厚度测量范文

厚度测量范文第1篇

关键词：钢筋保护层；厚度；实验

中图分类号：TU511文献标识码： A

依据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中的规定，钢筋保护层厚度指最外层钢筋外边缘至混凝土表面的距离，它直接影响混凝土结构的安全性和耐久性。在现阶段对于钢筋保护层厚度的测量，大都采用无损检测的方法，本文中将依此而展开论述。

1在实际工作中存在测量精度的问题。

经过计量部门检定合格的设备也会出现异常数据。归纳得出影响钢筋保护层测量精度因素包括：①仪器性能；②钢筋直径及种类；③混凝土中的铁磁性物质；④混凝土含水状态；⑤密集钢筋网片的影响。我们采用模拟试验对以上因素进行研究验证。所采用的试验设备：1台ZBL-610钢筋保护层测定仪；1台ZBL-620钢筋保护层测定仪作为参考和比对；游标卡尺、钢直尺；各型钢筋作为测试对象；制作了钢筋混凝土试件，准备无磁性（纸张和木材）材料制作的垫块并可调整厚度。测试环境：周围无强大磁场和电场，测试台面除试件外无其它铁磁性物质。

2试验研究

2.1仪器性能

仪器性能的影响主要表现在几个方面：

①仪器内部参数设置的准确性，根据仪器原理，在测量过程中需对信号进行数模转换，如果调校参数选择更准确，测量结果也就更准确。在理想标定状态下，我们比较了所使用的2台设备ZBL-610和ZBL-620（见图1）。2台设备在外形上没有区别，在理想状态下对同一目标进行测量比较，结果见表1。由表1可知，620型测量精度略优于610,说明仪器本身性能会对测量精度产生影响。

被测钢筋走向平行，垂直钢筋方向移动传感器进行扫描。但在研究中发现所使用的610型测量单根钢筋时，无论传感器轴线是否与钢筋平行和是否垂直钢筋移动都不影响测量结果，而620型方向性明显。我们采用2根φ18钢筋组成简单模型（见图2），保护层厚度为30mm。

分别用2台设备对钢筋A保护层进行测量，使用610时，如果在远离钢筋B的情况下可以得到准确结果，距离钢筋B很近的位置扫描钢筋A时，就会产生误差，越近误差越大，当传感器在钢筋B上方位置扫描钢筋A时，实测保护层厚度为27mm，误差达到3mm。经测量，钢筋B对传感器的的临界影响距离（中到中，斜距）约90mm。在此距离外，几乎无影响，反之则会影响对钢筋A保护层的测量结果。使用620扫描钢筋A时，无论传感器距离钢筋B远近，都不会影响结果的准确。即使传感器在钢筋B上方，而且显示有钢筋B的信号，但扫过钢筋A时，仍可测得准确结果。试验结果表明，不同设备对与被测钢筋垂直方向钢筋的抗干扰能力不同，同时也影响到实际测量时的精度。

2.2钢筋直径及种类的影响

在实际使用钢筋保护层测定仪进行检测时，钢筋直径是最常用设置参数，一般设为钢筋公称直径。但在实际检测中，发现即便设置准确，有时测量结果仍不准确。我们通过一系列测试来寻找规律以及测量结果出现异常的原因。试验采用固定钢筋直径和保护层厚度，通过不断改变仪器中钢筋直径的设定值，来得出不同的测量结果，从而寻找规律和原因。测量仪器采用610型，通过6种钢筋的测量获得结果见表2。

2.3混凝土中的铁磁性物质

我们采用水泥胶砂制作了3块40mm厚的垫块，其中一块作为空白对比，原材料采用ISO标准砂，P.O42.5水泥，胶砂比例为：450g水泥，1350g标准砂，225m l水。另外2块用纯铁粉分别取代5%和30%的水泥，比例相同。铁粉已除去氧化铁和氧化亚铁。将一根φ18钢筋放在试块以下，见图3。分别用2台设备测量保护层厚度，结果均在40mm±1mm之内。

2.4混凝土潮湿状态

采用一块40mm厚砂浆试块，在其干燥时，下垫直径16mm钢筋，测得保护层厚度40mm；然后浸水7d并真空饱水6h，重复以上试验，测得保护层厚度仍为40mm。

2.5钢筋网片中平行相邻钢筋的影响

我们在前面的研究中，已研究了与被测钢筋垂直方向的钢筋对测量结果的干扰。这里我们研究与被测钢筋平行并相邻的钢筋对测量结果的干扰。在钢筋网片中部分钢筋直径相同、方向平行并保持一定间距（见图4）。在测量钢筋保护层时，一般会出现以下几种情况：①钢筋间距大于或等于某个临界值，仪器可以分辨出每根钢筋，保护层测量结果准确；②钢筋间距小于临界值，甚至靠在一起，仪器无法区分单根钢筋，测量结果小于实际保护层厚度。我们以仪器报警声和钢筋保护层厚度数值出现极小值作为测到结果的标志。只出现一次报警和极小值，证明仪器无法区分两根钢筋，也不能单独得到一根钢筋保护层厚度准确值。

临界值的大小对我们实际检测钢筋网片工作是很有意义的。通过反复试验我们发现两种仪器的临界距离L都与保护层厚度H有关，约等于保护层的厚度。610型L稍大于H，620型L稍小于H（见图5）。

3试验结果分析

①从第一个试验中可以明显看出仪器性能对测量结果精度的影响，610型由于传感器具有各项同性，因此更易受到来自其他方向钢筋的干扰。在试验过程中甚至发现，传感器的背面也可以探测到钢筋的存在。

②从第二个试验中可以看出：a.钢筋直径的设置对保护层测量的结果影响很大，对于固定钢筋和保护层厚度，钢筋直径设置越大，所测量的结果就会越大；b.钢筋直径的设置值并不一定设置为钢筋的公称值，测量结果就准确。如果钢筋实测直径与公称直径相差很大，有可能测量结果也会偏差很大。另外从表中发现直径为16mm的钢筋需要设置为12mm时测的结果才符合实际，尽管直径有一定偏差，但并不是最大的，因此判断这一钢筋较为特殊。另取不同牌号16mm钢筋，钢筋直径设置正常，测量结果正常。由此可以看出表中这根16mm钢筋在铁磁性质上，与正常的钢筋并不相同，从而进一步推断其化学成分或内部组织结构不同于其它钢筋。还有一种情况就是钢筋表面的氧化造成钢筋的有效直径减小，这里的“有效直径”是指针对铁磁性的，比如一根18mm的空心钢管，它的铁磁性能只类似于12mm的钢筋一样。

