Methodenartikel

Een micro-verplaatsingsmeting op basis van de schaduwtechniek

DOI:

10.3791/64658

⸱

7 oktober 2022

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

In dit artikel

Samenvatting

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

Uiterst nauwkeurige microverplaatsingsmeting is belangrijk op het gebied van lucht- en ruimtevaarttechniek, ultraprecisiebewerking en microassemblage. Het huidige protocol beschrijft het meten van microverplaatsingen op basis van de schaduwtechniek.

Samenvatting

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

De precisiemeting van microverplaatsing is belangrijk op wetenschappelijk en industrieel gebied. Het is echter een zware uitdaging vanwege het complexe ontwerp en de hoge kosten van meetinstrumenten. Geïnspireerd door de schaduw die wordt gevormd door waterruiters die onder zonlicht op een wateroppervlak lopen, werd een methode voor het meten van microverplaatsing voorgesteld. Waterstrider-benen met superhydrofobe eigenschappen buigen het wateroppervlak. Het gebogen oppervlak van het water breekt zonlicht, waardoor een schaduw ontstaat met een heldere rand op de bodem van de vijver. De schaduwgrootte is over het algemeen groter dan de inkepingsdiepte van de poten vanaf het wateroppervlak. In het meetsysteem voor microverplaatsing is de toegepaste verplaatsing evenredig met de verandering in de diameter van de schaduw. De gepresenteerde studie stelt een procedure voor het meten van microverplaatsingen op basis van deze schaduwtechniek. De verplaatsingsgevoeligheid kan 10,0 nm/pixel bereiken in het bereik van 5 μm. Dit systeem is eenvoudig te bouwen, goedkoop en heeft een hoge precisie met goede lineaire prestaties. De methode biedt een handige extra optie om microverplaatsing te meten.

Inleiding

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

Nauwkeurige verplaatsingsmetingen spelen een cruciale rol op het gebied van lucht- en ruimtevaarttechniek1, ultraprecisiebewerking2 en micro-assemblage3. Structurele vervorming moet nauwkeurig worden gemeten voor structurele gezondheidsmonitoring4. Microverplaatsingsmetingen met hoge precisie blijven echter een zware uitdaging vanwege het complexe ontwerp en de hoge kosten van de meetinstrumenten5.

De techniek voor het meten van microverplaatsingen kan worden onderverdeeld in conventionele en niet-conventionele methoden. Conventionele methoden, zoals magnetische, capacitieve, inductieve en elektrische sensoren, zijn gevoelig voor elektromagnetische interferentie6. Niet-conventionele methoden zijn voornamelijk optische methoden, zoals de op optische vezels gebaseerde methode en de lasermethode.

Ke Tian et al. ontwierpen een ballonvormige gebogen multimode vezelstructuur om microverplaatsing te meten, waarvan de verplaatsingsgevoeligheid experimenteel 0,51 dB/μm kon bereiken met een meetbereik van 0-100 μm7. Er moet echter eerst rekening worden gehouden met de grootte en de kosten van de glasvezeldemodulator; En het was niet eenvoudig om het thermische effect te elimineren. Qianbo Lu et al. stelde een verplaatsingssensor met een resolutie van minder dan nanometer voor op basis van een interferometrische holte van het rooster, waarvan de gevoeligheid 44,75 mV/nm zou kunnen bereiken door de intensiteitscompensatie en fasemodulatie8. De laserinterferometer is een van de meest gebruikte microverplaatsingsinstrumenten met een resolutie op nanoschaal. De reflector vereist echter een gecompliceerde signaalverwerking en de randresolutie van de interferometrie beperkt de toepassingen9. Daarom is een alternatief, eenvoudig geconstrueerd, goedkoop, zeer nauwkeurig meetsysteem nodig.

Dit artikel stelt een procedure voor het meten van microverplaatsing voor op basis van de schaduwtechniek 10,11,12,13 die eenvoudig, goedkoop en zeer nauwkeurig is met goede lineaire prestaties. Deze methode is geïnspireerd op waterwandelaars die over het wateroppervlak lopen. Waterstrider-benen met superhydrofobe eigenschappen buigen het wateroppervlak. Het gebogen oppervlak van het water breekt zonlicht, waardoor een schaduw ontstaat met een heldere rand op de bodem van de vijver. De schaduwgrootte is over het algemeen veel groter dan de inkepingsdiepte van de poten vanaf het wateroppervlak 14,15,16. In het systeem waren de toegepaste verplaatsing en de verandering in de diameter van de schaduw evenredig, wat werd geverifieerd door het kalibratie-experiment. Het onderzoek geeft aan dat deze methode een alternatief biedt voor het nauwkeurig meten van microverplaatsing.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Voorbereiding van het PDMS-stuk

