Метрология поверхности

Поверхностная метрология - это измерение мелкомасштабных элементов на поверхности и является отраслью метрологии . Поверхность первичной формы , поверхность фрактальность и шероховатость поверхности являются параметрами , наиболее часто связанные с полем. Он важен для многих дисциплин и в основном известен обработкой прецизионных деталей и узлов, которые содержат сопрягаемые поверхности или которые должны работать с высоким внутренним давлением.

Чистоту поверхности можно измерить двумя способами: контактным и бесконтактным . Контактные методы включают перетаскивание измерительного щупа по поверхности; эти инструменты называются профилометрами . Бесконтактные методы включают: интерферометрию , цифровую голографию , конфокальную микроскопию , изменение фокуса , структурированный свет , электрическую емкость , электронную микроскопию , фотограмметрию и бесконтактные профилометры .

Обзор [ править ]

Наиболее распространенным методом является использование алмазов стилуса профилометра . Щуп перемещается перпендикулярно слою поверхности. ^[1] Зонд обычно проводит по прямой линии на плоской поверхности или по дуге окружности вокруг цилиндрической поверхности. Длина пути, который он отслеживает, называется длиной измерения . Длина волны самого низкочастотного фильтра, который будет использоваться для анализа данных, обычно определяется как длина выборки . Большинство стандартов рекомендуют, чтобы длина измерения была как минимум в семь раз больше длины выборки, а в соответствии с теоремой Найквиста – Шеннона она должна быть как минимум в два раза длиннее, чем длина волны ^{[цитата ]}интересных функций. Длинаоценкиилидлинаоценки- это объем данных, которые будут использоваться для анализа. Обычно одна длина выборки отбрасывается с каждого конца длины измерения. Трехмерные измерения могут быть выполнены с помощью профилометра путем сканирования двухмерной области поверхности.

Недостатком профилометра является то, что он не является точным, если размер элементов поверхности близок к размеру стилуса. Другой недостаток состоит в том, что профилометрам трудно обнаружить дефекты того же размера, что и шероховатость поверхности. ^[1] Существуют также ограничения для бесконтактных инструментов. Например, инструменты, которые полагаются на оптические помехи, не могут разрешить особенности, которые меньше некоторой части рабочей длины волны. Это ограничение может затруднить точное измерение шероховатости даже на обычных объектах, поскольку интересные особенности могут быть значительно ниже длины волны света. Длина волны красного света составляет около 650 нм ^[2], а средняя шероховатость (R _a) заземленного вала может составлять 200 нм.

Первым шагом анализа является фильтрация необработанных данных для удаления очень высокочастотных данных (называемых «микрошероховатость»), поскольку их часто можно отнести к вибрациям или обломкам на поверхности. Фильтрация микрошероховатости при заданном пороге отсечения также позволяет приблизить оценку шероховатости, сделанную с использованием профилометров с различным радиусом шарика щупа, например, радиусами 2 мкм и 5 мкм. Далее данные разделяются на шероховатость, волнистость и форму. Это может быть выполнено с использованием опорных линий, методов огибающей, цифровых фильтров, фракталов или других методов. Наконец, данные суммируются с использованием одного или нескольких параметров шероховатости или графика. В прошлом чистоту поверхности обычно анализировали вручную. След шероховатости будет нанесен на миллиметровую бумагу,и опытный машинист решил, какие данные игнорировать и где разместить среднюю линию. Сегодня измеренные данные хранятся на компьютере и анализируются с использованием методов анализа сигналов и статистики.^[3]

• 

  Влияние различных методов удаления формы на анализ чистоты поверхности

• 

  Графики, показывающие, как частота среза фильтра влияет на разделение волнистости и шероховатости

• 

  Иллюстрация, показывающая, как необработанный профиль по следу чистовой обработки поверхности разлагается на первичный профиль, форму, волнистость и шероховатость.

