長(zhǎng)度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

長(zhǎng)度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

0幾何參量與長(zhǎng)度測(cè)量幾何形狀是客觀世界中最廣泛、最具體的物質(zhì)形式。幾何量是反映物質(zhì)大小、形狀和位置的物理和化學(xué)性質(zhì)。其中長(zhǎng)度量是最基本的幾何參量,包括距離、位移及長(zhǎng)度等,度量的計(jì)量對(duì)人們從事各領(lǐng)域的研究和促進(jìn)科學(xué)進(jìn)步有著非常重要的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,大到天文尺度,小到納米尺度的長(zhǎng)度測(cè)量技術(shù)都有了飛速的發(fā)展,同時(shí)在各領(lǐng)域的應(yīng)用中,對(duì)長(zhǎng)度量的測(cè)量也在不斷提出新的要求。本文系統(tǒng)地闡述在各數(shù)量級(jí)的長(zhǎng)度測(cè)量,并重點(diǎn)介紹微觀尺度特別是納米級(jí)的位移測(cè)量技術(shù)。1測(cè)量的長(zhǎng)距離不同的天體用不同的測(cè)量方法,太陽(yáng)系內(nèi)和太陽(yáng)系外的天體距離測(cè)量使用的方法是完全不同的。1.1激光測(cè)距法sin地球到月亮距離的測(cè)量最早是采用三角視差法,如圖1所示。M為月球,α叫做地平視差,已知地球半徑r,則到月球的距離d就可以根據(jù)公式sinα=r/d求得。由于地心無(wú)法到達(dá),實(shí)際測(cè)量時(shí)都是在地球同一子午線上兩點(diǎn)A、S聯(lián)測(cè)得到地平視差α。這種方法測(cè)得的距離誤差較大,一般是1km以上?，F(xiàn)在采用激光測(cè)距法,設(shè)發(fā)出信號(hào)和返回信號(hào)之間的時(shí)間間隔為Δt,c為光速,那么測(cè)量目標(biāo)的距離就是l=Δt·c/2。自上個(gè)世紀(jì)70年代阿波羅號(hào)宇航員在月球上放置了激光反射器以后,測(cè)量精度不斷提高,目前已經(jīng)達(dá)到±1cm。1.2太陽(yáng)到地球的距離太陽(yáng)和地球距離的測(cè)量,采用間接測(cè)量法。一般是選用離地球比較近、視差比較小的行星。通過(guò)測(cè)量行星的視差,再由行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律算出太陽(yáng)的視差,如圖2所示。設(shè)太陽(yáng)中心為S,地球球心為O,選取的行星為M,SO的距離為l1,SM的距離為l2,將地球看成球體,半徑為R,可得:R=l1sinα1=(l2-l1)sinα2sinα1=(l2/l1-1)sinα2(1)R=l1sinα1=(l2?l1)sinα2sinα1=(l2/l1?1)sinα2(1)式中:sinα1可以用三角視差法測(cè)出,選定行星的視差α2,把地球和小行星的運(yùn)動(dòng)軌道視為在同一平面內(nèi)且均為正圓形,則只要我們測(cè)出行星繞日運(yùn)動(dòng)周期T2,而地球繞日公轉(zhuǎn)周期T1是已知的,根據(jù)開(kāi)普勒第三定律,可得:l2/l1=(Τ22/Τ21)1/3(2)l2/l1=(T22/T21)1/3(2)將此式代入式(1)即可求出sinα1或α1,進(jìn)而求出太陽(yáng)到地球的距離。1.3星的周年視差1恒星距離測(cè)量如圖3所示,H代表被測(cè)恒星,A和B是地球在公轉(zhuǎn)軌道上相隔半年的位置。A′和B′是由更遙遠(yuǎn)天體構(gòu)成的天空背景。地球位于A時(shí),地球上的觀測(cè)者看到恒星H位于天空背景A′點(diǎn),半年后觀察位于B′點(diǎn)。這2顆星體之間的角距離的一半,就是恒星的周年視差α1。由于現(xiàn)代角度測(cè)量精度的限制,當(dāng)恒星距離等于100s差距的時(shí)候,測(cè)量誤差與距離相當(dāng),所以這種方法只能用于距離小于100s差距的情況下。距離在100s差距到100ks差距之間時(shí),可以采用分光視差法,其基本思想是假定所有恒星光度相同,其視亮度應(yīng)按距離平方的反比下降,只要測(cè)出視亮度就可以算出距離。對(duì)于河外星系的距離測(cè)量主要采用哈勃紅移法,根據(jù)哈勃定律,河外星系的光譜線都向紅端移動(dòng),并且紅移的大小與星系的距離成正比,可以對(duì)星系的光譜線進(jìn)行分析,通過(guò)紅移計(jì)算出河外星系的視向退行速度,進(jìn)而得出天體距離。