  1. Bereid polydimethylsiloxaan (PDMS, zie materiaaltabel) polymeer door de basis en het verharder (met behulp van een weegbalans) te wegen in een verhouding van 30:1 in een kubusvormige container van polycarbonaat (PC).
    OPMERKING: De afmeting van de container is 60 mm × 45 mm × 15 mm. De hoogte van het mengsel is ongeveer 10 mm.
  2. Mix het PDMS-mengsel in een blender ongeveer 20 minuten tot het gevuld is met bubbels.
  3. Gebruik een vacuümpomp om luchtbellen ongeveer 30 minuten uit het mengsel te verwijderen (zie materiaaltabel).
  4. Laat de PDMS 4 uur uitharden in een oven van 65 °C.
  5. Gebruik het PDMS-stuk dat in de PC-container is gevormd als verplaatsingsgevoelig element (stap 2.1).
    OPMERKING: De afmeting van het PDMS-stuk is 60 mm × 45 mm × 10 mm.

2. Experimentele voorbereiding voor het meten van micro-verplaatsing

  1. Verzamel alle modules/componenten van het meetsysteem, inclusief een parallelle lichtbron, een diafragma met een diameter van 0,7 mm, een stuk PDMS (het verplaatsingsgevoelige element), een werkbank met drie stijve cilindrische poten, een camera, een verticale precisiepositioneerder, gemotoriseerde trappen en andere componenten (zie materiaaltabel), zoals weergegeven in Figuur 1 en Figuur 2.
  2. Plaats de in de handel verkrijgbare werkbank (zie Materiaaltabel) op het PDMS.
    OPMERKING: Het oppervlak van het PDMS wordt gebogen door de poten van de werkbank. De werkbank wordt verkregen door aluminium te bewerken. De diameter van de stijve cilindrische poten is 0,5 mm, wat zo klein mogelijk moet zijn.
  3. Sluit de parallelle lichtbron aan op het diafragma om een parallelle lichtstraal met een bepaalde diameter verticaal uit te zenden naar een van de stijve cilindrische poten.
    OPMERKING: De diameter van de parallelle lichtbundel is 0,7 mm, deze moet zo klein mogelijk zijn.
  4. Plaats de parallelle lichtbron ongeveer 50 mm boven het PDMS-oppervlak door de gemotoriseerde trappen van de werkbank aan te passen.
    OPMERKING: Het gebogen oppervlak breekt het parallelle licht en creëert een schaduw met een heldere rand, die wordt weergegeven in afbeelding 3.
  5. Plaats de camera direct op 260 mm onder het PDMS om het beeld van de schaduw vast te leggen. Pas de vergroting van de cameralens aan zodat de schaduw het hele beeld vult.
    OPMERKING: De pixelgrootte en resolutie van de camera zijn respectievelijk ongeveer 3.72 μm en 4,000 × 6,000.
  6. Bevestig de verticale precisiepositioneerder met een resolutie van 0.2 nm boven de werkbank om de verplaatsingsgevoeligheid te kalibreren (stap 4).

3. Beeldverwerking

  1. Converteer de kleurenfoto van de schaduw naar een afbeelding in grijswaarden met behulp van machine vision-software (zie Materiaaltabel).
    1. Klik op de startknop van de software om het schaduwbeeld te verwerken en direct de schaduwdiameter te verkrijgen.
      OPMERKING: De code van de beeldverwerkingsstappen is geïntegreerd in de software.
  2. Voer de voorbewerking van de afbeelding uit, inclusief Gaussiaanse filtering om de ruis te verwijderen en beeldverbetering om het beeldcontrast te verbeteren12.
  3. Gebruik de Canny-operator om het verloop van elke pixel te berekenen en randcontoursets voor subpixels te verkrijgen. Sluit niet-randpixels uit op basis van de niet-maximale onderdrukking12.
  4. Elimineer de randcontouren die geen deel uitmaken van schaduwranden door een bepaalde lengtedrempel in te stellen.
  5. Pas de schaduwdiameter aan met de kleinste kwadraten die passen bij cirkels17.

