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超精密加工表面粗糙度测量方法对比及功率谱密度评价

作　者: 陈建超
导　师: 孙涛
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 功率谱密度测量仪器对比表面粗糙度采样条件
分类号: TG84
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 203次
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内容摘要

随着科学仪器、微机电系统,光电信息技术的迅速发展,各工业部门对零件表面质量的要求越来越高,如X射线反射镜和激光陀螺反射基片均要求表面粗糙度在亚纳米级尺度。这对超精密表面测量技术和测量理论体系提出了更高的要求。因此本文围绕超精密加工表面测量的相关问题开展了相应的研究工作,具体研究内容包括如下几个方面:综述了二维及三维表面形貌的传统评定方法,讨论了这些传统参数在应用中的局限性,进而引入了功率谱密度评价方法,并对一维及二维功率谱密度的定义及估计算法进行了详细地分析。鉴于传统估计算法的固有缺陷,提出了三种提高功率谱密度估计质量的方法,并举以实例针对每种方法进行了验证,结果表明三种方法均能不同程度地克服原算法的缺陷,提高了功率谱密度估计精度。总结了原子力显微镜、触针式轮廓仪及白光干涉仪的原理及性能参数,分析了这些仪器的误差影响因素,并在此基础上,应用这些典型的仪器分别对包括石英玻璃、单晶硅片及微晶玻璃在内的三种试样表面形貌进行了测量,给出了这些表面的粗糙度值。而不同的测量仪器具有不同的频带宽度,因此所测得的粗糙度值并不能直接地进行对比。通过计算这些表面的一维功率谱密度,并在三种仪器共有的频段内计算每种仪器对应的功率谱密度曲线下方的面积,即均方根值,实现了对不同仪器测得的粗糙度值进行直接地对比。通过对比发现,原子力显微镜是用于测量高频表面结构的最佳仪器。通过对测量结果的进一步分析发现,测量条件(如采样间距,扫描范围)的改变直接影响着表面粗糙度,考虑到目前尚没有指导选择合理采样条件的标准文件,因而本文提出了基于频谱分析的确定合理采样条件的方法,并通过测量两种典型表面验证了这一方法,证明了此方法是合理的。除此之外,本文还应用了原子力显微镜对在不同工艺条件下得到的超精密加工表面进行了测量,并应用功率谱密度表征了各种表面。通过对功率谱密度曲线的对比研究发现,功率谱密度是指导加工方法选择及工艺参数优化的有力工具,它能够定量地描述表面轮廓在空间频段的分布情况,为系统地分析超精密加工工艺对表面质量的影响提供了丰富的信息。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-18
  1.1 课题背景及研究的目的及意义  9-10
  1.2 表面形貌测量技术发展概况  10-13
    1.2.1 触针式表面测量技术  11
    1.2.2 光学式表面测量技术  11-12
    1.2.3 扫描显微镜表面测量技术  12-13
  1.3 表面形貌评价方法及研究现状  13-15
    1.3.1 传统的二维与三维粗糙度表征  13
    1.3.2 Motif法  13-14
    1.3.3 分形法  14-15
    1.3.4 小波方法  15
  1.4 表面功率谱密度评价方法的发展  15-17
  1.5 本课题的主要研究内容  17-18
第2章表面粗糙度的评定与功率谱密度评价方法  18-36
  2.1 引言  18
  2.2 表面粗糙度的评定  18-20
    2.2.1 表面粗糙度的二维评定参数  18-19
    2.2.2 表面粗糙度的三维评定参数  19-20
  2.3 功率谱密度的定义及物理内涵  20-24
    2.3.1 功率谱密度的定义  21-22
    2.3.2 功率谱密度的物理内涵  22-24
  2.4 一维功率谱密度估计算法研究  24-30
    2.4.1 周期图法及估计质量  24-27
    2.4.2 周期图法的修正算法  27-30
  2.5 二维功率谱密度的定义与估计算法  30-35
    2.5.1 二维功率谱密度的定义  31
    2.5.2 二维功率谱密度的估计算法  31-33
    2.5.3 二维与一维功率谱密度之间的计算关系  33-34
    2.5.4 功率谱密度与一般评定参数之间的计算关系  34-35
  2.6 本章小结  35-36
第3章表面粗粗糙度测量仪器的分析与选择  36-45
  3.1 引言  36
  3.2 Form Talysurf PGI 1240 轮廓仪  36-39
    3.2.1 仪器简介  36-37
    3.2.2 仪器的测量原理  37-38
    3.2.3 仪器的误差分析  38-39
  3.3 Talysurf CCI 2000 白光干涉仪  39-41
    3.3.1 仪器简介  39-40
    3.3.2 仪器的测量原理  40
    3.3.3 仪器的误差分析  40-41
  3.4 Nanoscope Dimension 3100 原子显微镜  41-43
    3.4.1 仪器简介  41-42
    3.4.2 仪器的测量原理  42-43
    3.4.3 仪器的误差分析  43
  3.5 本章小结  43-45
第4章表面粗糙度的测量实验与测量结果分析  45-57
  4.1 引言  45
  4.2 实验方案与实验步骤  45
  4.3 测量实验及其测量结果  45-49
    4.3.1 PGI 1240 测量参数的选取与测量结果  45-46
    4.3.2 CCI 2000 测量参数的选取与测量结果  46-48
    4.3.3 AFM测量参数的选取与测量结果  48-49
  4.4 测量结果分析  49-51
    4.4.1 采样间距对测量结果的影响  50
    4.4.2 测量范围对测量结果的影响  50-51
  4.5 测量结果的功率谱密度分析  51-55
    4.5.1 不同采样间距下的测量结果PSD分析  51-52
    4.5.2 不同测量范围下的测量结果PSD分析  52-53
    4.5.3 不同仪器测量结果的对比  53-55
  4.6 本章小结  55-57
第5章基于频谱分析确定采样条件的方法及功率谱密度表征  57-71
  5.1 引言  57
  5.2 频谱分析确定采样条件的方法  57-63
    5.2.1 方法概述  57-58
    5.2.2 方法描述  58-59
    5.2.3 应用频谱分析确定采样条件的实验  59-63
    5.2.4 应用频谱分析确定合理采样条件的步骤  63
  5.3 超精密加工表面的功率谱密度表征  63-69
    5.3.1 试样的材质及其加工与测量参数  63-64
    5.3.2 超精密加工表面的功率谱密度表征  64-67
    5.3.3 应用一维功率谱密度实现不同加工方法的对比  67-69
  5.4 本章小结  69-71
结论  71-73
参考文献  73-77
附录  77-81
致谢  81

超精密加工表面粗糙度测量方法对比及功率谱密度评价

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