• 

  Иллюстрация, показывающая эффект использования различных фильтров для разделения следа отделки поверхности на волнистость и шероховатость.

Оборудование [ править ]

Контакт (тактильное измерение) [ править ]

Контактные инструменты на основе стилуса обладают следующими преимуществами:

• Система очень проста и достаточна для основных измерений шероховатости, волнистости или формы, требующих только двухмерных профилей (например, расчет значения Ra).
• Систему никогда не соблазняют оптические свойства образца (например, высокая отражательная способность, прозрачность, микроструктурированность).
• Стилус игнорирует масляную пленку, покрывающую многие металлические детали в процессе их производства.

Технологии :

• Контактные профилометры - традиционно используют алмазный стилус и работают как фонограф .
• Атомно-силовой микроскоп иногда также считают контактным профилометром, работающим в атомном масштабе.

Бесконтактный (оптические микроскопы) [ править ]

Оптические измерительные приборы имеют ряд преимуществ перед тактильными:

• отсутствие касания поверхности (образец не может быть поврежден)
• скорость измерения обычно намного выше (за секунду можно измерить до миллиона трехмерных точек)
• некоторые из них действительно созданы для трехмерной топографии поверхности, а не для отдельных следов данных
• они могут измерять поверхности через прозрачную среду, такую ​​как стекло или пластиковая пленка
• Бесконтактное измерение иногда может быть единственным решением, когда измеряемый компонент очень мягкий (например, отложения загрязнений) или очень твердый (например, наждачная бумага).

Вертикальное сканирование :

• Когерентная сканирующая интерферометрия
• Конфокальная микроскопия
• Вариация фокуса
• Конфокальная хроматическая аберрация

Горизонтальное сканирование :

• Сканирующий лазерный микроскоп (SLM)
• Структурированное световое сканирование

Без сканирования

• Цифровая голографическая микроскопия

Выбор подходящего измерительного прибора [ править ]

Поскольку у каждого прибора есть преимущества и недостатки, оператор должен выбрать правильный прибор в зависимости от области применения. Ниже перечислены некоторые преимущества и недостатки основных технологий:

• Интерферометрия: этот метод имеет самое высокое разрешение по вертикали среди всех оптических методов и разрешение по горизонтали, эквивалентное большинству других оптических методов, за исключением конфокального, который имеет лучшее разрешение по горизонтали. Приборы могут измерять очень гладкие поверхности с помощью интерферометрии с фазовым сдвигом (PSI) с высокой вертикальной повторяемостью; такие системы могут быть предназначены для измерения крупных деталей (до 300 мм) или на базе микроскопа. Они также могут использовать когерентную сканирующую интерферометрию (CSI) с источником белого света для измерения крутых или шероховатых поверхностей, включая обработанный металл, пену, бумагу и многое другое. Как и в случае со всеми оптическими методами, взаимодействие света с образцом для этих инструментов до конца не изучено. Это означает, что могут возникать ошибки измерения, особенно при измерении шероховатости.^{[4] [5]}
• Цифровая голография: этот метод обеспечивает трехмерную топографию с разрешением, аналогичным интерферометрии. Кроме того, поскольку это не сканирование, он идеально подходит для измерения движущихся образцов, деформируемых поверхностей, динамики MEMS, химических реакций, воздействия магнитного или электрического поля на образцы и измерения наличия вибраций, в частности для контроль качества.:
• Изменение фокуса: этот метод предоставляет информацию о цвете, позволяет проводить измерения на крутых склонах и может выполнять измерения на очень шероховатых поверхностях. Недостатком является то, что этот метод не позволяет проводить измерения на поверхностях с очень гладкой шероховатостью поверхности, такой как кремниевая пластина. Основное применение - образцы металла (обработанные детали и инструменты), пластмассы или бумаги.
• Конфокальная микроскопия: преимущество этого метода заключается в высоком разрешении по горизонтали из-за использования точечного отверстия, но есть недостаток, заключающийся в том, что он не может выполнять измерения на крутых боковых сторонах. Кроме того, он быстро теряет вертикальное разрешение при просмотре больших площадей, поскольку вертикальная чувствительность зависит от используемого объектива микроскопа.
• Конфокальная хроматическая аберрация: этот метод имеет преимущество измерения определенных диапазонов высот без вертикального сканирования, позволяет легко измерять очень шероховатые поверхности и сглаживать поверхности вплоть до диапазона одного нм. Тот факт, что эти датчики не имеют движущихся частей, обеспечивает очень высокую скорость сканирования и делает их очень воспроизводимыми. Конфигурации с высокой числовой апертурой позволяют проводить измерения на относительно крутых склонах. Несколько датчиков с одинаковыми или разными диапазонами измерения могут использоваться одновременно, что позволяет использовать дифференциальные подходы к измерению (TTV) или расширять возможности использования системы.
• Контактный профилометр: этот метод является наиболее распространенным методом измерения поверхности. Преимущества заключаются в том, что это дешевый инструмент и имеет более высокое поперечное разрешение, чем оптические методы, в зависимости от выбранного радиуса кончика иглы. Новые системы могут выполнять 3D-измерения в дополнение к 2D-трассам, а также измерять форму и критические размеры, а также шероховатость. Однако недостатком является то, что кончик иглы должен находиться в физическом контакте с поверхностью, что может изменить поверхность и / или иглу и вызвать загрязнение. Кроме того, из-за механического взаимодействия скорость сканирования значительно ниже, чем при использовании оптических методов. Из-за угла наклона стержня щупа профилометры щупа не могут измерять расстояние до края поднимающейся конструкции, что приводит к появлению «тени» или неопределенной области,обычно намного больше, чем это типично для оптических систем.

Разрешение [ править ]

Масштаб необходимого измерения поможет решить, какой тип микроскопа будет использоваться.

Для трехмерных измерений зонд получает команду сканировать двумерную область на поверхности. Расстояние между точками данных может быть неодинаковым в обоих направлениях.

В некоторых случаях физика измерительного прибора может иметь большое влияние на данные. Это особенно актуально при измерении очень гладких поверхностей. При контактных измерениях наиболее очевидной проблемой является то, что стилус может поцарапать измеряемую поверхность. Другая проблема заключается в том, что игла может быть слишком тупой, чтобы дотянуться до дна глубоких впадин, и может закругляться на концах острых вершин. В этом случае зонд представляет собой физический фильтр, ограничивающий точность прибора.

Параметры шероховатости [ править ]

Реальная геометрия поверхности настолько сложна, что конечное число параметров не может дать полного описания. Если количество используемых параметров увеличить, можно получить более точное описание. Это одна из причин введения новых параметров для оценки поверхности. Параметры шероховатости поверхности обычно делятся на три группы в зависимости от функциональности. Эти группы определяются как параметры амплитуды, параметры разнесения и гибридные параметры. ^[6]

Параметры шероховатости профиля [ править ]

Параметры, используемые для описания поверхностей, в значительной степени являются статистическими показателями, полученными из многих выборок высоты поверхности. Вот некоторые примеры:

Таблица полезных показателей поверхности

Параметр	Имя	Описание	Тип	Формула
R a , R aa , R yni	Среднее арифметическое из абсолютных значений	Среднее значение абсолютных значений высот профиля, измеренных от средней линии, усредненной по профилю	Амплитуда	${\ displaystyle R_ {a} = {\ frac {1} {n}} \ sum _ {i = 1} ^ {n} \ left | y_ {i} \ right |}$
R q , R RMS	среднеквадратичный		Амплитуда	${\ displaystyle R_ {q} = {\ sqrt {{\ frac {1} {n}} \ sum _ {i = 1} ^ {n} y_ {i} ^ {2}}}}$
R v	максимальная глубина впадины	Максимальная глубина профиля ниже средней линии с длиной выборки	Амплитуда	${\ displaystyle R_ {v} = \ min _ {i} y_ {i}}$
R p	максимальная высота пика	Максимальная высота профиля над средней линией в пределах длины выборки	Амплитуда	${\ displaystyle R_ {p} = \ max _ {i} y_ {i}}$
R t	Максимальная высота профиля	Максимальная высота профиля от пика до впадины в оценочной длине	Амплитуда	${\displaystyle R_{t}=R_{p}-R_{v}}$
R sk	Асимметрия	Симметрия профиля относительно средней линии	Амплитуда	${\displaystyle R_{sk}={\frac {1}{nR_{q}^{3}}}\sum _{i=1}^{n}y_{i}^{3}}$
R ку	Эксцесс	Измерение резкости профиля поверхности	Гибридный	${\displaystyle R_{ku}={\frac {1}{nR_{q}^{4}}}\sum _{i=1}^{n}y_{i}^{4}}$
RS м	Среднее расстояние между пиками	Среднее расстояние между пиками на средней линии	Пространственный	${\displaystyle RS_{m}={\frac {1}{n}}\sum _{i=1}^{n}S_{i}}$

Это небольшое подмножество доступных параметров, описанных в таких стандартах, как ASME B46.1 ^[7] и ISO 4287. ^[8] Большинство этих параметров основано на возможностях профилометров и других систем механических датчиков. Кроме того, были разработаны новые меры размеров поверхности, которые более непосредственно связаны с измерениями, которые стали возможными благодаря оптическим измерительным технологиям высокой четкости.

Большинство этих параметров можно оценить с помощью плагина SurfCharJ [1] для ImageJ .

Параметры ареальной поверхности [ править ]

Шероховатость поверхности также можно рассчитать по площади. Это дает S _a вместо R _a значений. Серия ISO 25178 подробно описывает все эти значения шероховатости. Преимущество перед параметрами профиля:

• более значимые ценности
• возможно большее отношение к реальной функции
• возможно более быстрое измерение с помощью реальных инструментов ^{[ требуется пояснение ]} (оптические площадные инструменты могут измерять S _a с большей скоростью, чем R _a .

Поверхности обладают фрактальными свойствами, также можно выполнять многомасштабные измерения, такие как фрактальный анализ в масштабе длины или фрактальный анализ в масштабе площади. ^[9]

Фильтрация [ править ]

Для получения характеристики поверхности почти все измерения подвергаются фильтрации. Это одна из самых важных тем, когда дело доходит до определения и управления такими атрибутами поверхности, как шероховатость, волнистость и погрешность формы. Эти компоненты отклонений поверхности должны быть четко различимы при измерении, чтобы обеспечить четкое понимание между поставщиком поверхности и получателем поверхности относительно ожидаемых характеристик рассматриваемой поверхности. Как правило, цифровые или аналоговые фильтры используются для разделения погрешности формы, волнистости и шероховатости, возникающих в результате измерения. Основными методами многомасштабной фильтрации являются фильтрация по Гауссу, вейвлет-преобразование и, в последнее время, дискретная модальная декомпозиция.У этих фильтров есть три характеристики, которые необходимо знать, чтобы понимать значения параметров, которые может рассчитывать прибор. Это пространственная длина волны, на которой фильтр отделяет шероховатость от волнистости или волнистость от ошибки формы, резкость фильтра или то, насколько чисто фильтр разделяет два компонента: отклонения поверхности и искажение фильтра, или насколько фильтр изменяет пространственное составляющая длины волны в процессе разделения.^[7]

См. Также [ править ]

• Профилометр
• Range imaging  - Техника создания 2D-изображения, показывающего расстояние до точек сцены от конкретной точки.

Внешние ссылки [ править ]

• Руководство по метрологии поверхности

Ссылки [ править ]