Методическая статья

Измерение микросмещений с помощью техники теней

DOI:

10.3791/64658

⸱

7 октября 2022 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Высокоточное измерение микроперемещений имеет важное значение в области аэрокосмической техники, сверхточной обработки и микросборки. В настоящем протоколе описывается измерение микросмещений на основе метода тени.

Аннотация

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

Прецизионное измерение микросмещений имеет важное значение в научной и промышленной областях. Однако это сложная задача из-за сложной конструкции и высокой стоимости измерительных приборов. Вдохновленный тенью, образующейся от водных страйдеров, идущих по водной поверхности под солнечным светом, был предложен метод измерения микросмещений. Ноги водного страйдера с супергидрофобными свойствами изгибают водную поверхность. Изогнутая поверхность воды преломляет солнечный свет, создавая тень с яркой кромкой на дне пруда. Размер тени обычно больше, чем глубина углубления ног от поверхности воды. В системе измерения микросмещения применяемое смещение пропорционально изменению диаметра тени. В представленном исследовании предложена методика измерения микросмещений, основанная на данной теневой методике. Чувствительность смещения может достигать 10,0 нм/пиксель в диапазоне 5 мкм. Эта система проста в конструкции, недорога и обладает высокой точностью при хороших линейных характеристиках. Метод предоставляет удобную дополнительную возможность измерения микросмещений.

Введение

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

Прецизионные измерения перемещений играют жизненно важную роль в аэрокосмической технике1, сверхточной обработке2 и микросборке3. Деформация конструкции должна быть точно измерена для мониторинга состояния конструкции4. Тем не менее, измерение микросмещений с высокой точностью остается сложной задачей из-за сложной конструкции и высокой стоимости измерительных приборов.

Методику измерения микроперемещений можно разделить на традиционные и нетрадиционные. Традиционные методы, такие как магнитные, емкостные, индуктивные и электрические датчики, чувствительны к электромагнитным помехам6. К нетрадиционным методам относятся в основном оптические методы, такие как метод на основе оптического волокна и лазерный метод.

Ke Tian et al. разработали изогнутую многомодовую волоконную структуру в форме шара для измерения микросмещения, чувствительность смещения которой может достигать 0,51 дБ/мкм при диапазоне измерений 0-100 мкм экспериментально7. Однако в первую очередь необходимо учитывать размер и стоимость оптоволоконного демодулятора; Да и устранить тепловой эффект было непросто. Qianbo Lu et al. предложили датчик смещения с субнанометровым разрешением на основе решетчатого интерферометрического резонатора, чувствительность которого может достигать 44,75 мВ/нм за счет компенсации интенсивности ифазовой модуляции8. Лазерный интерферометр является одним из широко используемых приборов микросмещения с наноразмерным разрешением. Однако рефлектор требует сложной обработки сигнала, а бахромное разрешение интерферометрии ограничивает его применение9. Поэтому необходима альтернативная простая конструкция, недорогая и высокоточная измерительная система.

В данной статье предложена методика измерения микросмещений, основанная на технике теней 10,11,12,13, которая является простой, недорогой и высокоточной с хорошими линейными характеристиками. Этот метод был вдохновлен водными страйдерами, идущими по водной глади. Ноги водного страйдера с супергидрофобными свойствами изгибают водную поверхность. Изогнутая поверхность воды преломляет солнечный свет, создавая тень с яркой кромкой на дне пруда. Размер тени обычно намного больше глубины углубления ног от поверхности воды 14,15,16. В системе применяемое смещение и изменение диаметра тени были пропорциональными, что было проверено калибровочным экспериментом. Исследования показывают, что этот метод является альтернативой для точного измерения микросмещений.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Подготовка заготовки PDMS