4. Kalibratie van de verplaatsing

  1. Pas de verticale precisiepositioneerder aan (zie Materiaaltabel) om contact te maken met de belastingsknop van de werkbank.
  2. Leg de huidige schaduwafbeelding vast als referentieafbeelding.
  3. Rijd de werkbank in stappen van 1 μm naar beneden totdat de afstand tussen de werkbank en de verticale precisiepositioneerder 5 μm is.
  4. Maak bij elke stap de foto's van de schaduw met de camera.
  5. Herhaal het experiment vijf keer.
  6. Pas de resultaten aan om de relatie te verkrijgen tussen de verplaatsingsoutput van de verticale precisiepositioneerder en de verandering in de diameter van de schaduw volgens vergelijking 4 (zie Representatieve resultaten).
    OPMERKING: Vanaf hier wordt de verplaatsingsgevoeligheid k verkregen.

5. Meten van micro verplaatsing

  1. Verbreek het contact tussen de verticale precisiepositioneerder en de belastingsknop van de werkbank.
  2. Leg de huidige schaduwafbeelding vast als referentieafbeelding.
  3. Pas de gemotoriseerde lineaire tafel (resolutie, 0,625 μm) aan om contact te maken met de belastingsknop.
    OPMERKING: In de huidige studie werd een in de handel verkrijgbare gemotoriseerde lineaire trap (zie materiaaltabel) gebruikt om de microverplaatsingsmeting te demonstreren. De gebruikers kunnen echter meten voor veel voorkomende monsters die micro-verplaatsingsmeting vereisen.
  4. Leg het huidige beeld vast van de schaduw als gevolg van microverplaatsing.
    NOTITIE: Zodra het testmonster in contact komt met de belastingsknop, beweegt de werkbank. De schaduwdiameter verandert als gevolg van microverplaatsing. Vervolgens wordt het schaduwbeeld vastgelegd en wordt de schaduwdiameter bepaald.
  5. Bepaal de verandering in de schaduwdiameter door middel van beeldverwerking (stap 3) en bereken de microverplaatsing volgens de gekalibreerde verplaatsingsgevoeligheid k en vergelijking 4.
    OPMERKING: De Z in vergelijking 4 is de microverplaatsing.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Volgens het protocol kan de gevoeligheid van het meetsysteem voor microverplaatsing worden gekalibreerd en kan de microverplaatsing worden gemeten. De schaduwmethode in de microverplaatsingsmeting wordt als volgt weergegeven. Figuur 3 toont de reisweg van parallel licht door het PDMS vervormde oppervlak als gevolg van de toegepaste verplaatsing. De breking van parallel licht vormt een schaduw met een heldere rand. De expliciete oplossing van verplaatsingen <...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Dit protocol stelde een micro-verplaatsingsmeetsysteem voor op basis van de schaduwtechniek. De verplaatsingskalibratie is de kritieke stap binnen het protocol om de verplaatsingsgevoeligheid en het meetbereik te verkrijgen. De verplaatsingsgevoeligheid kan worden verbeterd door de diameters van de cilindrische poten en die van de parallelle lichtbundel te verkleinen en de werkafstand te vergroten op basis van vergelijking 4. Bovendien zijn de pixelgrootte en de resolutie van de camera, ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

We danken het National Key Research and Development Program van China (nr. 2021YFC2202702) voor het financieren van dit werk.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
DiafragmaVerwerkt door hoogprecisieslijpenDe diameter van de opening is 0,7 mm.
CameraCanon EOS80DDe pixelgrootte en de resolutie van de camera zijn ongeveer 3,72 μm en 4000 × 6000, respectievelijk.
HALCONMVTec Software GmbH18.11MVTec HALCON is de uitgebreide standaardsoftware voor machinevisie met een geïntegreerde ontwikkelingsomgeving (HDevelop) die wereldwijd wordt gebruikt.
Gemotoriseerde lineaire faseZolixTSA50-CResolutie 0,625 μm
Parallelle lichtbronOriental Technology (Shanghai) Co, Ltd.BTPL-50GDe piekgolflengte is 523 nm.
Polydimethylsiloxaan (PDMS)Dow CorningSylgard 184PDMS is een transparant op silicium gebaseerd verknoopt polymeer.
VacuumpompSHANGHAI LICHEN-BX INSTRUMENT TECHONOLOGY CO.,Ltd2XZ-6BDe pompsnelheid is 6 L/s. Het uiteindelijke vacuüm is ≤1 Pa 
Verticale precisiepositiemeterPIP-620.ZCDDe resolutie is 0,2 nm in het bereik van 50 μm.
Werkbank met drie stijve cilindrische potenVerwerkt door hoogprecisieslijpenDe diameter van de poten is 0,5 mm. De poten zijn verdeeld op de driehoekpunten van een cirkel met een straal van 14 mm

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Waterspidsuperhydrofoob oppervlakprecisie metingverplaatsingsgevoeligheidgoedkope metingoppervlaktebrekinglineaire prestaties
Video binnenkort beschikbaar

Gerelateerde artikelen