但是這種方法所要用到的哈勃常數(shù)并不容易準(zhǔn)確取值。2幾何尺度的變化這里的常規(guī)尺度是指從千米級(jí)到毫米級(jí)的這種區(qū)別于宏觀的天體尺度和微觀的微米、納米尺度的幾何尺度。常規(guī)尺度的長(zhǎng)度量的測(cè)量方法主要有超聲波測(cè)距和激光測(cè)距兩種。2.1空氣中超聲傳播距離的確定超聲波測(cè)距是靠超聲在介質(zhì)中傳播,遇到障礙物時(shí)反射,然后由聲波在介質(zhì)中的傳播速度和傳播時(shí)間來(lái)確定距離。設(shè)聲波在介質(zhì)中傳播速度為c,從發(fā)射波到接收到反射波的時(shí)間是t,則距離L=c·t/2。由于超聲在空氣中傳播速度受空氣溫度、濕度及壓強(qiáng)等因素的影響,而受溫度影響最大,在室溫下溫度變化1℃對(duì)超聲聲速的影響是0.6m/s,因此實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)該對(duì)超聲傳播速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。超聲波速與溫度關(guān)系為:C=√rRΤ/Μ(3)C=rRT/M???????√(3)式中:r為氣體定壓熱容與氣體定容熱容的比值,對(duì)空氣是1.40;R為氣體普適常量,8.314kg·mol-1·K-1;M為氣體分子量,空氣是28.8×10-3kg·mol-1;T為絕對(duì)溫度,273K+T℃。2.2光傳播速度不適宜激光反射法測(cè)距跟超聲波測(cè)距原理類似,但是激光傳播速度受空氣影響較小,在精度要求不高時(shí)可以忽略影響?，F(xiàn)在激光測(cè)距能達(dá)到很高的測(cè)量精度,如在測(cè)量地月距離時(shí)達(dá)到的精度為±1cm。3測(cè)量的長(zhǎng)度微觀尺度的長(zhǎng)度量測(cè)量可分為電學(xué)測(cè)量技術(shù)、光學(xué)測(cè)量技術(shù)和顯微鏡測(cè)量技術(shù)等。3.1測(cè)量電路的性能電學(xué)測(cè)量技術(shù)有電渦流傳感器測(cè)量、電容傳感器測(cè)量等。3.1.1等效規(guī)范設(shè)計(jì)電渦流傳感器工作原理如圖4所示,當(dāng)激勵(lì)線圈1通以高頻電流I1時(shí),其周圍產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)H1,線圈靠近被測(cè)導(dǎo)體2時(shí),導(dǎo)體中將產(chǎn)生與此磁場(chǎng)相交鏈的電渦流I2,而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)H2來(lái)阻礙H1的變化。由于被測(cè)導(dǎo)體中存在渦流損耗和磁損耗,這種相互交鏈的結(jié)果,使線圈的等效電感L發(fā)生變化。根據(jù)等效電路,可列出方程式:[R1+jωL1-jωΜ-jωΜR2+jωL2]?[˙Ι1˙Ι2]=[˙U0](4)[R1+jωL1?jωM?jωMR2+jωL2]?[I˙1I˙2]=[U˙0](4)整理后得線圈等效電感為:L=L1(μ)-ω2Μ2R22+(ωL2)2L2(5)L=L1(μ)?ω2M2R22+(ωL2)2L2(5)式中:L1為不計(jì)渦流效應(yīng)只考慮磁感應(yīng)時(shí)傳感器線圈的電感;ω為線圈激勵(lì)電流的角頻率;L2為金屬導(dǎo)體渦流回路電感;M為線圈與導(dǎo)體渦流環(huán)間的互感系數(shù);R2為金屬導(dǎo)體渦流回路的電阻。等效電感L受到兩種效應(yīng)的影響,其中第一項(xiàng)L1與靜磁效應(yīng)有關(guān),可表示為導(dǎo)磁率μ的函數(shù);第二項(xiàng)與電渦流效應(yīng)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),在金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、線圈激勵(lì)電流強(qiáng)度I、角頻率ω和線圈尺寸等參數(shù)恒定不變的前提下,線圈等效電感L就成為位移x的單值函數(shù),即L=f(x)。目前使用電渦流傳感器已能達(dá)到微米級(jí)的精度。3.1.2電容式傳感器電容傳感器測(cè)量微位移原理如下式所示:C=εS/4kπd2(6)式中:d為兩極板之間的距離;S為極板有效面積;ε為電介質(zhì)常數(shù)。