③由试验三得出粉末状铁磁性物质对钢筋保护层的测量结果几乎没有影响。一般混凝土原材料中也很难出现30%的铁磁性粉沫。分析认为铁粉粉沫在混凝土中分散存在，所产生的电磁感应不能汇聚加强，因此不能形成有效的感应电磁场，从而对电磁感应相对较强的钢筋不会造成干扰。

④从试验结果看，混凝土表面潮湿状态对于钢筋保护层测量结果影响应该不大，符合仪器原理。

⑤在试验五中，仪器对平行钢筋的分辨能力类似卫星的分辨率概念，它是指能够区分两个物体的最小距离。当保护层厚度增加，相当于卫星轨道高度增加，分辨率降低，所能分辨出两个物体间距可能从1m需要增加到10m。那么对于平行钢筋保护层测量，当间距大于保护层厚度时，可以准确测量每一根钢筋的保护层厚度，结果准确；当间距小于保护层厚度时，无法测得单根钢筋的准确结果。

4结语

通过上述分析，我们应该从以下几个方面进行控制：操作人员要加强训练，特别提高处理特殊情况的能力，善于总结；选择性能优良，抗干扰能力强的仪器设备有助于提高钢筋保护层测量精度。除按要求进行检定或校准外，还要通过模拟试验了解所用设备在实际工作中的性能；实际检测前要注意收集钢筋网片构造、保护层实际厚度、钢筋接头类型、钢筋尺寸偏差等信息，有助于排除异常数据，获得准确结果；要正确设置仪器相关参数，合理使用仪器相关功能，比如某些设备具有测量密集钢筋网片的功能。⑤要注意周围环境的观察，避免在复杂电磁环境中作业。

参考文献

[1]常志红.钢筋保护层厚度检测技术探讨[J].工程质量，2008（4A）.

[2]姜英波;姜珂;混凝土保护层厚度检测的试验分析[J].工业建筑,2006(04).

厚度测量范文第2篇

关键词：橡胶树；容栅原理；树皮厚度；精度分析

中图分类号：TP212.9；S794.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）15-3756-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2015.15.046

Abstract： Based on capacitive principle，a set of intelligent rubber tree bark thickness measuring instrument was designed， and through the measurement test of rubber tree bark thickness， the numerical difference of standard deviation and variation were obtained. Results showed that compared with the traditional measurement method， the efficiency of the intelligent rubber tree bark thickness measuring instrument increased by 17～19 times， with the characteristics of portability， low cost， high precision， good stability and so on， which will play a pioneer role in the field of ecological instrument measuring thickness of the bark of rubber trees in China.

Key words： rubber tree； capacitive principle； bark thickness； accuracy analysis

天然橡胶兼具农业与资源属性，是四大基础工业原料中惟一的可再生资源，已被广泛应用于工业、农业、国防等领域[1]。橡胶树经济寿命的长短主要取决于割胶的耗皮量，没有树皮，橡胶树就失去了特有的经济价值[2]，橡胶树树皮厚度不仅能够预测病虫危害、树木生长和遗传变异等情况，还能够评估出树皮中经济成分的含量[3]，并对割胶过程进行充分的指导[4]。因此，对橡胶树树皮及树皮厚度进行研究意义重大。

目前，国内对树皮厚度的测量仍然处于基础阶段，即用刀切出一块树皮，然后采用钢尺或游标卡尺进行直接测量的方法。该测量方法不仅效率低，而且对树皮损伤较严重，同时不同的测量人员切取的树皮区域存在一定的差异，因而人为因素易造成同一部位测量的树皮厚度值有较大的误差。国际上只有瑞典研发了一款树皮厚度测量器，其价格高，量程0～50 mm，而且该测量器仍处于机械读数阶段，读数慢，效率低，同时读数存在主观误差，这些问题使得测量器的推广受到了限制[5]。综合考虑以上原因，研发了一种便携式、高效、成本低、精度高的电子测量仪，且价格低廉。

1 测量仪基本工作原理

1.1 容栅传感器

容栅式传感器是在变面积型电容式传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它同时具有多极电容带来的平均效应与电容式传感器的优点，并且采用闭环反馈式等测量电路，从而降低了寄生电容的影响，提高了抗干扰能力及测量精度。它与光栅、感应同步器等其他数字式位移传感器相比，具有体积小、结构简单、准确度和分辨率高、测量速度快、功耗小、成本低、对使用环境要求不高等优点，因此在电子测量技术中占有十分重要的地位。

1.2 容栅传感器测长基本原理

容栅位移传感器与电容两极板之间的间隙d和介电常数ε有关，其原理为在一定的条件下，电容变化量ΔC的大小与耦合面积变化量Δs呈正比，即ΔC=（ε×Δs）/d。另外，容栅位移传感器又可分为长容栅位移传感器和圆容栅角位移传感器。本设计所涉及的是长容栅位移传感器。

2 智能测量仪设计

2.1 结构设计

如图1、图2和图3所示，分别为设计的橡胶树树皮厚度测量仪的主视图、俯视图及内部结构图，包括插刀刀片2、锁紧螺钉3、插刀固定部件4、弹簧9、位置限制叉1、显示部件8、塑料手柄6、多功能按键5等。其中插刀刀片2插入到插刀固定部件4的槽中，通过锁紧螺钉3进行固定；显示部件8安装在插刀固定部件4上，并且在插刀固定部件4的中部两侧有限位突起11，弹簧9缠绕在固定部件4的尾部上，且插刀固定部件4的端部与手柄6相连；限位叉1紧贴插刀柄4，且其尾部插入弹簧9的内部，限位叉上设有插刀刀片2，并设有限位挡块10；其中，插刀固定部件4、限位叉1的后半部及显示部件8、弹簧9等均在手柄6的内部。另外，插刀柄4上设有定栅，限位叉1上设有动栅。

2.2 部件设计及功能分析

1）手柄。手柄的前端安有透明显示窗口，多功能按键设置在手柄中部，尾部设有端盖。手柄采用符合人体工程力学的造型，使用更为舒适。材质为工程塑料，表面涂有树脂材料，手接触的地方设置有凸点，进一步防止打滑，便于操作。

2）显示部件。显示部件由集成电路、传感器、介电层、显示屏等组成，并连接有多功能按键。其中，集成电路设计有示数锁定、自动关机等功能。

3）多功能按键。开关机、零点校正等功能均可通过多功能按键实现。在测量装置关机时，轻按一下则开机；在开机状态下，长按按键则启动零点校正功能，短按一下则关闭测量装置。

