基于白光干涉的触针式表面粗糙度测量技术的研究

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。

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1 概论

1.1 课题的研究意义和目的

1.2 表面测量技术的发展概况

1.3 本文的主要研究内容

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

2.2 原子力探针测量基本理论

2.3 金刚石触针测量基本理论

2.4 零级条纹识别方法研究

2.5 像元定标方法研究

2.6 本章小结

3 白光干涉触针式测量系统设计

3.1 测量系统总体设计

3.2 显微干涉系统

3.3 原子力探针测头

3.4 金刚石触针测头

3.5 本章小结

4 扫描系统设计

4.1 扫描系统总体设计

4.2 垂直扫描器

4.3 水平扫描载物台

4.4 激光干涉仪

4.5 本章小结

5 程序设计及测量模式

5.1 程序功能结构

5.2 信号调试模块

5.3 原子力探针测量

5.4 金刚石触针测量

5.5 分析与评定

5.6 本章小结

6 实验结果及分析

6.1 原子力探针测量性能测试与分析

6.2 金刚石触针测量性能测试与分析

6.3 测量实例

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望及今后工作的建议

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表学术论文目录