  1. Приготовьте полимер полидиметилсилоксан (PDMS, см. Таблицу материалов) путем взвешивания основания и отвердителя (с помощью весов) в соотношении 30:1 в контейнере из прямоугольного поликарбоната (ПК).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Размер контейнера составляет 60 мм × 45 мм × 15 мм. Высота смеси составляет около 10 мм.
  2. Перемешивайте смесь PDMS в блендере около 20 минут, пока она не заполнится пузырьками.
  3. Используйте вакуумный насос для удаления пузырьков из смеси в течение примерно 30 минут (см. Таблицу материалов).
  4. Отверждите PDMS в духовке при температуре 65 °C в течение 4 часов.
  5. Используйте деталь PDMS, сформированную в контейнере ПК, в качестве элемента, чувствительного к смещению (шаг 2.1).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Размер детали PDMS составляет 60 мм × 45 мм × 10 мм.

2. Экспериментальная подготовка к измерению микросмещений

  1. Соберите все модули/компоненты измерительной системы, включая параллельный источник света, апертурную диафрагму диаметром 0,7 мм, кусок PDMS (чувствительный к смещению элемент), верстак с тремя жесткими цилиндрическими ножками, камеру, вертикальный прецизионный позиционер, моторизованные столики и другие компоненты (см. Таблицу материалов), как показано на Рисунке 1 и Рисунке 2.
  2. Поместите коммерчески приобретенный верстак (см. Таблицу материалов) на PDMS.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Поверхность PDMS изгибается ножками верстака. Верстак получается путем механической обработки алюминия. Диаметр жестких цилиндрических ножек составляет 0,5 мм, что должно быть как можно меньше.
  3. Соедините параллельный источник света с апертурной диафрагмой, чтобы излучать параллельный световой луч определенного диаметра по вертикали на одну из жестких цилиндрических ножек.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Диаметр параллельного светового луча составляет 0,7 мм, который должен быть как можно меньше.
  4. Расположите параллельный источник света на высоте около 50 мм над поверхностью PDMS, отрегулировав моторизованные ступени верстака.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Изогнутая поверхность преломляет параллельный свет, создавая тень с яркой кромкой, которая показана на рисунке 3.
  5. Поместите камеру прямо под PDMS на 260 мм, чтобы получить изображение тени. Отрегулируйте увеличение объектива камеры так, чтобы тень заполняла все изображение.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Размер пикселя и разрешение камеры составляют около 3,72 мкм и 4 000 × 6 000 соответственно.
  6. Закрепите вертикальный прецизионный позиционер с разрешением 0,2 нм над верстаком для калибровки чувствительности смещения (шаг 4).

3. Обработка изображений

  1. Преобразуйте цветную фотографию тени в изображение в оттенках серого с помощью программного обеспечения машинного зрения (см. Таблицу материалов).
    1. Нажмите кнопку «Пуск » программного обеспечения, чтобы обработать изображение тени и получить диаметр тени напрямую.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Код этапов обработки изображений интегрирован в программное обеспечение.
  2. Выполните предварительную обработку изображения, включая фильтрацию по Гауссу для удаления шума и улучшение изображения для повышения контрастности изображения12.
  3. Используйте оператор Canny для вычисления градиента каждого пикселя и получения наборов контуров субпиксельных краев. Исключите некраевые пиксели на основе немаксимального подавления12.
  4. Удалите контуры краев, которые не являются частью теневых краев, установив определенный порог длины.
  5. Подогнаем диаметр тени по методу наименьших квадратов по размеру окружностей17.

4. Калибровка смещения

  1. Отрегулируйте вертикальный прецизионный позиционер (см. Таблицу материалов) так, чтобы он соприкасался с кнопкой загрузки верстака.
  2. Захватите текущее изображение тени в качестве эталонного изображения.
  3. Перемещайте верстак вниз с шагом 1 мкм, пока расстояние между верстаком и вертикальным прецизионным позиционером не составит 5 мкм.
  4. Делайте снимки тени с помощью камеры на каждом шагу.
  5. Повторите эксперимент пять раз.
  6. Подгонка результатов для получения взаимосвязи между выходным смещением вертикального прецизионного позиционера и изменением диаметра тени в соответствии с уравнением 4 (см. раздел «Репрезентативные результаты»).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Отсюда получается чувствительность к смещению k .