4）位置限制叉（图4）。叉上设有插刀刀片，整体紧贴插刀固定部件，尾部插入在弹簧内，并设置有限位突起。

2.3 操作分析

启动：轻按按键，装置自动开机。

测量：用手握住手柄，将插刀插入树皮，锋利的插刀可以将树皮刺穿，而位置限制叉则被树皮阻挡在外部，绝对位置不变。在插入树皮的过程中，位置限制叉向后滑动从而压缩弹簧，当插刀插入到木质层时，因木质层具有较高的硬度而无法继续刺入，对弹簧的压缩因而停止。拔出插刀，便可在显示屏上读出示数。显示示数将锁定5 s以方便读数，随后自动清零以便下一次测量。另外，该装置如果超过1 min未进行新的测量或零点校正操作，则仪器自动关机。

零点校正：为消除装置间隙以及刀片的长度引起的测量误差，在开机状态下用手握住手柄，将位置限制叉在硬质平面上压下，直到插刀刀片与平面接触，长按多功能按键，系统将记录此时位置限制叉与插刀固定部件的相对位置并设置为零，即可完成校正。

3 测量仪的测量及数据分析

为了对该仪器进行较准确的精度、准确度与稳定性分析，将该装置与目前普遍使用的精度最高的游标卡尺测量法进行了对比试验。根据不同年龄橡胶树的树皮硬度及厚度的差异，分别选取了橡胶树1、2、3作为试验对象。选取该3棵橡胶树距离地面1 m处10 mm×10 mm的方形平整区域作为测量范围，20次重复取平均值。为避免主观因素的影响，由同一个试验员进行3棵橡胶树的树皮厚度测量和读数，两种方法测得的数据如表1所示。

从表1可知，每一棵树由设计电子厚度测量仪所测得的树皮厚度的标准偏差均小于游标卡尺所测数据，标准偏差越小，其偏离平均值就越少。另外，3次试验中，游标卡尺测出数据的方差分别为电子厚度测量仪测得的7.9、3.1、3.6倍，在充分利用试验所得的数据估计试验误差的情况下可判断，电子厚度测量仪的精度明显高于游标卡尺测量法。游标卡尺测出数据的极差分别为电子厚度测量仪的2.4、1.8、1.6倍，因此电子厚度测量仪作为分散性数据的测量仪器具有很高的稳定性。经电子厚度测量仪测量的数据变异系数均小于经游标卡尺测量得出数据的变异系数，进一步说明前者数据精密度好于后者。

3棵树两种测量方法所得结果的散点分布图见图5、图6和图7。

由图5、图6、图7显示的数据变动幅度可以得出，经电子厚度测量仪测量的数据上下波动幅度较游标卡尺测量所得的数据小。另外，相对于中心点的分布情况，数据集中度较好，并不发生很尖锐的变动。电子厚度测量仪测量数据的彼此符合程度明显优于游标卡尺所测数据，因此有更高的精密度，能反映重复分析测定均一样品所获得的测定值之间的较高的一致性程度。

该橡胶树树皮电子厚度测量仪大大提高了测量效率，在满足测量要求的前提下，统计了两种测量仪器一次工作所需的时间并分别计算其效率。树皮厚度测量仪只需将插刀插入树干即可测量树皮厚度，统计该仪器对每种树进行测试所需时间；而游标卡尺测量需要凿开树皮进行测量，对每棵树则进行一次测量。其测量时间结果如表2所示。从表2可以看出，橡胶树树皮电子厚度测量仪的测量时间远短于传统游标卡尺的测量时间，其效率是游标卡尺测量法的17～19倍。

4 小结

基于对容栅技术的测长位移传感器的研究和橡胶树皮厚度的物理特性分析，设计了一种结构简单的橡胶树树皮电子厚度测量仪。测量数据结果表明，橡胶树树皮电子厚度测量仪的精密度明显优于传统电子游标卡尺测量法，且变异系数均小于传统的卡尺测量，效率是游标卡尺的17～19倍，采用本设计的橡胶树树皮厚度仪在测量精密度、稳定性、效率等方面均明显优于传统测量方法。该测量仪不仅结构简单，便于携带，而且成本低、易操作、使用方便，测量树皮厚度迅速准确，测量方法便捷，测量结果显示直观，将对中国生态仪器的研究有着重要的推进作用。

参考文献：

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厚度测量范文第3篇

关键词：

迈克尔逊干涉仪； 力传感器； 等倾干涉； 抵消法； 薄膜厚度

中图分类号： O 484.5 文献标识码： A

引 言

薄膜技术是当今材料科学研究的热点，厚度是薄膜的重要物理参数，因而膜厚的测量自然成为研究材料特性十分重要的工作。对于固态薄膜，常见的膜厚测量手段主要有直接测量如螺旋测微法、显微镜法[1]，间接测量如干涉法、偏振法[2]等。传统的迈克尔逊干涉仪除了可以用来观察等倾干涉、等厚干涉和白光干涉等各种干涉现象[3]，也能测定薄膜厚度，但必须要求薄膜透明且折射率已知。如一些文章[4-6]中介绍过利用白光干涉法和干涉极值法测薄膜厚度，但光路调节要求高、操作繁复，必须已知折射率，而且折射率本身的误差对结果影响较大。为了克服此不足，文中利用朗威DIS力传感器（分辨力0.01 N）对GSZF-4型迈克尔逊干涉仪加以改进，提出了实验原理及具体测量方法，并分析了该方法的优点与不足，实验结果反映出较好的精确度。

1.3 基于等倾干涉的光程抵消法

根据式（2）知道，只要读出N（通常取大于80）个干涉环对应的动镜位置的移动量Δd，就可以测得光源激光器的波长λ。相反的可以这样设想，若使动镜移动量恰好等于被测物的厚度，而且能够数出该厚度对应干涉环的变化数目N，则在已知激光波长λ的条件下，将各量带入式（2）即可测定物体的厚度。这里的关键点有两方面：一是要使光程正好改变了被测的厚度，二是还要能记录与之对应干涉的周期数。为了实现第一点，采用了所谓“抵消法”。即在动镜M2后面放一个力传感器（如图3），使之与M2间留一微小空隙，把薄膜放入该空隙后调手轮使薄膜恰好被夹紧，这时力传感器与M2的距离就是薄膜的厚度。但这样还无法数出环数，为了实现第二点，先调手轮使M2与薄膜分开，该过程必定对应了一定数量的干涉环变化；然后取出薄膜，调节手轮使M2贴近传感器，这过程也会产生反方向的干涉环变化，那么当反方向的干涉环变化数目与之前相等时，M2就回到了夹有薄膜时的相同位置，只不过此时力传感器与M2之间只有空气。下面是最后一个过程，调手轮使现M2继续贴近力传感器，直到与之恰好接触，设最后这过程干涉环的变化数为Δn，就得到了与膜厚对应的干涉环数Δn。根据式（2），容易得到被测薄膜厚度为：

