基于白光干涉的触针式表面粗糙度测量技术的研究

分类号学号M200970280学校代码10487密级硕士学位论文基于白光干涉的触针式表面粗糙度测量技术的研究学位申请人：杨波学科专业：机械电子工程指导教师：常素萍讲师谢铁邦教授答辩日期：2012年1月9日AThesisSubmittedinFullyFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringResearchonSurfaceRoughnessMeasurementBasedonWhiteLightInterferometryandStylusCandidate:YangBoMajor:MechatronicEngineeringSupervisors:InstructorChangSupingProf.XieTiebangHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJanuary,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。华中科技大学硕士学位论文I摘要表面粗糙度是零件加工的重要技术参数，影响着零件的强度、润滑、配合等性能，对产品质量控制、加工工艺研究、材料性能研究等都有着十分重要的意义。随着超精密加工技术的迅速发展，超精密表面越来越多地出现在现代高科技技术和产业中，其表面粗糙度测量需要纳米级的横向分辨率。传统的触针法和干涉法的横向分辨率不高，而扫描探针显微镜虽然具有极高的横向分辨率，但其计量特性差，都难以用于超精密表面的粗糙度测量。为此，本文研究了基于白光干涉的触针式表面粗糙度测量技术，包括用于超精密表面的原子力探针测量方法和用于工程表面的金刚石触针测量方法。研究了基于白光干涉的原子力探针测量方法，设计了显微干涉系统、扫描系统和原子力探针测头，编写了测量程序。该方法能达到横向分辨率2nm，纵向分辨率1nm，水平测量范围0~60μm，单视场垂直测量范围0~2μm。研究了基于白光干涉的金刚石触针测量方法，设计了金刚石触针测头。该方法与原子力探针测量方法共用测量系统，较好地实现了多功能集成，能达到纵向分辨率10nm，水平测量范围0~30mm，垂直测量范围0~20μm。通过实验对测量系统的示值误差、重复性、稳定性等性能进行了测试和验证，并对典型样品进行了测量。实验结果表明该技术能应用于超精密表面和工程表面的粗糙度测量。关键词：白光干涉原子力探针金刚石触针表面粗糙度华中科技大学硕士学位论文IIAbstractSurfaceroughnessisanimportanttechnologyparameterinpartsmachining,itaffectsstrength,lubricationandfittingofparts,anditplaysasignificantroleinproductionqualitycontrol,processingtechnicresearchandmaterialperformanceresearch.Withtherapiddevelopmentoftheultra-precisionmachiningtechnique,moreandmoreultra-precisionsurfaceswhosesurfaceroughnessmeasurementneedsthenano-scalelateralresolutionoftheinstrumentappearinmodernhigh-techtechnologyandindustry.Thelateralresolutionoftraditionalstylusandinterferometryisnothigh,andscanningprobemicroscopyhashighlateralresolutionbutbadmetrologicalcharacteristics,sotheyarehardtobeusedforsurfaceroughnessmeasurementoftheultra-precisionsurfaces.Therefore,asurfaceroughnessmeasurementtechniquebasedonwhitelightinterferometryandstylusisdiscussedinthispaper,thistechniqueincludestheatomicforceprobemeasurementusedforultra-precisionsurfacesandthediamondstylusmeasurementusedforengineeringsurfaces.Theatomicforceprobemeasurementbasedonwhitelightinterferometryisdiscussed.Microscopicinterferometersystem,scanningsystemandtheatomicforceprobemeasuringheadaredesigned,andthemeasurementprogramiswrote.Lateralresolutionof2nm,verticalresolutionof1nm,horizontalmeasurementrangeof0~60μmandverticalmeasurementrangeinasinglefieldof0~2μmcanbereached.Thediamondstylusmeasurementbasedonwhitelightinterferometryisdiscussed,andthediamondstylusmeasuringheadisdesigned.Thismethodsharesmeasurementsystembasedonwhitelightinterferometrywiththeatomicforceprobemeasurement,andwellrealizedmultifunctionalintegration.Verticalresolutionof10nm,horizontalmeasurementrangeof0~30mmandverticalmeasurementrangeof0~20μmcanbereached.Testingandcertificationtoindicationerror,repeatabilityandstabilityofthemeasuringsystemisdone,andthetypicalsamplesaremeasured.Theexperimentalresultsshowthatthistechniquecanusedforbothultra-precisionsurfacesmeasurementandengineeringsurfacesmeasurement.Keywords:whitelightinterferometry;atomicforceprobe;diamondstylus;surfaceroughness华中科技大学硕士学位论文III目录摘要....................................................................................................................IAbstract.................................................................................................................II1概论1.1课题的研究意义和目的...........................................................................(1)1.2表面测量技术的发展概况.......................................................................(2)1.3本文的主要研究内容...............................................................................(5)2白光干涉触针式测量理论及方法研究2.1白光干涉测长原理...................................................................................(7)2.2原子力探针测量基本理论.....................................................................(10)2.3金刚石触针测量基本理论.....................................................................(14)2.4零级条纹识别方法研究.........................................................................(16)2.5像元定标方法研究.................................................................................(19)2.6本章小结.................................................................................................(20)3白光干涉触针式测量系统设计3.1测量系统总体设计.................................................................................(21)3.2显微干涉系统.........................................................................................(23)3.3原子力探针测头.....................................................................................(24)3.4金刚石触针测头.....................................................................................(29)华中科技大学硕士学位论文IV3.5本章小结..............................................................................................