长度测量技术的发展现状

长度测量技术的发展现状

0几何参量与长度测量几何形状是客观世界中最广泛、最具体的物质形式。几何量是反映物质大小、形状和位置的物理和化学性质。其中长度量是最基本的几何参量,包括距离、位移及长度等,度量的计量对人们从事各领域的研究和促进科学进步有着非常重要的意义。随着科学技术的发展,大到天文尺度,小到纳米尺度的长度测量技术都有了飞速的发展,同时在各领域的应用中,对长度量的测量也在不断提出新的要求。本文系统地阐述在各数量级的长度测量,并重点介绍微观尺度特别是纳米级的位移测量技术。1测量的长距离不同的天体用不同的测量方法,太阳系内和太阳系外的天体距离测量使用的方法是完全不同的。1.1激光测距法sin地球到月亮距离的测量最早是采用三角视差法,如图1所示。M为月球,α叫做地平视差,已知地球半径r,则到月球的距离d就可以根据公式sinα=r/d求得。由于地心无法到达,实际测量时都是在地球同一子午线上两点A、S联测得到地平视差α。这种方法测得的距离误差较大,一般是1km以上。现在采用激光测距法,设发出信号和返回信号之间的时间间隔为Δt,c为光速,那么测量目标的距离就是l=Δt·c/2。自上个世纪70年代阿波罗号宇航员在月球上放置了激光反射器以后,测量精度不断提高,目前已经达到±1cm。1.2太阳到地球的距离太阳和地球距离的测量,采用间接测量法。一般是选用离地球比较近、视差比较小的行星。通过测量行星的视差,再由行星的运动规律算出太阳的视差,如图2所示。设太阳中心为S,地球球心为O,选取的行星为M,SO的距离为l1,SM的距离为l2,将地球看成球体,半径为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可以用三角视差法测出,选定行星的视差α2,把地球和小行星的运动轨道视为在同一平面内且均为正圆形,则只要我们测出行星绕日运动周期T2,而地球绕日公转周期T1是已知的,根据开普勒第三定律,可得:l2/l1=(Τ22/Τ21)1/3(2)l2/l1=(T22/T21)1/3(2)将此式代入式(1)即可求出sinα1或α1,进而求出太阳到地球的距离。1.3星的周年视差1恒星距离测量如图3所示,H代表被测恒星,A和B是地球在公转轨道上相隔半年的位置。A′和B′是由更遥远天体构成的天空背景。地球位于A时,地球上的观测者看到恒星H位于天空背景A′点,半年后观察位于B′点。这2颗星体之间的角距离的一半,就是恒星的周年视差α1。由于现代角度测量精度的限制,当恒星距离等于100s差距的时候,测量误差与距离相当,所以这种方法只能用于距离小于100s差距的情况下。距离在100s差距到100ks差距之间时,可以采用分光视差法,其基本思想是假定所有恒星光度相同,其视亮度应按距离平方的反比下降,只要测出视亮度就可以算出距离。对于河外星系的距离测量主要采用哈勃红移法,根据哈勃定律,河外星系的光谱线都向红端移动,并且红移的大小与星系的距离成正比,可以对星系的光谱线进行分析,通过红移计算出河外星系的视向退行速度,进而得出天体距离。但是这种方法所要用到的哈勃常数并不容易准确取值。2几何尺度的变化这里的常规尺度是指从千米级到毫米级的这种区别于宏观的天体尺度和微观的微米、纳米尺度的几何尺度。常规尺度的长度量的测量方法主要有超声波测距和激光测距两种。2.1空气中超声传播距离的确定超声波测距是靠超声在介质中传播,遇到障碍物时反射,然后由声波在介质中的传播速度和传播时间来确定距离。设声波在介质中传播速度为c,从发射波到接收到反射波的时间是t,则距离L=c·t/2。由于超声在空气中传播速度受空气温度、湿度及压强等因素的影响,而受温度影响最大,在室温下温度变化1℃对超声声速的影响是0.6m/s,因此实际测量时应该对超声传播速度进行温度补偿。超声波速与温度关系为:C=√rRΤ/Μ(3)C=rRT/M−−−−−−−√(3)式中:r为气体定压热容与气体定容热容的比值,对空气是1.40;R为气体普适常量,8.314kg·mol-1·K-1;M为气体分子量,空气是28.8×10-3kg·mol-1;T为绝对温度,273K+T℃。