Une mesure de micro-déplacement basée sur la technique de l’ombre

Résumé

La mesure de micro-déplacement de haute précision est importante dans le domaine de l’ingénierie aérospatiale, de l’usinage d’ultra-précision et du micro-assemblage. Le présent protocole décrit la mesure des micro-déplacements basée sur la technique de l’ombre.

Résumé

La mesure de précision du micro-déplacement est importante dans les domaines scientifiques et industriels. Cependant, il s’agit d’un défi de taille en raison de la conception complexe et du coût élevé des instruments de mesure. Inspirée par l’ombre formée par les arpenteurs d’eau marchant sur une surface d’eau sous la lumière du soleil, une méthode de mesure de micro-déplacement a été proposée. Les jambes de l’arpenteur d’eau aux propriétés superhydrophobes plient la surface de l’eau. La surface incurvée de l’eau réfracte la lumière du soleil, créant une ombre avec un bord brillant au fond de l’étang. La taille de l’ombre est généralement supérieure à la profondeur d’indentation des pattes par rapport à la surface de l’eau. Dans le système de mesure de micro-déplacement, le déplacement appliqué est proportionnel à la variation du diamètre de l’ombre. L’étude présentée propose une procédure de mesure de micro-déplacement basée sur cette technique d’ombre. La sensibilité au déplacement peut atteindre 10,0 nm/pixel dans la plage de 5 μm. Ce système est simple à construire, peu coûteux et a une grande précision avec de bonnes performances linéaires. La méthode offre une option supplémentaire pratique pour mesurer le micro-déplacement.

Introduction

Les mesures précises de déplacement jouent un rôle essentiel dans les domaines de l’ingénierie aérospatiale¹, de l’usinage d’ultra-précision² et du micro-assemblage³. La déformation structurelle doit être mesurée avec précision pour la surveillance de l’état structurel⁴. Cependant, les mesures de micro-déplacement avec une grande précision restent un défi difficile en raison de la conception complexe et du coût élevé des instruments de mesure⁵.

La technique de mesure du micro-déplacement peut être divisée en méthodes conventionnelles et non conventionnelles. Les méthodes conventionnelles, telles que les capteurs magnétiques, capacitifs, inductifs et électriques, sont sensibles aux interférences électromagnétiques⁶. Les méthodes non conventionnelles sont principalement des méthodes optiques, telles que la méthode à base de fibre optique et la méthode laser.

Ke Tian et al. ont conçu une structure de fibre multimode courbée en forme de ballon pour mesurer le micro-déplacement, dont la sensibilité au déplacement pouvait atteindre 0,51 dB/μm avec une plage de mesure de 0-100 μm expérimentalement⁷. Cependant, la taille et le coût du démodulateur à fibre optique doivent être pris en compte en premier ; Et il n’a pas été facile d’éliminer l’effet thermique. Qianbo Lu et al. ont proposé un capteur de déplacement de résolution sub-nanométrique basé sur une cavité interférométrique à réseau, dont la sensibilité pourrait atteindre 44,75 mV/nm par la compensation d’intensité et la modulation de phase⁸. L’interféromètre laser est l’un des instruments de micro-déplacement couramment utilisés avec une résolution à l’échelle nanométrique. Cependant, le réflecteur nécessite un traitement du signal compliqué, et la résolution marginale de l’interférométrie limite ses applications⁹. Par conséquent, un système de mesure alternatif, simple, peu coûteux et de haute précision est nécessaire.

Cet article propose une procédure de mesure de micro-déplacement basée sur la technique de l’ombre 10,11,12,13 qui est simple, peu coûteuse et très précise avec de bonnes performances linéaires. Cette méthode a été inspirée par les arpenteurs d’eau marchant à la surface de l’eau. Les jambes de l’arpenteur d’eau aux propriétés superhydrophobes plient la surface de l’eau. La surface incurvée de l’eau réfracte la lumière du soleil, créant une ombre avec un bord brillant au fond de l’étang. La taille de l’ombre est généralement beaucoup plus grande que la profondeur d’indentation des pattes à partir de la surface de l’eau 14,15,16. Dans le système, le déplacement appliqué et la variation du diamètre de l’ombre étaient proportionnels, ce qui a été vérifié par l’expérience d’étalonnage. La recherche indique que cette méthode offre une alternative pour mesurer avec précision le microdéplacement.

