徐 昱 / 湖南省計(jì)量檢測研究院

0 引言

1 檢測裝置

圖1為檢測裝置示意圖。將МИИ-4型或6J型干涉顯微鏡1和立式光學(xué)計(jì)的支座5置于同一平板上，視被測樣板3刻線溝槽的深度，在支座5上放入光學(xué)計(jì)光管或接觸式干涉儀光管4，其上刀口測帽在檢測時(shí)與干涉顯微鏡的干涉系統(tǒng)臂架保持接觸。將干涉顯微鏡的測微目鏡2十字線分劃板換為圖2所示的專用分劃板，借此來提高干涉條紋的瞄準(zhǔn)準(zhǔn)確度。考慮到被測刻劃溝槽的谷底有平面的、角度的或圓弧形的，相應(yīng)谷底的干涉條紋有呈平直的和不同的角度或不同的半徑圓弧，而且同一刻線溝槽谷底干涉條紋的角度或圓弧半徑的大小隨干涉條紋的寬窄而變，為此，該專用分劃板上刻有兩組線條圖案，內(nèi)中一組雙直線內(nèi)有30°、37.5°、…、75°的角度雙線，另一組內(nèi)有半徑為0.2 mm、0.4 mm、…、1.0 mm的圓弧雙線。小徑圓弧頂點(diǎn)和小三角頂點(diǎn)A落在直線條內(nèi)邊緣A′上，大徑圓弧頂點(diǎn)和大三角頂點(diǎn)B與另一直線條內(nèi)邊緣B′相切。

圖1 檢測裝置示意圖

圖2 專用分劃板

1.1 操作步驟

測量上述樣板溝槽深度H的操作程序大致與干涉顯微鏡測量制件的表面粗糙度相同，兩者不同的是后者用測微目鏡2的十字線瞄準(zhǔn)干涉條紋和用讀數(shù)鼓輪讀數(shù)，而前者用測微目鏡的專用分劃板雙線瞄準(zhǔn)和用光管讀數(shù)。對于溝槽谷底為平面的刻線，其相應(yīng)的干涉條紋峰和谷均為直線條，緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)對焦鼓輪6，用分劃板圖案中的同一雙直線前后瞄準(zhǔn)這兩條條紋。對于谷底為角度或圓弧的刻線相應(yīng)干涉條紋，前后分別用分劃板圖案中的雙直線和角度雙線或圓弧雙線瞄準(zhǔn)。在進(jìn)行上述前后兩次瞄準(zhǔn)時(shí)對焦鼓輪保持往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)對稱跨線前后瞄準(zhǔn)好后立即在光管上進(jìn)行讀數(shù)，兩次讀數(shù)的差值即為被檢樣板刻線溝槽深度H。按上述操作，重復(fù)測量三次，取三次讀數(shù)平均值作為測量結(jié)果。需要說明的是，鈉光具有很好的單色性，為使由干涉系統(tǒng)生成優(yōu)質(zhì)的條紋，可先用白光照明，目鏡視野內(nèi)找到零次黑色條紋后改為鈉光照明，這對提高瞄準(zhǔn)準(zhǔn)確度大有好處。

2 測量不確定度分析

以立式光學(xué)計(jì)光管讀數(shù)測量H為50 μm，用分度值i為0.05 μm接觸式干涉儀光管來測量H為1 μm樣板刻線溝槽深度為例，按上述操作方法，對測量不確定度的來源進(jìn)行分析。

2.1 瞄準(zhǔn)誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

式中：250×103— 明視距離，μm；

Δ— 對稱跨線瞄準(zhǔn)誤差約為10″；

?！?干涉顯微鏡放大倍數(shù)為480x；

ρ — 線值角度換算系數(shù)2×105

從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，我們可以看到，中國是以制造業(yè)為主，勞動(dòng)力市場上多是體力勞動(dòng)者，這部分人依靠他們的體力勞動(dòng)取得收入，但是人體在晚年時(shí)期身體機(jī)能會(huì)大大下降，如果推遲退休年齡會(huì)給這些人帶來身體上的傷害。

將上述各數(shù)值代入后得：

因測量時(shí)前后兩次瞄準(zhǔn)，并重復(fù)測量三次，且服從均勻分布

2.2 光管的讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

對零和估讀誤差一般不超過分度值的1/10，取均勻分布。用立式光學(xué)計(jì)光管時(shí)，光管的讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

用接觸式干涉儀光管時(shí)，光管的讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

2.3 光管的示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

用立式光學(xué)計(jì)光管時(shí)，讀數(shù)范圍不超過±60 μm，該項(xiàng)誤差不大于± 0.2 μm，取均勻分布，則光管的示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

用接觸式干涉儀光管時(shí)，光管的示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按公式算得：

式中：i — 分度值，I = 0.05 μm；

n — 讀數(shù)分劃格數(shù)，設(shè)n = 20格；

λ — 干涉濾光片波長，設(shè) λ = 0.550 μm；

Δλ — 波長的檢定不確定度，Δλ = ± 0.002 μm

上述數(shù)值代入后得

則溝槽深度測量合成不確定度為：

用立式光學(xué)計(jì)光管時(shí)，uc= 0.15 μm；

用接觸式干涉儀光管時(shí)，uc= ± 0.036 μm。

取k = 2，擴(kuò)展不確定度：U(立式光管)=0.30 μm；U（接觸式干涉儀光管）= 0.072 μm。

測量相對不確定度Urel為：

對于H = 50 μm樣板，Urel= U/H = 0.30/50 = 0.60%，

對于H = 1 μm樣板，Urel= U/H = 0.072/1 = 7.2%。

3 實(shí)測比對

為了驗(yàn)證所探討的檢測技術(shù)測量準(zhǔn)確度的可靠性，對三套單刻線樣板進(jìn)行實(shí)測，其實(shí)測值與中國計(jì)量科學(xué)研究院的測得值見表1。

表1 測值比對

4 結(jié)語

由以上檢測不確定度分析和實(shí)測比對表明，所探討的檢測裝置技術(shù)方案可獲得很高的檢測準(zhǔn)確度。欲進(jìn)一步提高檢測準(zhǔn)確度，則可增加重復(fù)測量次數(shù)。

[1]全國法制計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJF 1059-2012[S]. 北京：中國計(jì)量出版社，2012.

[2]全國計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量檢定人員考核委員會(huì). 測量不確定度評定與表示實(shí)例[M]. 北京：中國計(jì)量出版社，2001.