2.2光传播速度不适宜激光反射法测距跟超声波测距原理类似,但是激光传播速度受空气影响较小,在精度要求不高时可以忽略影响。现在激光测距能达到很高的测量精度,如在测量地月距离时达到的精度为±1cm。3测量的长度微观尺度的长度量测量可分为电学测量技术、光学测量技术和显微镜测量技术等。3.1测量电路的性能电学测量技术有电涡流传感器测量、电容传感器测量等。3.1.1等效规范设计电涡流传感器工作原理如图4所示,当激励线圈1通以高频电流I1时,其周围产生一交变磁场H1,线圈靠近被测导体2时,导体中将产生与此磁场相交链的电涡流I2,而此电涡流又将产生一交变磁场H2来阻碍H1的变化。由于被测导体中存在涡流损耗和磁损耗,这种相互交链的结果,使线圈的等效电感L发生变化。根据等效电路,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)整理后得线圈等效电感为:L=L1(μ)-ω2Μ2R22+(ωL2)2L2(5)L=L1(μ)−ω2M2R22+(ωL2)2L2(5)式中:L1为不计涡流效应只考虑磁感应时传感器线圈的电感;ω为线圈激励电流的角频率;L2为金属导体涡流回路电感;M为线圈与导体涡流环间的互感系数;R2为金属导体涡流回路的电阻。等效电感L受到两种效应的影响,其中第一项L1与静磁效应有关,可表示为导磁率μ的函数;第二项与电涡流效应有关。一般来说,在金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、线圈激励电流强度I、角频率ω和线圈尺寸等参数恒定不变的前提下,线圈等效电感L就成为位移x的单值函数,即L=f(x)。目前使用电涡流传感器已能达到微米级的精度。3.1.2电容式传感器电容传感器测量微位移原理如下式所示:C=εS/4kπd2(6)式中:d为两极板之间的距离;S为极板有效面积;ε为电介质常数。当极板间距d变化(上下移动)或极板有效面积变化(左右移动)时,电容C也随之变化,根据电容的变化量就可以求出微位移量的大小,所以电容式传感器可分为可变距离型、可变面积型和可变介质型,目前应用较多的是前两种。早在1920年就已经有人利用电容器原理发明了能分辨1埃位移变化的超测微仪,目前用三端电容传感器已可测出5×10-5μm的微位移,最好的稳定性为每天漂移几个pm。3.2光学测量技术光学测量法是伴随着激光全息等技术的发展而产生的方法,它具有非接触、材料适应范围广、测量精度高等特点。近二十年来随着电子技术和计算机技术的飞速发展,光学测量技术研究也取得了很多成果并应用到了工业生产领域。按使用的光学原理不同,光学测量技术可分为激光干涉法、光杠杆法、光栅尺测量技术等。3.2.1干涉条纹的检测激光干涉测量法是利用迈克尔逊干涉仪原理,如图5所示,由激光器发出的光通过两块分光镜和平面镜后,形成两束光学特性完全相同的光,垂直入射到电荷藕合器件图像传感器CCD(chargecoupleddevice)上,由于两束光有一定的光程差,所以在CCD上形成干涉条纹。当M1固定,M2发生微小位移时,干涉条纹将向内搜索或者向外发散,每移动一个条纹对应的光程差为N2。传统的方法是观测移动的条纹数来测量的移动距离,其精度只有几分之一的条纹间隔。若用计算机对干涉条纹进行细化处理,可得到更精确的条纹图像,使得精度大大提高。3.2.2平面镜出射角的变化利用光杠杆测量微小位移的原理如图6所示,主要构件有:一对平面镜M和M′、光源和位置敏感探测器PSD(positionsensitivedetectors)。由光源发出的激光经过一对平面镜多次反射后照在PSD上,当被测物体移动微小位移Δl时,平面镜M′绕支点A转动微小的角位移Δα,光束的入射角变化量也为Δα,经过M和M′多次反射后照在PSD上,这两次留下的光点的相距为Δs,前后两次光束的出射角变化量为Δβ。