當(dāng)極板間距d變化(上下移動(dòng))或極板有效面積變化(左右移動(dòng))時(shí),電容C也隨之變化,根據(jù)電容的變化量就可以求出微位移量的大小,所以電容式傳感器可分為可變距離型、可變面積型和可變介質(zhì)型,目前應(yīng)用較多的是前兩種。早在1920年就已經(jīng)有人利用電容器原理發(fā)明了能分辨1埃位移變化的超測(cè)微儀,目前用三端電容傳感器已可測(cè)出5×10-5μm的微位移,最好的穩(wěn)定性為每天漂移幾個(gè)pm。3.2光學(xué)測(cè)量技術(shù)光學(xué)測(cè)量法是伴隨著激光全息等技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的方法,它具有非接觸、材料適應(yīng)范圍廣、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。近二十年來(lái)隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,光學(xué)測(cè)量技術(shù)研究也取得了很多成果并應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。按使用的光學(xué)原理不同,光學(xué)測(cè)量技術(shù)可分為激光干涉法、光杠桿法、光柵尺測(cè)量技術(shù)等。3.2.1干涉條紋的檢測(cè)激光干涉測(cè)量法是利用邁克爾遜干涉儀原理,如圖5所示,由激光器發(fā)出的光通過(guò)兩塊分光鏡和平面鏡后,形成兩束光學(xué)特性完全相同的光,垂直入射到電荷藕合器件圖像傳感器CCD(chargecoupleddevice)上,由于兩束光有一定的光程差,所以在CCD上形成干涉條紋。當(dāng)M1固定,M2發(fā)生微小位移時(shí),干涉條紋將向內(nèi)搜索或者向外發(fā)散,每移動(dòng)一個(gè)條紋對(duì)應(yīng)的光程差為N2。傳統(tǒng)的方法是觀測(cè)移動(dòng)的條紋數(shù)來(lái)測(cè)量的移動(dòng)距離,其精度只有幾分之一的條紋間隔。若用計(jì)算機(jī)對(duì)干涉條紋進(jìn)行細(xì)化處理,可得到更精確的條紋圖像,使得精度大大提高。3.2.2平面鏡出射角的變化利用光杠桿測(cè)量微小位移的原理如圖6所示,主要構(gòu)件有:一對(duì)平面鏡M和M′、光源和位置敏感探測(cè)器PSD(positionsensitivedetectors)。由光源發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)一對(duì)平面鏡多次反射后照在PSD上,當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)微小位移Δl時(shí),平面鏡M′繞支點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)微小的角位移Δα,光束的入射角變化量也為Δα,經(jīng)過(guò)M和M′多次反射后照在PSD上,這兩次留下的光點(diǎn)的相距為Δs,前后兩次光束的出射角變化量為Δβ。先根據(jù)光反射原理將該系統(tǒng)對(duì)位移的放大系數(shù)K=Δs/Δl求出,實(shí)際測(cè)量時(shí)只需測(cè)得Δs即可根據(jù)放大系數(shù)求出微小位移Δl,當(dāng)光源發(fā)出的光束入射到平面鏡M′的入射角很小時(shí),在平面鏡之間的反射次數(shù)可達(dá)幾十次,而由此帶來(lái)的放大系數(shù)更是可以達(dá)到幾百。3.2.3光柵尺測(cè)位移的基本原理當(dāng)兩塊光柵以微小的角度相交傾斜重疊時(shí),在光柵刻痕上方可以看見(jiàn)明暗交替的莫爾條紋。當(dāng)任一光柵沿垂直于刻痕的方向移動(dòng)時(shí),莫爾條紋沿著垂直于交角平分線的方向移動(dòng),因此可以通過(guò)測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)量來(lái)得到光柵的位移量,這就是光柵尺測(cè)位移的基本原理。用這種方法來(lái)測(cè)量納米級(jí)位移的關(guān)鍵在于光柵和莫爾條紋的細(xì)分,由于加工技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)在已能制造出具有6000mm-1空間分辨率的全息光柵,使得用光柵技術(shù)測(cè)量微位移的精度達(dá)到了±0.01nm的水平。