2 实验方法

2.1 获得等倾干涉条纹

测量前必须首先获得严格的等倾干涉条纹，使用迈克尔逊干涉仪的基本调节步骤概括如下：

（1）大致布局：调节干涉仪的底座螺丝使平台水平，移动M1使M1、M2距分光板G1的距离大致相等。调节He-Ne激光器水平并垂直导轨方向入射到分光镜的中央部位。

（2）粗调：利用激光光束方向性好的特点，以下用自准直法调节。调节激光器或干涉仪的位置，使激光束通过G1、G2垂直照射平面镜M1，然后在激光器和分光镜之间放一小孔光阑，使光通过小孔照射到分光镜上，被M1、M2反射在小孔光阑上各有一排亮点，调节平面镜M1和M2后的三只螺丝，使两排中最亮的两个光斑重合，这时M1和M2基本垂直，拿走小孔光阑。

（3）细调：将扩束镜G置于激光器与迈克尔逊干涉仪之间，在屏上可以看到弧形或半圆形干涉条纹（如没有应重新粗调），调整改变M1倾角的两个微调螺丝，使屏P上出现同心圆形干涉条纹，此时M1和M2严格垂直。

2.2 测量过程

获得严格的等倾干涉条纹之后，接着进行测量。测量装置细节如图4所示，力传感器固定在铁架台上，测力钩与动镜间留一空隙。测量步骤如下：

（1）将待测薄膜放入该空隙，调节动镜使空隙减小，两侧与膜接触时，空隙与膜等厚；

（2）向左调动镜使干涉环周期改变10圈；

（3）用镊子小心取出薄膜；

（4）向右调动镜使干涉环周期改变10圈，两次改变的环数相等方向相反，光程抵消，因而两者间空气间隙与薄膜等厚；

（5）再右调动镜直到动镜与传感器刚好接触，该步中干涉环的改变数Δn；

（6）将已知的激光波长λ及Δn代入式（3），计算被测薄膜厚度x。

需要注意，在完成步骤（1）后，将薄膜直接取出接着操作（5）的做法是不妥当的。实验发现，这样做通常会发生若干个干涉环的瞬间跳变，说明干涉状态已改变，致使测量结果有误。步骤（2）、（3）、（4）起到消除跳变效应影响的作用。

3 实验装置与优缺点分析

3.1 装置介绍

GSZF-4型迈克尔逊干涉仪的结构图解和用其进行测量的实物图，如图5、图6所示。整套装置主要由迈克尔逊干涉仪、力传感器、数据采集器、计算机、数据线和铁架台等组成。作用于力传感器上的压力可通过计算机软件实时监测，当压力稳定到0.01 N时，表明已充分接触，步骤（1）、（5）就是用这种方法判断接触的。根据前述理论，该装置最小可以精确地分辨到λ/2，配套光源为GY-10型He-Ne激光器（λ=632.8 nm），即测量下限为0.3 μm。GSZF-4型迈克尔逊干涉仪动镜行程为1.5 mm，这决定了此法的测量上限为1.5 mm。

3.2 该装置的主要优点分析

（1）拓展了传统迈克尔逊干涉仪的测量对象，在被测薄膜非透明、折射率不已知的情况下，其厚度也可测量；

（2）理论上可以准确分辨到λ/2个长度，使用波长632.8 nm的激光时，分辨力约为0.3 μm。这个精度比一般的机械式测量工具如千分尺、游标卡尺的精度高许多；

（3）有效避开了螺旋空程[7]造成的影响。众所周知动镜的调节一般要通过机械的螺旋装置精密变动，但在有来回运动时，机械的空程差则尤为显著。虽然空程效应客观存在，但此法整个过程不依靠干涉仪自带的机械读数装置，而是通过记干涉环周期数进行间接测量，且测量接触部位直接位于动镜，很好地解决了这个问题；

（4）基本消除了挤压的影响，力传感器使压力约在0.01 N，较好地解决了不同人操作用力不均匀的偶然误差。由于压力较小，故对于一般的固体薄膜，测量中产生的挤压形变十分微弱，可忽略不计。

3.3 该装置的主要缺点分析

现阶段的装置，还有待改善。主要是人为地“数环”并不是一项简单的工作，长时间关注激光干涉图样对眼睛不利，若不仔细则容易数错，造成较大误差。所以，人工数环的方案在实际应用中是不可取的。另外，此法测量的分辨力是由激光波长决定的，使用波长越短的激光，分辨力也越高，但较短波长的激光也在400 nm左右，所以目前通过降低波长的办法提高精度成本较高，提高也不是十分显著。

4 实验结果与误差分析

4.1 测量数据及计算结果

实验先后选取一层折射率未知的普通塑料薄膜和一支薄钢片（标示值为0.06 mm规格的塞尺）作为样品，用前述方法分别测量10次，每次改变的干涉环周期数及相应推算的厚度分别如表1、表2所示。

测值与塞尺规格相差0.001 mm，经查表知该塞尺制造工艺上可能存在的偏差为±0.003 mm，故尚不能以标定值0.06 mm作为准确的参考值，但可以看出测量的结果确实在允许偏差范围之内，说明该塞尺达到了指定尺寸，可以继续使用。

两组综合标准不确定度均小于1 μm，通过比较，表明此法具有良好的重复性和准确性。

4.2 实验误差分析

下面简要分析误差，其来源主要有两点：（1）激光波长作为测量参数，其值是否准确将直接影响测量准确度，实验所用激光器的波长不一定正好与标示规格吻合，故建议使用前亲自测一下激光的波长，以实际测得的激光波长代入计算，这有助于减小测量的系统误差；（2）当薄膜厚度较大时，需要记录的干涉环也较多，如果采用人工数环的办法，人为多数或漏数的次数也将有所增长，导致结果有一定的偏差，甚至这偏差将成为测量的最主要误差来源，这主要反映在A类不确定度上。实验也验证了这一点，从对两种薄膜片的实际测量结果来看，塑料薄膜的厚度x1=（21.14+0.56）μm，薄钢片的厚度为x2=（61.00+0.98）μm，对比可见，随着被测厚度的增加，其多次重复测量的A类不确定度也有明显增加。为了避免人工数环的误差，目前有人设计了可以实现计算机自动数环的读数系统[8]，并开发出了相关硬件。虽然人工数环的方法在实际应用中不太可取，但由于实验室条件所限，暂时无法架设一个自动数环系统，只好对两种厚度不太大的薄片采用人工数环的方法进行了测量。如若采用自动数环，不但可使测量操作大为简化，为计数工作节省大量宝贵时间，而且其精准程度也相当优于人工数环。