5. Измерение микросмещения

  1. Отсоедините контакт между вертикальным прецизионным позиционером и кнопкой загрузки верстака.
  2. Захватите текущее изображение тени в качестве эталонного изображения.
  3. Отрегулируйте моторизованный линейный столик (разрешение, 0,625 мкм) так, чтобы он соприкасался с кнопкой загрузки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящем исследовании для демонстрации измерения микросмещения был использован коммерчески доступный моторизованный линейный столик (см. Таблицу материалов). Тем не менее, пользователи могут выполнять измерения для многих распространенных образцов, требующих измерения микроперемещений.
  4. Захватите текущее изображение тени благодаря микросмещению.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Как только тестовый образец соприкасается с кнопкой загрузки, верстак перемещается. Диаметр тени изменяется из-за микросмещения. Затем захватывается изображение тени, и определяется диаметр тени.
  5. Определите изменение диаметра тени с помощью обработки изображения (шаг 3) и рассчитайте микросмещение в соответствии с откалиброванной чувствительностью смещения k и уравнением 4.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Буква Z в уравнении 4 — это микросмещение.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Следуя протоколу, можно откалибровать чувствительность системы измерения микросмещений, а также измерить микросмещение. Метод теней при измерении микросмещений представлен следующим образом. На рисунке 3 показана траектория прохождения параллельного света через деформированную поверхность PDMS из-за приложенного смещения. Преломление параллельного света образует тень, имеющую яркую грань. Явное решение смещений z(x) поверхности PDMS на основе модели Джонсона-Кендалла-Роберт...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

В этом протоколе была предложена система измерения микросмещений, основанная на теневом методе. Калибровка смещения является критическим этапом в протоколе для получения чувствительности смещения и диапазона измерения. Чувствительность смещения может быть улучшена за счет уменьшения диаметров цилиндрических опор и параллельного светового луча и увеличения рабочего расстояния на основе уравнения 4. Кроме того, размер пикселя и разрешение камеры, а также точность обработки изображений такж...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Мы благодарим Национальную программу ключевых исследований и разработок Китая (No 2021YFC2202702) за финансирование этой работы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Апертурная диафрагмаОбработана высокой точностью шлифовкиДиаметр отверстия составляет 0,7 мм.
ФотоаппаратCanon EOS80DРазмер пикселя и разрешение камеры составляют около 3,72 мкм; м и 4000&раз; 6000 соответственно.
HALCONMVTec Software GmbH18.11MVTec HALCON — это комплексное стандартное программное обеспечение для машинного зрения с интегрированной средой разработки (HDevelop), используемое во всем мире.
Моторизованная линейная сценаZolixTSA50-CРазрешение 0,625 μ m
Параллельный источник светаOriental Technology (Shanghai) Co, Ltd.BTPL-50GПиковая длина волны составляет 523 нм.
Полидиметилсилоксан (PDMS)Dow CorningSylgard 184PDMS представляет собой прозрачный сшитый полимер на основе кремния.
Вакуумный насосSHANGHAI LICHEN-BX INSTRUMENT TECHONOLOGY CO., Ltd2XZ-6BСкорость откачки составляет 6 л/с. Предельный вакуум составляет ≤ 1 Па 
Вертикальный прецизионный позиционерPIP-620. ZCDРазрешение составляет 0,2 нм в диапазоне 50 мкм.
Верстак с тремя жесткими цилиндрическими ножкамиОбработан высокоточной шлифовкойДиаметр ножек 0,5 мм. Ножки распределены по точкам трисекции окружности радиусом 14 мм

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Видео скоро будет доступно

Похожие статьи