先根据光反射原理将该系统对位移的放大系数K=Δs/Δl求出,实际测量时只需测得Δs即可根据放大系数求出微小位移Δl,当光源发出的光束入射到平面镜M′的入射角很小时,在平面镜之间的反射次数可达几十次,而由此带来的放大系数更是可以达到几百。3.2.3光栅尺测位移的基本原理当两块光栅以微小的角度相交倾斜重叠时,在光栅刻痕上方可以看见明暗交替的莫尔条纹。当任一光栅沿垂直于刻痕的方向移动时,莫尔条纹沿着垂直于交角平分线的方向移动,因此可以通过测量莫尔条纹的移动量来得到光栅的位移量,这就是光栅尺测位移的基本原理。用这种方法来测量纳米级位移的关键在于光栅和莫尔条纹的细分,由于加工技术的飞速发展,现在已能制造出具有6000mm-1空间分辨率的全息光栅,使得用光栅技术测量微位移的精度达到了±0.01nm的水平。3.3显微镜测量技术3.3.1探针与样品间距离变化的测量扫描隧道显微镜STM(scanningtunnelingmicroscope)是应用了隧道效应,所谓隧道效应是量子力学中一种粒子跃迁的现象,在隧道状态下隧道电流与隧道间隙呈负指数关系变化,其表达式为:Ι=B⋅exp(-2Κ√ΦS)(7)I=B⋅exp(−2KΦ√S)(7)式中:Κ=√(2m/h2)K=(2m/h2)−−−−−−−√为常数(≈5.12316588eV-1/2·nm-1),m为自由电子的质量,h为普朗克常量;Φ为平均势垒高度;B为针尖与样品偏压Vb有关的系数。当针尖与样品的间隙改变0.1nm,引起的隧道电流改变量为10倍,由隧道电流随距离变化的特性,可测出探针与样品间的距离变化。在STM的基础上,发展了一些探针显微镜,如光子扫描隧道显微镜PSTM(photoscanningtunnelingmicroscope)、扫描近场光学显微镜SNOM(scanningnear-fieldopticalmicroscope)、磁力显微镜MFM(magneticforcemicroscope)等。3.3.2探针的间力作用原子力显微镜AFM(atomicforcemicroscope)是利用了物质表面原子间力的作用,当一个对微弱力极其敏感的微悬臂在纵向充分逼近被测样品表面时,探针尖端的原子与样品表面的原子之间就会产生相互作用的原子力,使微悬臂发生一定的偏转。微悬臂的偏转量与针尖到物体表面的距离成一定的曲线关系,利用这种原理的原子力显微镜可用于非导体的微位移测量。3.3.3放大倍数和分辨率扫描电子显微镜SEM(scanningelectronmicroscope)在观测物体表面微观形态时测量精度能达到几个埃的水平。普通的SEM放大倍数为15～200000倍,分辨率为2～6nm,SEM的放大倍数最大可达10～1000000倍,分辨率最大可达0.5nm。以扫描电子显微镜为基础发展出了各类电子显微镜,如透射电子显微镜TEM(transmissionelectronmicroscope)、反射电子显微镜REM(reflectionelectronmicroscope)等。以上所述显微镜测量技术,只能局限在实验室研究使用,若要将其应用于生产现场,还需要广大科研工作者的努力。4微位移测量的应用趋势在天体距离测量方面,由于对距离地球比较近的天体位移测量时,都需要对角位移进行精确测量,所以天体距离的测量会随着微观位移测量技术的进步而得到更高的精度。随着科学的发展,将来能够得到更加准确的哈勃常数,这样利用哈勃红移法得到的距离精度也会越来越高。微观长度测量领域,利用光学测量原理的方法中,光杠杆法和干涉测量法其光源都是激光,测量精度直接受激光源质量和感光元件灵敏度的影响,随着制造加工技术的发展,势必给微位移测量带来新的发展。而显微镜测量仪器会趋于微型化,这种高精度的纳米级位移测量技术不久就会走出实验室真正应用到生产中去。目前很多对微小位移的高精度测量其量程都非常小,比如要达到纳米级的测量,电容传感器测量量程就只有几个或者几十个mm。一直以来测量精度跟测量工具的量程都是一对矛盾,现在也有很多人在研究大量程高精度的测量方法并取得了一定的进展。未来的测量方法应该能更好地调和测量精度和测量