5 结 论

与一般的干涉法测固体薄膜的厚度相比，该方法最大的优势就是不用已知薄膜的折射率，不要求被测材料透明，同时能够达到较高精度，且没有过分困难的光路调节。如果能实现自动数环，可以预计该装置无论在效率还是测量精准程度上，都将有较为显著的提高。该装置的可移植性能好，可以较迅速、简便地在一般的迈克尔逊干涉仪上加装、拆卸，因此有开发成为轻巧、便携的自动化测量设备的潜力。此外，它将本来用于中学物理教学的传感仪器与大学物理实验相结合，做出了一些创新，因此在教学上也具有一定的实践意义。在应用方面，满足某些工业及科研上的基本需求，可用于检测微米、亚微米级固态膜片材料的厚度，也有望应用于对其它某些测量仪器进行测试、定标及校准。

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厚度测量范文第4篇

关键词：COMSOL Multiphysics；非接触；厚度、折射率

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.06.162

0 前言

国标对不同类型的玻璃厚度检验做出了相应的规定，统筹使用外径千分尺或者具有相同精度的仪器进行测量。本文涉及到的是为确定玻璃厚度所设计的必须计量器具以及辅助设备，属于计量装置一类[1]。在实际生产中，碍于玻璃特殊的保护外形，一般测量仪器难以接触到玻璃的两个表面，测量困难。因此提出一种光学非接触测量方法，利用激光反射得到两激光亮斑，通过分析软件得到两激光亮斑的直线距离，再得出玻璃厚度和折射率。

1 基本原理

单激光反射法的理论基础是光学三角理论，利用激光反射法测量玻璃厚度的原理如图1所示。当入射光P0以一定角度T0入射到玻璃中，有部分光在玻璃的上表面发生反射，反射出来的光线为P1，根据物理学原理，反射角T1等于入射角T0，另一部分经空气――玻璃上表面折射后，在玻璃下表面折射出角度为T2的反射光线，在玻璃下表面反射出P2，再通过玻璃上表面――空气表面折射出P3，可以知道光线P1和P3平行，则可以通过平行光线的间距h得出玻璃板的厚度d。根据折射原理，计算得到玻璃厚度d与光线间距h之间的公式为：[2]。

2 实验仪器

本试验台在偏振光实验系统上加以改进，仪器光源为激光器，配有光学测角台、导轨以及支架，另外还有光电传感器和光电流放大器[3]。结构如图2所示，在导轨上一端有激光发射装置，另一端有光学测角台。玻璃竖直固定在光学测角台上，使之与光源轴线呈现一定角度，光电接收器在光学测角台一端，配有开缝较小的纸片，方格纸备用。

3 采集数据

检验无误后接通电源，激光源发出激光打在玻璃上，激光经过玻璃的反射出现两个激光光斑。在光电接收器上贴上处理好的开缝纸片，两个光斑扫过纸片，通过光电接收器得到光电流，记录玻璃前表面反射光电流最强点的时候在光学测角台上的角度，得到T0，再将方格纸贴在光电接收器正前方，用照相机记录两光斑的位置。再重复以上实验，得到两组数据。更换不同厚度的玻璃，再得到不同组数据。

4 数据处理

首先将得到的有两亮斑的图片进行裁剪，裁剪出Ρ惹逦的图块，再作灰度处理（既亮度调整，对比度调整等步骤），启动Matlab软件，利用Matlab软件来进行数字图像的二值化处理，在文件菜单里连接COMSOL Multiphysics，把基于激光亮斑构建的图片，直接导入数值计算软件，进行建模利用高斯分布拟合曲线将光强分布拟合成两个具有最高值的双峰Origin拟合曲线[4]，如图3所示，寻找曲线的两最高点的横坐标，做差后得到两峰值点之间的距离，此距离便是两亮斑的水平距离。

5 程序设计

经过以上步骤，得到必须的数据，本方法利用vb编写程序，简化计算，在本程序中需要输入两组不同的入射角，以及分别由拟合曲线得到的两组亮斑距离，最后计算出玻璃的折射率和厚度。

6 结论

基于真实的激光亮斑图片，通过剪裁、灰度处理以及二值化，再导入计算软件，可建立数值计算模型，最后进行厚度、折射率计算。将得到的数据和用游标卡尺测得的玻璃厚度相对比，所得误差与国家标准相对比，符合国家测量标准。通过本方法可以测出特殊工况下玻璃厚度，以后条件允许可以形成在线测量，做出一套合格的测量仪器。

参考文献：

[1]韩正铜，杨善国.机械精度设计与检测[J].中国矿业大学出版社.

[2]孙峰.玻璃厚度在线测量系统的研制[J].大连理工大学.

[3]于建勇，秦丽霞.物理实验教程[J].中国矿业大学出版社.

[4]王录合，赵春孝，姜振泉，钱自卫，唐鑫，煤田地质与勘探[J].

厚度测量范文第5篇

关键词：厚度测量；CCD摄像机；测量精度

一、前言

近年来，随着中厚板市场竞争的日益激烈、新产品的研制以及高附加值效益品种的开发，如船体用结构钢板、大型输油管道用钢、容器及桥梁用钢板等高强度、高精度产品，都对中厚板的厚度精度要求很高，特别是国际船级社协会（IACS）关于船体结构用钢板平均厚度或最小厚度须不小于公称厚度的要求，更是需要提供准确的板型曲线图。因此，在中厚板生产过程中，必须开发应用钢板在线测厚系统，达到实时监控产品厚度的要求。

宝钢集团韶关钢铁有限公司（以下简称“韶钢”）新上线四套钢板厚度在线测量系统，这四套系统是根据韶钢中厚钢板精整生产线的技术要求和现场实际情况，在不改动原有设备和精整工艺的基础上，利用光学测量的原理，采用多台CCD固体摄像机摄影图像测量与激光技术，将钢板的厚度图像输入计算机，计算其最大厚度、最小厚度和平均厚度。

二、钢板测厚系统测量原理

1.基本结构

在定尺剪出口后方安装宽4500mm，长350mm，高1200mm的金属机架，在机架测厚横跨辊道的上方和下方对称安装5组测厚CCD激光位移传感器组合，沿宽度方向分布的五条厚度测厚轨迹线，上下对称测量钢板的厚度。宽度在1500mm～3200mm之间的钢板测量分别测量3、4、5条轨迹线。

如图1所示，应用高精度激光位移测量与精密测距技术完成钢板测厚的测量。

图1 钢板测厚仪测厚原理

2.CCD激光位移传感器工作原理

测量系统厚度测量采用激光三角位移测量与CCD摄影测量的技术来完成对钢板厚度的实时在线测量，原理如图2所示。

图2 激光三角位移测量原理

CCD①和CCD②的距离h3是由机械结构决定，是激光束①-1测得的h11和激光束②-1测得的h21的和，进行了精密标定。由激光束①-2测得的h1，由激光束②-2测得的h2，钢板的厚度h=h3-h1-h2。

