة خيارا إضافيا مناسبا لقياس الإزاحة الدقيقة.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تلعب قياسات الإزاحة الدقيقة دورا حيويا في مجالات هندسة الطيران1 ، والمعالجة فائقة الدقة2 ، والتجميع الدقيق3. يجب قياس التشوه الهيكلي بدقة لمراقبة الصحة الهيكلية4. ومع ذلك ، تظل قياسات الإزاحة الدقيقة بدقة عالية تحديا صعبا بسبب التصميم المعقد والتكلفة العالية لأدواتالقياس 5.

يمكن تقسيم تقنية قياس الإزاحة الدقيقة إلى طرق تقليدية وغير تقليدية. الطرق التقليدية ، مثل المستشعرات المغناطيسية والسعوية والحثية والكهربائية ، عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي6. الطرق غير التقليدية هي طرق بصرية بشكل أساسي ، مثل الطريقة القائمة على الألياف الضوئية وطريقة الليزر.

Ke Tian et al. صمم هيكل ألياف منحني متعدد الأوضاع على شكل بالون لقياس الإزاحة الدقيقة ، والتي يمكن أن تحقق حساسية الإزاحة 0.51 ديسيبل / ميكرومتر مع نطاق قياس من 0-100 ميكرومتر تجريبيا7. ومع ذلك ، يجب مراعاة حجم وتكلفة مزيل تشكيل الألياف الضوئية أولا ؛ ولم يكن من السهل القضاء على التأثير الحراري. Qianbo Lu et al. اقترح مستشعر إزاحة بدقة دون نانومتر يعتمد على تجويف تداخل شبكي ، يمكن أن تصل حساسيته إلى 44.75 مللي فولت / نانومتر عن طريق تعويض الشدة وتعديلالطور 8. مقياس التداخل بالليزر هو أحد أدوات الإزاحة الدقيقة شائعة الاستخدام بدقة نانوية. ومع ذلك ، يتطلب العاكس معالجة إشارة معقدة ، والدقة الهامشية لقياس التداخل تحد من تطبيقاته9. لذلك ، هناك حاجة إلى نظام قياس بديل بسيط ومنخفض التكلفة وعالي الدقة.

تقترح هذه المقالة إجراء قياس الإزاحة الدقيقة بناء على تقنية الظل10،11،12،13 وهي بسيطة ومنخفضة التكلفة ودقيقة للغاية مع أداء خطي جيد. هذه الطريقة مستوحاة من متسابقي المياه الذين يمشون على سطح الماء. أرجل strider الماء مع خصائص الكارهة للماء تنحني سطح الماء. يكسر السطح المنحني للماء ضوء الشمس ، مما يخلق ظلا بحافة مشرقة في قاع البركة. حجم الظل بشكل عام أكبر بكثير من عمق المسافة البادئة للأرجل من سطح الماء14،15،16. في النظام ، كان الإزاحة المطبقة والتغيير في قطر الظل متناسبين ، والذي تم التحقق منه من خلال تجربة المعايرة. يشير البحث إلى أن هذه الطريقة توفر بديلا لقياس الإزاحة الدقيقة بدقة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تحضير قطعة PDMS

  1. قم بإعداد بوليمر بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS ، انظر جدول المواد) عن طريق وزن القاعدة وعامل المعالجة (باستخدام ميزان الوزن) بنسبة 30: 1 في حاوية بولي كربونات متوازي المستطيلات (PC).
    ملاحظة: حجم الحاوية 60 مم × 45 مم × 15 مم. يبلغ ارتفاع الخليط حوالي 10 مم.
  2. اخلطي خليط PDMS في الخلاط لمدة 20 دقيقة حتى يمتلئ بالفقاعات.
  3. استخدم مضخة تفريغ لإزالة الفقاعات من الخليط لمدة 30 دقيقة تقريبا (انظر جدول المواد).
  4. عالج PDMS في فرن 65 درجة مئوية لمدة 4 ساعات.
  5. استخدم قطعة PDMS المشكلة في حاوية الكمبيوتر الشخصي كعنصر حساس للإزاحة (الخطوة 2.1).
    ملاحظة: حجم قطعة PDMS هو 60 مم × 45 مم × 10 مم.

