[科普中国]-轮廓传感器

定义

随着国民经济和人民生活水平的迅速发展，促进了自动化生产程度和产品质量提高，对计量检测手段提出了更高的要求。对轿车车身、模具及零件表面形状等外观轮廓的检测要求具有实时、快速、柔性、非接触等特点，视觉检测技术的发展适应了这一需求。视觉检测是根据机器视觉（又称为计算机视觉）比人类视觉易于给出物体的定量指标这一特征，将其应用于空间几何尺寸的精确检测和定位的技术。基于三角法的线结构光技术具有模型简单，不产生光条混淆，易于实现等优点，广泛应用于传动带上零件的检测，被测物体表面特定轮廓的测量等。使用线结构光法，在被测区域投射一高对比度的光条，使用面阵CCD摄像机接收散射光，从而获得表面被照明区域的截面形状或轮廓。因此，我们将用线结构光技术实现的传感器称为轮廓传感器。1

纳米级表面轮廓传感器在半导体工业领域试制和生产基片或元器件的过程中，需要检测与控制它们的膜厚、表面轮廓和表面质量。利用表面轮廓测量仪，进行接触式测量是一种行之有效的方法。在大规模集成电路广泛应用的今天，研究开发高分辨力的表面轮廓传感器具有现实意义。

为了分辨出纳米级的微小位移和凹凸不平的表面轮廓，对传感器的灵敏度与重复性、测量电路的抗干扰能力以及测量力和触针曲率半径等均提出很高的要求。

传感器的工作原理如右图所示。传感器铁心位于线圈中间位置时，由线圈与激磁振荡器输出变压器副边组成的测量电桥其输出电压为零。当触针在试件表面上扫描时，若表面上凸，触针带动铁芯上移，上线圈电感量增加，下线圈电感量减小，电桥失去平衡，输出与触针位移成正比的信号电压；若表面下凹，则输出信号反相。该信号电压经前置放大后，通过同步积分器进行滤波，再经解调器将信号解调出来，获得电压幅值与触针位移成正比、极性与移动方向相对应的直流电压，再经直流放大后输至记录仪（图中未表示）进行记录。2

一种新型传感器在表面轮廓测量中的应用目前在生产和科学研究中，对于各种工程表面轮廓大多采用金刚石触针测量。这种测量方法可靠性强，环境要求不高、价格低廉。但也存在以下缺点：会划伤工件表面，触针不可避免会磨损，影响测量结果。软金属精密表面、含信息的表面以及某些不允许刻划的表面等一般不宜采用触针轮廓仪进行测量。

为克服接触式测量的缺点，采用非接触测量方式的光针扫描轮廓仪得到了迅速发展。对于工程表面形貌的测量，聚焦式光针扫描轮廓仪是较理想的测量仪器，目前已在工业生产中得到了应用。然而这种轮廓仪由于受材料光学性能、工件安装、倾斜程度及环境因素的影响较大，使用也受到限制。

由此可见，在生产中最好同时具备上述2种仪器，以满足对工程表面测量的需要。目前金刚石触针轮廓仪技术成熟，价格适中，在生产中应用广泛；光针扫描轮廓仪已有产品面市，但价格不菲，性能尚待完善，是表面测量领域重点研究开发的对象。因此，研究开发量程较大、价格较低，同时具有接触式与非接触式两种测量方式的传感器或仪器具有重要意义。3