单台测厚CCD激光位移传感器分辨率为0.001mm，单向测量精度为0.010mm，

厚度测量精度=± =±0.014mm

3.数据处理

获取的钢板厚度数据通过数据电缆传输至测厚计算机内的数据采集卡完成数据的A/D转换。计算机将钢板厚度数据自动进行几何尺寸的测量、规划，计算出钢板的最大、最小、平均厚度。

三、测量精度检验及实物板比对检验

1.测厚系统的测量精度的检验

用规格为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm标准量块，对测厚系统进行测量，所测值达到如下精度：

厚度测量精度（中误差）≤±0.02mm

厚度测量最大允许误差≤±0.052mm

2.钢板动态实际测量精度比对检验

挑选表面质量良好的钢板30块，每块重复动态测量10次，得到30×10组数据，所测得的30组同一钢板10次测量的厚度的重复测量值达到如下精度：

钢板厚度重复测量精度（中误差）≤±0.01mm，合格率99.7%

四、结束语

厚度测量范文第6篇

关键词： 劳埃德镜；干涉；测量

0 引言

长度是一个基本物理量，在生产和科学实验中被广泛应用，实验过程中需要对微小位移或厚度的变化进行较为准确的测量。常用的方法有千分尺法、移测显微镜法、光杠杆放大法、电测法、劈尖法等。千分尺和移测显微镜直接对物体进行测量，测量具有一定的准确性。千分尺为求其准确，通常需要测量多个物体的厚度，然后求平均值；移测显微镜能对所测物体放大，提高所测物的可视度[1]。光杠杆放大法构思巧妙，是测量微小形变的一种可行方法[2]。文献[3]叙述了微小形变电测法的原理和实现方法，能够培养学生设计能力。劈尖法测量操作简单，而且具有一定的准确性，成为众多物理实验教程测量微小形变的实验[4]。微小形变的测量方法比较多，本文利用劳埃德镜，从光的干涉原理出发，将劳埃德镜上升高度的变化转换成干涉条纹间距的改变从而测出物体的厚度，该方法不仅操作简单，在普通光学实验室即可完成，适合作为学生实验，而且具有较高的精度和较强实用性。

1 实验原理

劳埃德镜是一块平玻璃板，利用它使其投射到它表面上的光的波正面改变方向，与由同一光源S直接发出的其他部分的波正面相交，在交汇处产生干涉。如图1所示，经水平单缝的光线其中一条 直接到达光屏，另一条 经平面镜反射后到达光屏，屏幕上的干涉条纹如同实际光源S和虚光源S'发出的光束产生的一样。到达p点光程差为

此处光束为掠入射， 很小，由几何关系可得

由波动理论

干涉加强，光屏上出现亮纹。

干涉相消，光屏上出现暗条纹。

由式（3）、（4）可得，相邻亮条纹间距或相邻暗条纹的间距为

测量装置见图2，由平面镜AB，He-Ne激光光源1、透镜2、水平狭缝3、光屏4、测微目镜5、载物台6和水平仪等组成。

当未放置物体于平面镜下方时，可测出光屏

当所测的微薄物体放置于平面镜下方时，必然会使平面镜上升，此时平面镜与狭缝竖直高度 变为 ， 即为物体的厚度，由于平面镜重力较小，忽略对物体厚度影响。此时条纹间距为

结合（6）（7）式可得物体厚度

2 测量步骤

1）如图2将各仪器放置在水平桌面上，调节光源、凸透镜和单缝，使其在同一水平轴上。

2）将平面镜放置于水平桌面的载物台上，用水平仪对平面镜进行检测，确保其水平，同时调节单缝间竖直高度，使光束在平面镜上接近掠入射，改变狭缝宽度，以致可以在测微目镜中看到清晰的干涉条纹。

3）用测微目镜测量未放入纸张时干涉条纹间距 ，为了减小误差，测出20条干涉亮条纹之间的距离，然后求其平均得到相邻条纹的间距。

4）分别将五张厚度均匀的A4白纸放置于平面镜下方，然后分别测出干涉条纹的间距 和 ，具体操作同步骤3），测量数据见表1。

5）测出单缝到测微目镜之间的距离D，将所得数据代入式（8）可计算出纸张的厚度 。

6）将五张白纸叠放在一起，用千分尺测量出总厚度H，取平均值，见表2；然后用劈尖法分别测出上述五张纸的厚度，见表3。

3 实验数据处理及比较

根据测得实验数据，代入公式可计算出每张纸厚度 ，见表1，则纸张1的不确定度为

利用千分尺测量多份纸张的厚度，然后求其平均，具有一定的准确性，以它为参考值，将三种方法测得值进行比较，见图3。从图中可以看出，劈尖法和劳埃德镜法测量所得纸张厚度均不一样，这与纸张本身厚度存在差异外，其次为实验误差所致 。测量精度受环境温度、振动等因素影响，测量干涉条纹间距时，人眼观测条纹时存在误差。另外实验过程中难以确保平面镜处于水平状态，将所测物体放置于平面镜下方时，平面镜与水平面往往会出现一定角度，这将影响测量结果。劳埃德镜法测纸张厚度接近于游标卡尺所测得值，具有较高准确度，是一种可行的方法。

4 结论

本文将劳埃德镜的光波干涉与生活实际相联系，以A4纸作为微薄物体，对其厚度进行了测量，结果表明该方法简易可行，具有较高的准确性。为学生提供了测量微小物体厚度的另一种方法，进一步拓宽了学生的视野，启发了学生的思维，同时也加深了对劳埃德镜的认识，让学生充分理解干涉相关知识。

参考文献：

[1]穆晓东，移测显微镜在测量金属杨氏模量中的应用[J].大学物理实验，2004（3）.

[2]赵斌、陈明伟，金属线膨胀系数的测定[J].武汉工业学报，2004（2）.

[3]樊英杰、曹昌年，微小形变的电测法[J].实验技术与管理，2011（8）.

