Artykuł metodologiczny

Pomiar mikroprzemieszczeń w oparciu o technikę cienia

DOI:

10.3791/64658

⸱

7 października 2022

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Precyzyjny pomiar mikroprzemieszczeń jest istotny w dziedzinie inżynierii lotniczej, ultraprecyzyjnej obróbki skrawaniem i mikromontażu. Niniejszy protokół opisuje pomiar mikroprzemieszczeń w oparciu o technikę cienia.

Streszczenie

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

Precyzyjny pomiar mikroprzemieszczeń jest ważny w dziedzinach naukowych i przemysłowych. Jest to jednak trudne wyzwanie ze względu na złożoną konstrukcję i wysoki koszt przyrządów pomiarowych. Zainspirowani cieniem utworzonym przez spacerowiczów wodnych spacerujących po powierzchni wody w świetle słonecznym, zaproponowano metodę pomiaru mikroprzemieszczeń. Nogi Water Stridera o właściwościach superhydrofobowych uginają powierzchnię wody. Zakrzywiona powierzchnia wody załamuje światło słoneczne, tworząc cień z jasną krawędzią na dnie stawu. Rozmiar cienia jest na ogół większy niż głębokość wcięcia nóg od powierzchni wody. W systemie pomiaru mikroprzemieszczeń zastosowane przemieszczenie jest proporcjonalne do zmiany średnicy cienia. W prezentowanym badaniu zaproponowano procedurę pomiaru mikroprzemieszczeń w oparciu o tę technikę zacienienia. Czułość przemieszczenia może osiągnąć 10,0 nm/piksel w zakresie 5 μm. Ten system jest prosty w budowie, tani i ma wysoką precyzję przy dobrej wydajności liniowej. Metoda zapewnia wygodną dodatkową opcję pomiaru mikroprzemieszczeń.

Wprowadzenie

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

Precyzyjne pomiary przemieszczeń odgrywają istotną rolę w dziedzinach inżynierii lotniczej i kosmicznej1, ultra-precision machining2, oraz mikro-assembly3. Deformacja strukturalna musi być dokładnie zmierzona w celu monitorowania stanu konstrukcji4. Jednak pomiary mikroprzemieszczeń z dużą precyzją pozostają trudnym wyzwaniem ze względu na złożoną konstrukcję i wysoki koszt przyrządów pomiarowych5.

Technikę pomiaru mikroprzemieszczeń można podzielić na metody konwencjonalne i niekonwencjonalne. Konwencjonalne metody, takie jak czujniki magnetyczne, pojemnościowe, indukcyjne i elektryczne, są podatne na zakłócenia elektromagnetyczne6. Metody niekonwencjonalne to głównie metody optyczne, takie jak metoda światłowodowa i metoda laserowa.

Ke Tian et al. zaprojektowali wygiętą wielomodową strukturę światłowodową w kształcie balonu do pomiaru mikroprzemieszczeń, których czułość przemieszczenia mogła osiągnąć 0,51 dB/μm przy zakresie pomiarowym 0-100 μm eksperymentalnie7. Jednak najpierw należy wziąć pod uwagę rozmiar i koszt demodulatora światłowodowego; I nie było łatwo wyeliminować efekt termiczny. Qianbo Lu i in. zaproponowali czujnik przemieszczenia o rozdzielczości subnanometrowej oparty na siatkowej wnęce interferometrycznej, którego czułość mogła osiągnąć 44,75 mV/nm dzięki kompensacji intensywności i modulacji fazy8. Interferometr laserowy jest jednym z powszechnie stosowanych przyrządów do mikroprzemieszczeń o rozdzielczości w skali nano. Jednak reflektor wymaga skomplikowanego przetwarzania sygnału, a rozdzielczość prążków interferometrii ogranicza jego zastosowania9. Dlatego potrzebny jest alternatywny, prosty w konstrukcji, tani i precyzyjny system pomiarowy.

Ten artykuł proponuje procedurę pomiaru mikroprzemieszczeń opartą na technice cienia10,11,12,13 która jest prosta, tania i bardzo precyzyjna z dobrą wydajnością liniową. Inspiracją do tej metody byli spacerowicze wodni chodzący po powierzchni wody. Nogi Water Stridera o właściwościach superhydrofobowych uginają powierzchnię wody. Zakrzywiona powierzchnia wody załamuje światło słoneczne, tworząc cień z jasną krawędzią na dnie stawu. Rozmiar cienia jest na ogół znacznie większy niż głębokość wcięcia nóg od powierzchni wody14,15,16. W układzie zastosowane przemieszczenie i zmiana średnicy cienia były proporcjonalne, co zostało zweryfikowane w eksperymencie kalibracyjnym. Badania wskazują, że metoda ta stanowi alternatywę dla precyzyjnego pomiaru mikroprzemieszczeń.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Przygotowanie elementu PDMS