Protocole

1. Préparation de la pièce PDMS

1. Préparez le polymère de polydiméthylsiloxane (PDMS, voir le tableau des matériaux) en pesant la base et l’agent de durcissement (à l’aide d’une balance) dans un rapport de 30:1 dans un récipient en polycarbonate cuboïde (PC).
   REMARQUE : La taille du récipient est de 60 mm × 45 mm × 15 mm. La hauteur du mélange est d’environ 10 mm.
2. Mélangez le mélange PDMS dans un mélangeur pendant environ 20 min jusqu’à ce qu’il soit rempli de bulles.
3. Utilisez une pompe à vide pour éliminer les bulles du mélange pendant environ 30 minutes (voir tableau des matériaux).
4. Durcissez le PDMS dans un four à 65 °C pendant 4 h.
5. Utilisez la pièce PDMS formée dans le conteneur PC comme élément sensible au déplacement (étape 2.1).
   REMARQUE : La taille de la pièce PDMS est de 60 mm × 45 mm × 10 mm.

2. Préparation expérimentale pour la mesure des micro-déplacements

1. Rassemblez tous les modules/composants du système de mesure, y compris une source lumineuse parallèle, un diaphragme d’ouverture d’un diamètre de 0,7 mm, un morceau de PDMS (l’élément sensible au déplacement), un établi avec trois pieds cylindriques rigides, une caméra, un positionneur de précision vertical, des platines motorisées et d’autres composants (voir tableau des matériaux), comme indiqué sur la figure 1 et la figure 2.
2. Placez l’établi obtenu dans le commerce (voir la table des matériaux) sur le PDMS.
   REMARQUE : La surface du PDMS est pliée par les pieds de l’établi. L’établi est obtenu par usinage de l’aluminium. Le diamètre des pieds cylindriques rigides est de 0,5 mm, ce qui doit être aussi petit que possible.
3. Connectez la source lumineuse parallèle avec le diaphragme d’ouverture pour émettre un faisceau lumineux parallèle d’un certain diamètre verticalement sur l’une des jambes cylindriques rigides.
   REMARQUE : Le diamètre du faisceau lumineux parallèle est de 0,7 mm, qui doit être aussi petit que possible.
4. Placez la source lumineuse parallèle à environ 50 mm au-dessus de la surface PDMS en ajustant les platines motorisées de l’établi.
   REMARQUE : La surface courbée réfracte la lumière parallèle en créant une ombre avec un bord brillant, comme illustré à la figure 3.
5. Placez l’appareil photo directement à 260 mm sous le PDMS pour capturer l’image de l’ombre. Ajustez le grossissement de l’objectif de l’appareil photo de sorte que l’ombre remplisse toute l’image.
   REMARQUE : La taille et la résolution de l’appareil photo sont d’environ 3,72 μm et 4 000 × 6 000, respectivement.
6. Fixez le positionneur de précision vertical avec une résolution de 0,2 nm au-dessus de l’établi pour calibrer la sensibilité au déplacement (étape 4).

3. Traitement d’image

1. Convertissez la photographie couleur de l’ombre en une image en niveaux de gris à l’aide d’un logiciel de vision industrielle (voir la table des matériaux).
   1. Cliquez sur le bouton de démarrage du logiciel pour traiter l’image de l’ombre et obtenir directement le diamètre de l’ombre.
      REMARQUE : Le code des étapes de traitement d’image est intégré dans le logiciel.
2. Effectuez le prétraitement de l’image, y compris le filtrage gaussien pour supprimer le bruit et l’amélioration de l’image pour améliorer le contraste de l’image¹².
3. Utilisez l’opérateur Astucieux pour calculer le dégradé de chaque pixel et obtenir des ensembles de contours de contours de sous-pixels. Exclure les pixels non liés aux contours en fonction de la suppression non maximale¹².
4. Éliminez les contours d’arête qui ne font pas partie des arêtes d’ombre en définissant un certain seuil de longueur.
5. Ajustez le diamètre de l’ombre par l’ajustement des moindres carrés des cercles¹⁷.