厚度测量范文第7篇

关键词 热铺层；厚度测量仪；设计方法；成本控制

中图分类号：U418.6

文献标志码：B

文章编号：1000—033X（2012）07—0065—03

0 引言

在公路养护与工程施工工艺的沥青混凝土路面摊铺过程中，沥青混凝土厚度的控制对施工成本控制、路面平整度、路面质量和验收都具有非常重要的影响。目前，对沥青混凝土热铺层的厚度测量一般采用十字螺丝刀套一个矿泉水瓶盖插入热铺层，再用刻度尺测量螺丝刀插入深度来获得测量数据。这种方法存在很大的测量误差，精确度不高，使工程成本难以控制，且很容易因人为因素造成路面平整度下降（沥青摊铺机自动调平系统中的手动旋转找平仪滑杆一圈可调整厚度范围为0.2cm）。

如果用深度游标卡尺进行测量，由于沥青混凝土热铺层温度高（普通沥青混凝土温度达150℃，改性沥青混凝土达170℃），而且混凝土中沥青具有强粘性，现有游标卡尺在使用过程中容易因发热引起安全隐患。主标尺容易在测量过程中因磨损而造成测量误差，主标尺粘上沥青后滑动困难，深度测量零位不可调节，使用不方便，因此深度游标卡尺实用性不强。

申请日为2007年5月22日，公告号为CN201045574的中国实用新型专利公开了一种便携式保温层厚度测量仪。该测量仪主体为带有刻度的圆柱尺体，尺体头部设为平头圆锥体，尾部设为握柄，尺体外设有护帽。由于所设护帽是为了使用完毕后套入尺体方便携带，因而在测量温度较高的沥青混凝土热铺层时无法隔热。且所述测量仪仅包括一个尺体，使其测量的精度受到了限制。

1 厚度测量仪设计

如图1所示，厚度测量仪包括主尺、动尺、隔热手柄、自动复位弹簧、零位调节螺母和零位调整锁紧螺母等部件。动尺设置在主尺中部，并与其通过滑动间隙配合；隔热手柄套在主尺一端外部，并与其紧固连接。与现有技术相比，本设计提供了一种能够精确测量沥青混凝土热铺层厚度的厚度测量仪。

1.1主尺（含隔热手柄）

主尺设计如图2所示，外部包裹隔热手柄，隔热手柄采用耐高温材料制作而威，方便摆放、作业和携带，主尺上标有标准刻度，测量范围根据动尺移动距离来确定。主尺设计要求应方便加工制作，可采取整体车加工或者铸造加工而成。

1.2动尺

动尺设计如图3所示，包括动尺基部和动尺测量头两部分为方便测量头拆卸。动尺基部和动尺测量头之间采用螺纹连接，动尺测量头的宽度比动尺基部窄。动尺测量头与零位调整螺母滑动间隙配合；动尺基部与主尺之间滑动间隙配合。

1.3零位调节系统

零位调节系统由零位调整螺母和零位调整锁紧螺母组成，二者均通过螺纹联接固定在主尺尾部。外部设置有隔热套，隔热套采用耐高温材料制作而成。零位调节系统能有效消除因测量头磨损带来的测量误差，零位调节范围可根据主尺尾部螺纹范围来确定。

1.4自动复位弹簧

自动复位弹簧设置在主尺和动尺测量头之间的空隙中。弹簧设计要求耐疲劳、耐高温，且具有较强的弹性零位复位功能，设计时应充分考虑适合的弹簧弹力来确保测量简便。

1.5测量仪装配

测量仪装配如图4所示，动尺基部与主尺之间是滑动间隙配合，动尺测量头穿出主尺，和零位调整螺母之间采用滑动间隙配合，并可滑动，从该零位调整螺母中间孔穿出。在主尺和动尺测量头之间的空隙中，设置有自动复位弹簧。两个动尺锁紧与拨动螺栓固定连接在该动尺基部上。该动尺基部的正面标有与主尺配合的长度刻度值；动尺测量头采用耐磨合金制作成，呈圆锥平头型，可拆卸更换。此外，为了降低加工难度，本设计的动尺基部还包括刻度部分和基尺部分，并采用螺丝连接固定成一体。动尺锁紧与拨动螺栓固定连接在所述动尺基部上。

2 厚度测量仪的具体实施方式

测量时，测量人员手握隔热手柄，推动动尺锁紧与拨动螺栓，将动尺测量头推出并垂直插入沥青混凝土热铺层，在动尺测量头顶住热铺层下层路面或基层，且零位调整螺母下表面刚好顶到热铺层上层时，拧紧动尺锁紧与拨动螺栓，从而固定动尺。之后拔出测量仪，结合主尺和动尺的刻度读出沥青混凝土热铺层的测量厚度，即可简单、方便、安全地得到精确的测量数据。测量结束后，直接用纸巾或毛巾将测量仪上粘有的沥青和杂物擦净（事先可涂抹油减少沥青料的粘结），松开动尺锁紧与拨动螺栓，动尺在自动复位弹簧的作用下自动复位。

当厚度测量仪被多次使用后，动尺测量头会因磨损而变尖或者变短，此时可以将动尺测量头推出，采用机加工或者砂纸打磨成一定的圆锥平头，并将其复位，调节零位调整螺母进行调零设置，调零设置后用零位调整锁紧螺母锁紧。当动尺测量头磨损到一定程度时，可以单独更换动尺测量头，并重新进行调零设置。这样可以有效节约材料资源，降低购置成本。此外，如果沥青混凝土热铺层下面为多孔隙面层时，为减少测量误差，应采取多次测量来对比取值，同时测量仪器还可设计采用三连杆测量系统，这样就能大大减少因底面层空隙对测量厚度造成的影响误差。同时，本测量仪数据显示方式也可以加载位移传感器，通过数据转换后采用数显方式进行数据读取。

3 结语

本设计为实用新型专利，专利号为ZL200920264979.8，属于一种公路养护与工程施工测量仪器，产业化后可广泛应用于沥青混凝土、水泥混凝土、碾压混凝土、水泥稳定土等材料新铺层铺层厚度的测量。本实用新型测量仪能克服现有技术中的缺点与不足，提供一种能够精确测量沥青混凝土热铺层厚度的厚度测量方式。

厚度测量范文第8篇

关键词：红外；路面状况；水厚度

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.3.006

*基金项目：中国气象局科研专项经费项目 2010-2011年公益性行业（气象）EYHY201006045

本文于1月15日收到。王艳斌，男，1968年生，高级工程师，硕士，一直从事自动化和光电测量领域的技术开发工作。

1 概述

路面状况传感器根据水、冰、雪的不同红外光谱特性，通过对干燥路面反射的光谱信息和有覆盖物的情况下得到的光谱信息的对比，实时检测路面的干、潮、积水状态，测量水、冰、雪的覆盖类型和覆盖厚度。克服了现有接触式路面状态传感器安装复杂、维护困难的缺点，而且具有实测面积大、目标更直接、路况信息更真实的优点。本论文详细阐述了多光谱在路面水厚度检测的应用。