  1. Przygotować polimer polidimetylosiloksanu (PDMS, patrz Tabela materiałów), ważąc bazę i utwardzacz (za pomocą wagi wagowej) w stosunku 30:1 w prostopadłościennym pojemniku z poliwęglanu (PC).
    UWAGA: Rozmiar pojemnika wynosi 60 mm × 45 mm × 15 mm. Wysokość mieszanki wynosi około 10 mm.
  2. Mieszaj mieszaninę PDMS w blenderze przez około 20 minut, aż wypełni się bąbelkami.
  3. Za pomocą pompy próżniowej usunąć pęcherzyki z mieszaniny przez około 30 minut (patrz Tabela Materiałów).
  4. Utwardzać PDMS w piekarniku o temperaturze 65 °C przez 4 godziny.
  5. Użyj elementu PDMS utworzonego w kontenerze PC jako elementu wrażliwego na przemieszczenie (krok 2.1).
    UWAGA: Rozmiar elementu PDMS wynosi 60 mm × 45 mm × 10 mm.

2. Eksperymentalne przygotowanie do pomiaru mikroprzemieszczeń

  1. Zbierz wszystkie moduły/komponenty systemu pomiarowego, w tym równoległe źródło światła, przysłonę aperturową o średnicy 0,7 mm, kawałek PDMS (element wrażliwy na przemieszczenie), stół warsztatowy z trzema sztywnymi cylindrycznymi nogami, kamerę, pionowy precyzyjny pozycjoner, zmotoryzowane stoliki i inne elementy (patrz tabela materiałów), jak pokazano na Rysunek 1 i Rysunek 2.
  2. Umieść uzyskany w handlu stół warsztatowy (patrz Tabela materiałów) na PDMS.
    UWAGA: Powierzchnia PDMS jest wygięta przez nogi stołu warsztatowego. Stół warsztatowy uzyskuje się poprzez obróbkę aluminium. Średnica sztywnych cylindrycznych nóg wynosi 0,5 mm, która musi być jak najmniejsza.
  3. Połącz równoległe źródło światła z przysłoną apertury, aby wyemitować równoległą wiązkę światła o określonej średnicy pionowo do jednej ze sztywnych cylindrycznych nóg.
    UWAGA: Średnica równoległej wiązki światła wynosi 0,7 mm, która musi być jak najmniejsza.
  4. Umieść równoległe źródło światła około 50 mm nad powierzchnią PDMS, regulując zmotoryzowane stages stołu warsztatowego.
    UWAGA: Wygięta powierzchnia załamuje równoległe światło, tworząc cień z jasną krawędzią, co pokazano na Rysunek 3.
  5. Umieść kamerę bezpośrednio na 260 mm pod PDMS, aby uchwycić obraz cienia. Dostosuj powiększenie obiektywu aparatu tak, aby cień wypełniał cały obraz.
    UWAGA: Rozmiar piksela i rozdzielczość kamery wynoszą odpowiednio około 3,72 μm i 4,000 × 6,000.
  6. Zamocuj pionowy pozycjoner precyzyjny z rozdzielczością 0.2 nm nad stołem warsztatowym, aby skalibrować czułość przemieszczenia (krok 4).

3. Przetwarzanie obrazu

  1. Przekonwertuj kolorowe zdjęcie cienia na obraz w skali szarości za pomocą oprogramowania do rozpoznawania obrazów (patrz Tabela materiałów).
    1. Kliknij przycisk Start oprogramowania, aby przetworzyć obraz cienia i bezpośrednio uzyskać średnicę cienia.
      UWAGA: Kod kroków przetwarzania obrazu jest zintegrowany z oprogramowaniem.
  2. Wykonaj wstępne przetwarzanie obrazu, w tym filtrowanie gaussowskie w celu usunięcia szumu i ulepszenie obrazu w celu zwiększenia kontrastu obrazu12.
  3. Użyj operatora Canny, aby obliczyć gradient każdego piksela i uzyskać zestawy konturów krawędzi subpikseli. Wyklucz piksele inne niż krawędzie na podstawie niemaksymalnego tłumienia12.
  4. Wyeliminuj kontury krawędzi, które nie są częścią krawędzi cienia, ustawiając określony próg długości.
  5. Dopasuj średnicę cienia do najmniejszych kwadratów pasujących do okręgów17.

4. Kalibracja przemieszczenia

  1. Wyreguluj pionowy precyzyjny pozycjoner (patrz Tabela materiałów), aby zetknął się z przyciskiem ładowania stołu warsztatowego.
  2. Przechwyć bieżący obraz cienia jako obraz referencyjny.
  3. Napędzaj stół warsztatowy tak, aby przesuwał się w dół w krokach co 1 μm, aż odległość między stołem warsztatowym a pionowym pozycjonerem precyzyjnym wyniesie 5 μm.
  4. Rób zdjęcia cienia aparatem na każdym kroku.
  5. Powtórz eksperyment pięć razy.
  6. Dopasuj wyniki, aby uzyskać zależność między wyjściem przemieszczenia precyzyjnego pozycjonera pionowego a zmianą średnicy cienia zgodnie z równaniem 4 (patrz wyniki reprezentatywne).
    UWAGA: Stąd uzyskuje się czułość przemieszczenia k.

