基于微恒力位移传感器的表面形貌测量系统和二维Motif评定方法

表面形貌测量技术与评定理论一直是当今表面计量学的前沿课题。基于各种探测 原理的表面形貌测量仪器存在着高精度和大量程的矛盾,研制一种高精度、大量程的 表面形貌测量系统有着重大的意义和应用前景。针对表面形貌的测量和评定理论,本 文的主要研究内容及创新如下: 提出和研制了一种适合于工程表面形貌测量的大量程的微恒力位移传感器。该传 感器由电感和音圈电机构成,传感器使用电感作标尺,而音圈电机作为控制测量力和 扩大量程的机构。系统论述了传感器各个组成单元的设计和实现方法,通过理论分析 建立了传感器测量力伺服控制机构的数学模型,分析了测量力控制的稳态误差和稳定 性,设计了 PID 校正网络,并对传感器的动态特性进行了辨识、测试和数字仿真。 提出了一种通过电感传感器提升扩大量程的算法。该算法已用于基于微恒力位移 传感器的大量程表面形貌测量系统,使该测量系统具有 2mm 的测量范围和 0.02μm 的 精度。为适应不同的测量速度和表面形貌变化的要求,系统有 5 个电感传感器提升的 预设阈值。音圈电机的驱动采用 16 位 D/A 转换器,使音圈电机的控制精度提高。系 统采用了新的光栅计数方法,利用光栅的多零位信号,使信号不致丢失,计数更准确 可靠。分析了此测量系统存在的误差以及各项误差的影响,按照 ISO12179:2000 标 准的要求,对测量系统的精度、测量范围、使用性能等进行了实验验证。 提出了一种基于网格和有限差分的二维 Motif 合并算法。分析了二维和三维 Motif 评定方法的发展现状,探讨了二维 Motif 合并试验解的唯一性和稳定性,将 Motif 合并 表示为事件,对一组给定的事件集,所有可能合并的 Motif 的事件集都可以在一个网 格中列举。采用基于有限差分的方法搜索 Motif 的峰和谷,进而编制了二维 Motif 评定 软件,并将 Motif 评定软件和研制的大量程表面形貌测量系统融为一体,便于对测量 I 结果进行Motif评定,并通过计算结果分析了Motif参数和传统粗糙度参数之间的异同。 对目前公认的三维 Motif 的定义进行了比较,并引入数字高程模型和等高线的图论表 示方法,对三维 Motif 的合并进行了探讨。