微压力接触式台阶仪测量误差校正技术研究

　　目前，国内外台阶尺寸检测采用的方法有光学法、接触法等。其中光学法普遍采用激光测量法和成像法，激光法采用激光反射或干涉实现尺寸测量，对被测工件的表面要求较高，应用中具有一定的局限性。成像法采用高像素的CCD实时成像系统，并配合高水平的实时变焦及聚焦光学系统，测量视野小、测量速度慢，同时系统造价非常高昂，一般简单系统价格也要百万以上。国外的接触式测量产品借助于先进的精密加工技术，水平驱动及扫描装置加工精度高，对测量影响小，可以实现高精度的尺寸检测，但价格较高，一般在几十万元以上，不利于中小型企业的普及。国内现有的生产厂商普遍采用引进技术生产，生产中不触及核心技术，产品成本高，更新换代慢，限制了企业的发展。

　　微压力接触式台阶仪针对低成本尺寸检测技术制约精度的瓶颈问题进行专项研究，分析了影响系统精度的三个原因，并通过测量臂旋转角度补偿技术、工件表面倾斜校正技术和光学系统图像畸变校正技术，降低了系统误差，提高了系统的测试精度。

　　1 结构原理

　　微压力接触式台阶仪需要检测X轴方向和Y轴方向的尺寸变化，该仪器采用CCD作为Y轴方向位移传感部件，结合了扫描探针接触式检测技术及CCD光电尺寸检测技术，实现测量头与传感器之间的无接触传感，实现了微小压力的接触式尺寸检测。Y 轴方向的高分辨率检测依靠光学成像放大原理，利用光学系统的横向放大率，将狭缝的微小位移进行放大并成像在CCD上，从而实现了Y 轴方向的微米级检测分辨率。

　　图1为机械结构设计图。其中光学传感部分由激光准直光源、狭缝、光学系统、CCD组成，激光器发出的光经狭缝后变成一条线宽很窄的线光源，狭缝的位移变化经光学系统放大后，在CCD上成像，从而检测出狭缝位置的变化。

　　探针测量系统由探针、平衡式传导测量臂、直线轴承等组成，采用测量臂后，能够减小探针位移时产生的横向剪切力，从而减小了带来直线轴承运动时的摩擦力，有利于降低探针压力。

　　光源采用线形光斑LD光源，驱动功率小，光强高，可以保证无光学遮蔽情况下的正常测量。LD光斑经狭缝变成线光源，狭缝经光学系统成像在CCD上，狭缝的位置变化反映了台阶高度的变化;光学系统为横向放大光学系统，狭缝位移被放大从而得到高分辨率的尺寸变化。为实现Y 轴2μm 的分辨率，光学系统的横向放大率应为8倍，这样系统Y 轴量程约为3.8mm。

　　狭缝轴承采用日本进口滚珠直线轴承，运行阻力小，与测臂采用球形探针接触，测臂与球形探针接触点采用金刚石薄膜，获得最小的摩擦力及长的使用寿命;测臂采用力臂对称杠杆形式，并配以平衡块，可以调节探针压力。