5. Pomiar mikroprzemieszczenia

  1. Odłącz styk między pionowym pozycjonerem precyzyjnym a przyciskiem ładowania stołu warsztatowego.
  2. Przechwyć bieżący obraz cienia jako obraz referencyjny.
  3. Wyreguluj zmotoryzowany stolik liniowy (rozdzielczość, 0,625 μm), aby zetknął się z przyciskiem ładowania.
    UWAGA: W niniejszym badaniu wykorzystano dostępny na rynku zmotoryzowany stolik liniowy (patrz Tabela materiałów) w celu zademonstrowania pomiaru mikroprzemieszczenia. Jednak użytkownicy mogą mierzyć dla wielu typowych próbek, które wymagają pomiaru mikroprzemieszczenia.
  4. Uchwyć bieżący obraz cienia spowodowany mikroprzemieszczeniem.
    UWAGA: Gdy próbka testowa zetknie się z przyciskiem ładowania, stół warsztatowy porusza się. Średnica cienia zmienia się z powodu mikroprzemieszczenia. Następnie przechwytywany jest obraz cienia i określana jest średnica cienia.
  5. Określ zmianę średnicy cienia przez przetwarzanie obrazu (krok 3) i oblicz mikroprzemieszczenie zgodnie ze skalibrowaną czułością przemieszczenia k i równaniem 4.
    UWAGA: Z w równaniu 4 to mikroprzemieszczenie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Zgodnie z protokołem, czułość systemu pomiaru mikroprzemieszczeń może być kalibrowana, a mikroprzemieszczenie może być mierzone. Metoda cienia w pomiarze mikroprzemieszczeń jest przedstawiona w następujący sposób. Rysunek 3 pokazuje ścieżkę przemieszczania się równoległego światła przez zdeformowaną powierzchnię PDMS z powodu zastosowanego przemieszczenia. Załamanie równoległego światła tworzy cień o jasnej krawędzi. Jawne rozwiązanie przemieszczeń z(x) powierzchni PDMS opa...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

W protokole tym zaproponowano system pomiaru mikroprzemieszczeń oparty na technice cienia. Kalibracja przemieszczenia jest krytycznym krokiem w protokole w celu uzyskania czułości przemieszczenia i zakresu pomiarowego. Czułość przemieszczenia można poprawić, zmniejszając średnice nóg cylindrycznych i równoległej wiązki światła oraz zwiększając odległość roboczą w oparciu o równanie 4. Co więcej, rozmiar piksela i rozdzielczość kamery, a także dokładność przetwarzania obrazu, są również kluczem do poprawy czułości przemie...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Dziękujemy Narodowemu Programowi Badań i Rozwoju Chin (nr 2021YFC2202702) za sfinansowanie tej pracy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
PrzysłonaPrzetwarzana przez precyzyjne szlifowanieŚrednica otworu wynosi 0,7 mm.
AparatCanon EOS80DRozmiar piksela i rozdzielczość aparatu wynoszą około 3,72 μ m i 4000 &razy; Odpowiednio 6000.
HALCONMVTec Software GmbH18.11MVTec HALCON to kompleksowe standardowe oprogramowanie dla systemów wizyjnych ze zintegrowanym środowiskiem programistycznym (HDevelop), które jest używane na całym świecie.
Zmotoryzowany stolik liniowyZolixTSA50-CRozdzielczość 0,625 μ m
Równoległe źródło światłaOriental Technology (Shanghai) Co, Ltd.BTPL-50GSzczytowa długość fali wynosi 523 nm.
Polidimetylosiloksan (PDMS)Dow CorningSylgard 184PDMS to przezroczysty polimer usieciowany na bazie krzemu.
Pompa próżniowaSHANGHAI LICHEN-BX INSTRUMENT TECHONOLOGY CO., Ltd2XZ-6BSzybkość pompowania wynosi 6 l / s. Próżnia końcowa wynosi ≤ 1 Pa 
Precyzyjny pozycjoner pionowyPIP-620. ZCDRozdzielczość wynosi 0,2 nm w zakresie 50 μm.
Stół warsztatowy z trzema sztywnymi cylindrycznymi nogamiObrabiany przez precyzyjne szlifowanieŚrednica nóg wynosi 0,5 mm. Nogi są rozmieszczone na punktach przecięcia okręgu o promieniu 14 mm

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Nartnikpowierzchnia superhydrofobowaprecyzyjny pomiarczu o przemieszczeniapomiar niskokosztowyrefrakcja powierzchniowacharakterystyka liniowa
Film wkrótce dostępny

Powiązane artykuły