2. التحضير التجريبي لقياس الإزاحة الدقيقة

  1. اجمع جميع الوحدات / مكونات نظام القياس ، بما في ذلك مصدر الضوء المتوازي ، وغشاء فتحة العدسة بقطر 0.7 مم ، وقطعة من PDMS (العنصر الحساس للإزاحة) ، وطاولة عمل بثلاثة أرجل أسطوانية صلبة ، وكاميرا ، ومحددات موضع الدقة الرأسية ، والمراحل الآلية ، والمكونات الأخرى (انظر جدول المواد) ، كما هو موضح في الشكل 1 والشكل 2.
  2. ضع طاولة العمل التي تم الحصول عليها تجاريا (انظر جدول المواد) على PDMS.
    ملاحظة: سطح PDMS مثني بواسطة أرجل طاولة العمل. يتم الحصول على طاولة العمل عن طريق تصنيع الألومنيوم. يبلغ قطر الأرجل الأسطوانية الصلبة 0.5 مم ، والتي يجب أن تكون صغيرة قدر الإمكان.
  3. قم بتوصيل مصدر الضوء المتوازي بغشاء الفتحة لإصدار شعاع ضوئي متوازي بقطر معين عموديا لإحدى الأرجل الأسطوانية الصلبة.
    ملاحظة: يبلغ قطر شعاع الضوء المتوازي 0.7 مم ، والذي يجب أن يكون صغيرا قدر الإمكان.
  4. ضع مصدر الضوء المتوازي على بعد حوالي 50 مم فوق سطح PDMS عن طريق ضبط المراحل الآلية لطاولة العمل.
    ملاحظة: يكسر السطح المنحني الضوء الموازي مما يخلق ظلا بحافة ساطعة ، كما هو موضح في الشكل 3.
  5. ضع الكاميرا مباشرة على 260 مم أسفل نظام إدارة المفاتيح الرقمية لالتقاط صورة الظل. اضبط تكبير عدسة الكاميرا بحيث يملأ الظل الصورة بأكملها.
    ملاحظة: يبلغ حجم البكسل والدقة في الكاميرا حوالي 3.72 ميكرومتر و 4,000 × 6,000 على التوالي.
  6. قم بتثبيت محدد الموضع الدقيق الرأسي بدقة 0.2 نانومتر فوق طاولة العمل لمعايرة حساسية الإزاحة (الخطوة 4).

3. معالجة الصور

  1. قم بتحويل الصورة الفوتوغرافية الملونة للظل إلى صورة بتدرج الرمادي باستخدام برنامج رؤية الآلة (انظر جدول المواد).
    1. انقر فوق زر البدء الخاص بالبرنامج لمعالجة صورة الظل والحصول على قطر الظل مباشرة.
      ملاحظة: تم دمج رمز خطوات معالجة الصور في البرنامج.
  2. قم بإجراء المعالجة المسبقة للصورة ، بما في ذلك التصفية الغوسية لإزالة التشويش وتحسين الصورة لتحسين تباين الصورة12.
  3. استخدم عامل التشغيل Canny لحساب تدرج كل بكسل والحصول على مجموعات كفاف حواف البكسل الفرعية. استبعاد وحدات البكسل غير الحافية استنادا إلى الحد الأقصى للقمع12.
  4. تخلص من خطوط الحواف التي ليست جزءا من حواف الظل عن طريق تعيين حد طول معين.
  5. قم بتركيب قطر الظل من خلال المربعات الصغرى للدوائر17.

4. معايرة الإزاحة

  1. اضبط محدد موضع الدقة الرأسي (انظر جدول المواد) للاتصال بزر التحميل الخاص بطاولة العمل.
  2. التقط صورة الظل الحالية كصورة مرجعية.
  3. قم بقيادة طاولة العمل للتحرك لأسفل في خطوات 1 ميكرومتر حتى تكون المسافة بين منضدة العمل ومحددات موضع الدقة الرأسية 5 ميكرومتر.
  4. التقط صور الظل بالكاميرا في كل خطوة.
  5. كرر التجربة خمس مرات.
  6. قم بملاءمة النتائج للحصول على العلاقة بين خرج الإزاحة لمحدد الموضع الدقيق الرأسي والتغير في قطر الظل وفقا للمعادلة 4 (انظر النتائج التمثيلية).
    ملاحظة: من هنا ، يتم الحصول على حساسية الإزاحة k .