4. Calibrage du déplacement

1. Ajustez le positionneur de précision vertical (voir tableau des matériaux) pour qu’il entre en contact avec le bouton de chargement de l’établi.
2. Capturez l’image d’ombre actuelle comme image de référence.
3. Conduisez l’établi pour qu’il descende par pas de 1 μm jusqu’à ce que la distance entre l’établi et le positionneur de précision vertical soit de 5 μm.
4. Capturez les photos de l’ombre avec l’appareil photo à chaque étape.
5. Répétez l’expérience cinq fois.
6. Ajustez les résultats pour obtenir la relation entre la sortie de déplacement du positionneur de précision vertical et la variation du diamètre de l’ombre selon l’équation 4 (voir Résultats représentatifs).
   REMARQUE : À partir de là, la sensibilité au déplacement k est obtenue.

5. Mesure du micro-déplacement

1. Débranchez le contact entre le positionneur de précision vertical et le bouton de charge de l’établi.
2. Capturez l’image d’ombre actuelle comme image de référence.
3. Ajustez la platine linéaire motorisée (résolution, 0,625 μm) pour qu’elle soit en contact avec le bouton de charge.
   REMARQUE : Dans la présente étude, une platine linéaire motorisée disponible dans le commerce (voir le tableau des matériaux) a été utilisée pour démontrer la mesure du micro-déplacement. Cependant, les utilisateurs peuvent mesurer de nombreux échantillons courants qui nécessitent une mesure de micro-déplacement.
4. Capturez l’image actuelle de l’ombre due au micro-déplacement.
   REMARQUE : Une fois que l’échantillon de test entre en contact avec le bouton de chargement, l’établi se déplace. Le diamètre de l’ombre change en raison du micro-déplacement. Ensuite, l’image de l’ombre est capturée et le diamètre de l’ombre est déterminé.
5. Déterminez la variation du diamètre de l’ombre par traitement d’image (étape 3) et calculez le micro-déplacement en fonction de la sensibilité de déplacement calibrée k et de l’équation 4.
   REMARQUE : Le Z de l’équation 4 est le micro-déplacement.

Résultats

Conformément au protocole, la sensibilité du système de mesure de micro-déplacement peut être calibrée et le micro-déplacement peut être mesuré. La méthode de l’ombre dans la mesure du micro-déplacement est présentée comme suit. La figure 3 montre le trajet de la lumière parallèle à travers la surface déformée du PDMS en raison du déplacement appliqué. La réfraction de la lumière parallèle forme une ombre ayant un bord brillant. La solution explicite des déplacements z(x) d...

Discussion

Ce protocole proposait un système de mesure de micro-déplacement basé sur la technique de l’ombre. L’étalonnage du déplacement est l’étape critique du protocole pour obtenir la sensibilité au déplacement et la plage de mesure. La sensibilité au déplacement peut être améliorée en réduisant les diamètres des jambes cylindriques et celui du faisceau lumineux parallèle et en augmentant la distance de travail sur la base de l’équation 4. De plus, la taille des pixels et la résolution de l’app...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Diaphragme d’ouverture	Traité par un meulage		Le diamètre de l’ouverture est de 0,7 mm.
Appareil photo	Canon  ;	EOS80D	La taille des pixels et la résolution de l’appareil photo sont d’environ 3,72 &mu ; m et 4000 & fois ; 6000, respectivement.
HALCON	MVTec Software GmbH	18.11	MVTec HALCON est le logiciel standard complet pour la vision industrielle avec un environnement de développement intégré (HDevelop) utilisé dans le monde entier.
Platine linéaire motorisée	Zolix	TSA50-C	Résolution 0.625 &mu ; m
Source lumineuse parallèle	Oriental Technology (Shanghai) Co, Ltd.	BTPL-50G	La longueur d’onde maximale est de 523 nm.
Polydiméthylsiloxane (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184	PDMS est un polymère réticulé transparent à base de silicium.
Pompe à vide	SHANGHAI LICHEN-BX INSTRUMENT TECHONOLOGY CO., Ltd	2XZ-6B	Le débit de pompage est de 6 L / s.Le vide ultime est &le ; 1 Pa  ;
Positionneur vertical de précision	PI	P-620. ZCD	La résolution est de 0,2 nm dans la plage de 50 &mu ;m.
Établi avec trois pieds cylindriques rigides	Usiné par un meulage		Le diamètre des pieds est de 0,5 mm. Les pattes sont réparties sur les points de trisection d’un cercle d’un rayon de 14 mm