3.3顯微鏡測(cè)量技術(shù)3.3.1探針與樣品間距離變化的測(cè)量掃描隧道顯微鏡STM(scanningtunnelingmicroscope)是應(yīng)用了隧道效應(yīng),所謂隧道效應(yīng)是量子力學(xué)中一種粒子躍遷的現(xiàn)象,在隧道狀態(tài)下隧道電流與隧道間隙呈負(fù)指數(shù)關(guān)系變化,其表達(dá)式為:Ι=B?exp(-2Κ√ΦS)(7)I=B?exp(?2KΦ√S)(7)式中:Κ=√(2m/h2)K=(2m/h2)???????√為常數(shù)(≈5.12316588eV-1/2·nm-1),m為自由電子的質(zhì)量,h為普朗克常量;Φ為平均勢(shì)壘高度;B為針尖與樣品偏壓Vb有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)針尖與樣品的間隙改變0.1nm,引起的隧道電流改變量為10倍,由隧道電流隨距離變化的特性,可測(cè)出探針與樣品間的距離變化。在STM的基礎(chǔ)上,發(fā)展了一些探針顯微鏡,如光子掃描隧道顯微鏡PSTM(photoscanningtunnelingmicroscope)、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡SNOM(scanningnear-fieldopticalmicroscope)、磁力顯微鏡MFM(magneticforcemicroscope)等。3.3.2探針的間力作用原子力顯微鏡AFM(atomicforcemicroscope)是利用了物質(zhì)表面原子間力的作用,當(dāng)一個(gè)對(duì)微弱力極其敏感的微懸臂在縱向充分逼近被測(cè)樣品表面時(shí),探針尖端的原子與樣品表面的原子之間就會(huì)產(chǎn)生相互作用的原子力,使微懸臂發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。微懸臂的偏轉(zhuǎn)量與針尖到物體表面的距離成一定的曲線關(guān)系,利用這種原理的原子力顯微鏡可用于非導(dǎo)體的微位移測(cè)量。3.3.3放大倍數(shù)和分辨率掃描電子顯微鏡SEM(scanningelectronmicroscope)在觀測(cè)物體表面微觀形態(tài)時(shí)測(cè)量精度能達(dá)到幾個(gè)埃的水平。普通的SEM放大倍數(shù)為15～200000倍,分辨率為2～6nm,SEM的放大倍數(shù)最大可達(dá)10～1000000倍,分辨率最大可達(dá)0.5nm。以掃描電子顯微鏡為基礎(chǔ)發(fā)展出了各類電子顯微鏡,如透射電子顯微鏡TEM(transmissionelectronmicroscope)、反射電子顯微鏡REM(reflectionelectronmicroscope)等。以上所述顯微鏡測(cè)量技術(shù),只能局限在實(shí)驗(yàn)室研究使用,若要將其應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),還需要廣大科研工作者的努力。4微位移測(cè)量的應(yīng)用趨勢(shì)在天體距離測(cè)量方面,由于對(duì)距離地球比較近的天體位移測(cè)量時(shí),都需要對(duì)角位移進(jìn)行精確測(cè)量,所以天體距離的測(cè)量會(huì)隨著微觀位移測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步而得到更高的精度。隨著科學(xué)的發(fā)展,將來(lái)能夠得到更加準(zhǔn)確的哈勃常數(shù),這樣利用哈勃紅移法得到的距離精度也會(huì)越來(lái)越高。微觀長(zhǎng)度測(cè)量領(lǐng)域,利用光學(xué)測(cè)量原理的方法中,光杠桿法和干涉測(cè)量法其光源都是激光,測(cè)量精度直接受激光源質(zhì)量和感光元件靈敏度的影響,隨著制造加工技術(shù)的發(fā)展,勢(shì)必給微位移測(cè)量帶來(lái)新的發(fā)展。而顯微鏡測(cè)量?jī)x器會(huì)趨于微型化,這種高精度的納米級(jí)位移測(cè)量技術(shù)不久就會(huì)走出實(shí)驗(yàn)室真正應(yīng)用到生產(chǎn)中去。目前很多對(duì)微小位移的高精度測(cè)量其量程都非常小,比如要達(dá)到納米級(jí)的測(cè)量,電容傳感器測(cè)量量程就只有幾個(gè)或者幾十個(gè)mm。一直以來(lái)測(cè)量精度跟測(cè)量工具的量程都是一對(duì)矛盾,現(xiàn)在也有很多人在研究大量程高精度的測(cè)量方法并取得了一定的進(jìn)展。未來(lái)的測(cè)量方法應(yīng)該能更好地調(diào)和測(cè)量精度和測(cè)量