5. قياس الإزاحة الدقيقة

  1. افصل جهة الاتصال بين محدد الموضع الدقيق الرأسي وزر التحميل الخاص بطاولة العمل.
  2. التقط صورة الظل الحالية كصورة مرجعية.
  3. اضبط المرحلة الخطية الآلية (الدقة ، 0.625 ميكرومتر) للاتصال بزر التحميل.
    ملاحظة: في هذه الدراسة ، تم استخدام مرحلة خطية آلية متاحة تجاريا (انظر جدول المواد) لإثبات قياس الإزاحة الدقيقة. ومع ذلك ، يمكن للمستخدمين قياس العديد من العينات الشائعة التي تتطلب قياس الإزاحة الدقيقة.
  4. التقط الصورة الحالية للظل بسبب الإزاحة الدقيقة.
    ملاحظة: بمجرد أن تتلامس عينة الاختبار مع زر التحميل ، تتحرك طاولة العمل. يتغير قطر الظل بسبب الإزاحة الدقيقة. ثم يتم التقاط صورة الظل ، ويتم تحديد قطر الظل.
  5. حدد التغيير في قطر الظل عن طريق معالجة الصورة (الخطوة 3) واحسب الإزاحة الدقيقة وفقا لحساسية الإزاحة المعايرة k والمعادلة 4.
    ملاحظة: Z في المعادلة 4 هي الإزاحة الدقيقة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

باتباع البروتوكول ، يمكن معايرة حساسية نظام قياس الإزاحة الدقيقة ، ويمكن قياس الإزاحة الدقيقة. يتم عرض طريقة الظل في قياس الإزاحة الدقيقة على النحو التالي. يوضح الشكل 3 مسار انتقال الضوء المتوازي عبر السطح المشوه PDMS بسبب الإزاحة المطبقة. يشكل انكسار الضوء الموازي ظلا له حافة مشرقة. الحل الصريح للإزاحة z (x) لسطح PDMS بناء على نموذج Johnson-Kendall-Roberts (JKR) هو18:

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

اقترح هذا البروتوكول نظاما لقياس الإزاحة الدقيقة يعتمد على تقنية الظل. معايرة الإزاحة هي الخطوة الحاسمة داخل البروتوكول للحصول على حساسية الإزاحة ونطاق القياس. يمكن تحسين حساسية الإزاحة عن طريق تقليل أقطار الأرجل الأسطوانية وشعاع الضوء المتوازي وزيادة مسافة العمل بناء على المعادلة 4. علاوة على ذلك ، يعد حجم البكسل ودقة الكاميرا ، بالإضافة إلى دقة معالجة الصور ، أيضا أمرا أساسيا لتحسين حساسية الإزاحة. يجب أن يكون حجم البكسل صغيرا قدر الإمكان للحصول على أصغر تغيير في قطر الظل. يجب أن تكون ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نشكر البرنامج الوطني للبحث والتطوير الرئيسي في الصين (رقم 2021YFC2202702) لتمويل هذا العمل.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
الحجاب الحاجز الفتحةمعالج عن طريق الطحنقطر الفتحة 0.7 مم.
الكاميراCanon EOS80Dحجم البكسل ودقة الكاميرا حوالي 3.72 &mu. م و 4000 & مرات ؛ 6000 ، على التوالي.
HALCONMVTec Software GmbH18.11MVTec HALCON هو البرنامج القياسي الشامل لرؤية الماكينة مع بيئة تطوير متكاملة (HDevelop) تستخدم في جميع أنحاء العالم.
المرحلة الخطية الآليةZolixTSA50-Cالقرار 0.625 & mu ؛ م
مصدر الضوء الموازيOriental Technology (Shanghai) المحدودة.BTPL-50Gيبلغ الطول الموجي الأقصى 523 نانومتر.
بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS)داو كورنينجسيلجارد 184PDMS عبارة عن بوليمر متشابك شفاف قائم على السيليكون.
مضخة فراغشنغهاي الحزاز BX أداة التكنولوجيا المحدودة2XZ-6Bمعدل الضخ هو 6 لتر / ثانية. 1 Pa 
محدد الموضع العمودي بدقةPIP-620. ZCDالدقة 0.2 نانومتر في حدود 50 متر
منضدة عمل بثلاثة أرجل أسطوانية صلبةمعالجتها عن طريق طحنالدقة قطر الأرجل 0.5 مم. يتم توزيع الأرجل على نقاط التقاطع لدائرة نصف قطرها 14 مم
عالي الدقة شركة عالي

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

الفيديو قريباً

مقالات ذات صلة