基于白光干涉的金屬極薄帶測(cè)厚理論與系統(tǒng)研究.pdf

1、機(jī)械精密細(xì)微加工和檢測(cè)技術(shù)是國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要和十一五規(guī)劃中鼓勵(lì)發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)。目前經(jīng)過(guò)精密加工的1μm-100μm厚度的金屬箔帶的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)合是在我國(guó)的慣性約束聚變(ICF)靶材料制備研究中，同時(shí)作為高附加值產(chǎn)品，在許多工業(yè)生產(chǎn)也有廣泛應(yīng)用。本文以國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目的子課題為背景，對(duì)超薄金屬箔帶厚度測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究。在激光聚變相關(guān)基礎(chǔ)研究中，如高溫高壓下的狀態(tài)方程研究中，對(duì)所使用的幾微米至幾十微米金屬材料在厚度一

2、致性和表面質(zhì)量等各方面有極高要求，國(guó)內(nèi)外主要采用的接觸法測(cè)厚儀無(wú)法避免損傷被測(cè)樣品表面或產(chǎn)生附加誤差，致使測(cè)量精度大大降低，目前尚且沒(méi)有可實(shí)用的非接觸、高精度測(cè)量微米級(jí)金屬箔帶厚度的測(cè)量系統(tǒng)。因此，研究精密、快速、安全、非接觸的測(cè)厚技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)配套的測(cè)厚儀器設(shè)備顯得尤為關(guān)鍵，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本論文從理論研究和實(shí)用角度出發(fā)，深入研究了白光譜域干涉的原理和特性，提出了分析白光干涉光譜進(jìn)行超薄金屬箔帶厚度測(cè)試的方法。主要研究串

3、聯(lián)差分白光干涉測(cè)厚系統(tǒng)和雙路差分白光干涉測(cè)厚系統(tǒng)，利用兩個(gè)白光Michelson干涉組成差分干涉系統(tǒng)，USB2000光纖光譜儀接收與厚度相關(guān)的干涉光譜信號(hào)。詳細(xì)論述了兩種系統(tǒng)的測(cè)量原理、設(shè)計(jì)方案、數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在本論文研究的系統(tǒng)里，采用差分光路，由被測(cè)箔帶的兩個(gè)表面作為兩個(gè)Michelson干涉儀的測(cè)量反射面，這種干涉系統(tǒng)的最后輸出信號(hào)只與箔帶的厚度有關(guān)，而與其在測(cè)量光路的位置無(wú)關(guān)，因此，有效地提高了系統(tǒng)的抗振能力；同時(shí)，利用頻譜

4、域白光干涉原理提高了測(cè)量范圍和抗干擾能力。本文研究了串聯(lián)差分及雙路差分的白光干涉譜數(shù)據(jù)的基本處理技術(shù)。結(jié)合具體測(cè)試環(huán)境的需要，提出了基于小波變換的串聯(lián)差分白光干涉譜處理方法，基于LRMS、動(dòng)態(tài)均值濾波二次曲線擬合的雙路差分白光干涉譜數(shù)據(jù)處理方法。在濾除噪聲、平滑曲線的同時(shí)，提高了極值點(diǎn)的定位精度。其中基于動(dòng)態(tài)均值濾波二次曲線擬合的白光干涉譜數(shù)據(jù)處理方法簡(jiǎn)單實(shí)用、計(jì)算速度快、計(jì)算精度高，依據(jù)該方法編寫(xiě)了測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)分析軟件。

5、 本文研制完成了基于雙路差分干涉基礎(chǔ)的超薄金屬箔帶測(cè)厚儀，并詳細(xì)研究了儀器的組成部件、系統(tǒng)標(biāo)定、測(cè)試結(jié)果、性能指標(biāo)及影響因素。測(cè)試系統(tǒng)具有較高的測(cè)量分辨率，測(cè)試范圍約為1μm～80μm，靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制在±10nm內(nèi)，單次測(cè)量時(shí)間小于50ms，橫向分辨率和所使用的傳光光纖芯徑等因素有關(guān)，約為0.3mm。當(dāng)箔帶厚度≤20μm時(shí)，精度為0.2％；當(dāng)箔帶厚度≤40μm時(shí)，精度為0.9％。設(shè)計(jì)的測(cè)厚儀結(jié)構(gòu)緊湊，具有非接觸性、非破壞性、

6、快速檢測(cè)、高精度、高靈敏度、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新之處有：提出了白光干涉譜分析基礎(chǔ)上的金屬極薄帶厚度測(cè)量的新方法，利用光程差大于相干長(zhǎng)度時(shí)進(jìn)行譜域干涉的特性，提高了白光干涉法測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。提出了基于小波變換，LRMS、動(dòng)態(tài)均值濾波二次曲線擬合的三種白光干涉譜數(shù)據(jù)處理方法。從理論和技術(shù)上解決了白光干涉金屬極薄帶測(cè)厚技術(shù)中影響系統(tǒng)精度的核心問(wèn)題，使系統(tǒng)達(dá)到了很高的精度。我們研究的串聯(lián)差分白光干涉法測(cè)量金屬極薄精密帶材厚