基于白光干涉的金屬極薄帶測厚理論與系統(tǒng)研究.pdf

1、機械精密細微加工和檢測技術(shù)是國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要和十一五規(guī)劃中鼓勵發(fā)展的先進制造技術(shù)。目前經(jīng)過精密加工的1μm-100μm厚度的金屬箔帶的一個重要應(yīng)用場合是在我國的慣性約束聚變(ICF)靶材料制備研究中，同時作為高附加值產(chǎn)品，在許多工業(yè)生產(chǎn)也有廣泛應(yīng)用。本文以國家“863計劃”項目的子課題為背景，對超薄金屬箔帶厚度測試技術(shù)進行了研究。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，國內(nèi)外主要采用的接觸法測厚儀無法避免損傷被測樣品表面或產(chǎn)生附加誤差，致使測量精度大大降低，目前尚且沒有可實用的非接觸、高精度測量微米級金屬箔帶厚度的測量系統(tǒng)。因此，研究精密、快速、安全、非接觸的測厚技術(shù)，研制開發(fā)配套的測厚儀器設(shè)備顯得尤為關(guān)鍵，有著重要的現(xiàn)實意義。 本論文從理論研究和實用角度出發(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行超薄金屬箔帶厚度測試的方法。主要研究串

3、聯(lián)差分白光干涉測厚系統(tǒng)和雙路差分白光干涉測厚系統(tǒng)，利用兩個白光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。詳細論述了兩種系統(tǒng)的測量原理、設(shè)計方案、數(shù)據(jù)處理及實驗驗證。在本論文研究的系統(tǒng)里，采用差分光路，由被測箔帶的兩個表面作為兩個Michelson干涉儀的測量反射面，這種干涉系統(tǒng)的最后輸出信號只與箔帶的厚度有關(guān)，而與其在測量光路的位置無關(guān)，因此，有效地提高了系統(tǒng)的抗振能力；同時，利用頻譜

4、域白光干涉原理提高了測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，提高了極值點的定位精度。其中基于動態(tài)均值濾波二次曲線擬合的白光干涉譜數(shù)據(jù)處理方法簡單實用、計算速度快、計算精度高，依據(jù)該方法編寫了測試系統(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)的超薄金屬箔帶測厚儀，并詳細研究了儀器的組成部件、系統(tǒng)標定、測試結(jié)果、性能指標及影響因素。測試系統(tǒng)具有較高的測量分辨率，測試范圍約為1μm～80μm，靜態(tài)時系統(tǒng)穩(wěn)定性控制在±10nm內(nèi)，單次測量時間小于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。當箔帶厚度≤20μm時，精度為0.2％；當箔帶厚度≤40μm時，精度為0.9％。設(shè)計的測厚儀結(jié)構(gòu)緊湊，具有非接觸性、非破壞性、

6、快速檢測、高精度、高靈敏度、安全可靠等優(yōu)點。 本論文的主要創(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量的新方法，利用光程差大于相干長度時進行譜域干涉的特性，提高了白光干涉法測量的動態(tài)范圍。提出了基于小波變換，LRMS、動態(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厚技術(shù)中影響系統(tǒng)精度的核心問題，使系統(tǒng)達到了很高的精度。我們研究的串聯(lián)差分白光干涉法測量金屬極薄精密帶材厚