2 传感器检测原理

2.1 测量波长的选择

红外光照射在水冰雪上发生散射、吸收、反射、折射等一系列作用[1]，路面状况根据水吸收光谱、冰吸收光谱、雪散射光谱筛选出三个波长红外光，λ2和λ3处于水和冰的吸收峰，由于照面表面反射及水分子和固体颗粒对光信号的吸收和散射共同作用，实测到的后向散射信号的表现如下，其中水对三个波长的主要为反射和吸收，后向散射系数λ1>λ3>λ2；冰对三个波长的后向散射系数λ1>λ2>λ3；雪对三个波长的后向散射系数[2]λ1>λ2>λ3；根据三个后向散射光信号与路面干燥时光信号的比值的大小及差值，可以定性分析路面状况、计算出水冰雪厚度。

2.2 硬件电路结构

传感器使用单色性好、体积小、工作电压低的激光二极管提供阵列式红外光源，以脉冲调制波发射红外光束，利用反馈电流稳定光功率[3]、温度补偿稳定光谱；光电二极管接收反射回来的微弱的红外光信号，利用两级电路进行滤波、放大，然后进行AD转换，送入微处理器，进入模型计算（如图1）。

2.3 检测理论支持

将传感器以一定角度架设在路边，在路面干燥时进行干标定，获得干参数DP1、DP2、DP3，一旦传感器位置角度等变化都会引起干参数变化，需要重新进行干标定。各条件不变时干参数相对稳定，传感器有干信号自动调整功能，补偿路面和镜头污染引起的干参数的微量变化；各条件不变化时，一旦路面潮湿、积水、结冰、积雪，入射光由于照面表面反射及水分子和固体颗粒对光信号的吸收和散射共同作用，实测到的三个后向散射光信号表现出不同的特点，根据三个信号的大小关系可以判别路面状态（如图2），根据判断的覆盖物种类进入不同的厚度计算公式；根据物质的吸光度可以计算覆盖物厚度，测量理论基础为修正的朗伯-比尔定律，采用三波长测量能够减小覆盖物颗粒度等引起的测量误差，比单波长进行更精确的测量[4]。

基础朗伯（Lambert）定律阐述为：光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关。在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光。

基础比尔（Beer）定律阐述为：光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。

Ln（ Io/I）= εCd （1）

公式1中：Io―入射光强度；I―通过样品后的透射光强度；ln（Io/I）―称为吸光度；C―为样品浓度，我们测量的是纯物质，C=1；d―为光程；ε―为光被吸收的比例系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关。

适用于本传感器的原理公式为：

Ln（ os/dp）= εd+k （2）

公式2中：dp―干信号；os―有覆盖物时的光信号；d―覆盖物厚度；k―常数，路面等条件的影响。

道面状况传感器采用的是三个波长的阵列光谱法，根据水冰雪对三个波长的光信号具有不同的吸光系数，可以判断覆盖物类型；根据物质的吸光度可以计算覆盖物厚度[4]。

公式推导：

干标定信号：DP1、 DP2、 DP3；接收信号：OS1、 OS2、 OS3；厚度：d1、d2、d3；水对三个波长的吸收率为：ε11、ε12、ε13；冰对三个波长的吸收率为：ε11、ε12、ε13；雪对三个波长的吸收率为：ε11、ε13、ε13。

3 水厚测量试验

通过对多种石材的强度和亲水性进行试验考察，选定用特制的铺有水泥面的花岗岩精密平台作为水标定试验的标准平台，以高精度磁致伸缩液位传感器作为水厚度检测标准，以人工和摄像头作为辅助观测方法。

通过多次试验总结出水标定可行的试验方法：

首先将试验平台调平，然后将传感器架设于平台附近，使其照射于平台中心，进行干信号标定，在平台上加水2mm，使其自然蒸发至干燥，完成一个试验周期。

模型建立的基本方法是利用matlab、spss数据分析软件，对大量数据进行多元线性逐步回归分析，得到光信号和不同物质的计算公式，多次标定模型复相关系数均>0.92（远高于可接受限值0.75），光信号变化能很好的解释覆盖物种类及厚度变化；该模型在条件不变的情况下，得到很好的测量结果。

水厚度计算公式： H水厚=0.465 Ln（dp3/os3）-0.749 Ln（dp1/os1））+0.3

状态判断如表1。

4.2 验证

实验介绍：利用人工观察状态和传感器测量厚度与样机测量结果进行对比验证。

物质厚度单位：mm，状态：0 干1 潮 2水

5 结论

根据多次室内室外试验数据验证，干、潮、水区分比较准确，因为水潮和潮干分界较为模糊，分界处状态和观察状态稍有出入，但只是在相邻两个状态有所差异，不影响状态变化走势，测量的水厚和水蒸发线性趋势吻合。干信号根据目标路面标定后，干信号的大小在较大范围内不影响路面状态的判断，测量的水厚度误差会有差异，证明传感器具有较强环境适应性。

参考文献：

[1]张龙浩，张杰，胡青.红外式冰箱结霜传感器的设计和试验研究.仪表技术与传感器，2013（5）

[2]Kokhanovsky A A，Zege E P.Scattering optics of snow. APPLIED OPTICS，2004，Vol.43，No.71（March）：1589―1602

[3]王铁流，万薇.阵列式红外探测器在列车轴温监测系统的应用.电子产品世界，2013（2）

[4]许文海，杨明伟，唐文彦.多功能半导体激光器驱动电源的研制[J].红外与激光工程，2004（5）

厚度测量范文第9篇

Zhang Kaiju

（南京交通职业技术学院，南京 211188）

（Nanjing Communications Institute of Technology，Nanjing 211188，China）

摘要：高分辨率X射线衍射具有不损伤样品，无污染、高精度等优点，能够得到有关晶体的完整信息，是研究薄膜性质的重要手段之一。本文采用高分辨X射线衍射得到InGaN/GaN样品的ω/2θ扫描图和倒易空间图，研究InGaN/GaN样品的应变和组分、InGaN/GaN多量子阱的平均组分级厚度周期。从倒易空间图像得出的晶格常数与由002面和105面摇摆曲线所计算出的晶格常数相比较，垂直晶格常数符合得很好，而水平方向的晶格常数则有较大的差别，可以认为从倒易空间图像中得出的晶格常数更为准确。

Abstract: High-resolution X-ray diffraction has many advantages, such as, no damage to the sample, non-polluting, high-precision, etc., and it can get complete information about the crystal and is an important means to study the nature of film. This paper uses high-resolution X-ray diffraction to get the ω/2θ scan and reciprocal space maps of InGaN / GaN samples of InGaN / GaN sample and study the components and contingency of InGaN / GaN sample and the average group grading thickness period of InGaN / GaN multi-quantum well. Compared to the crystallographic lattice constant got from the reciprocal space images and 002 and 105 rocking curves, it is well agree with the vertical crystallographic lattice constant, but the horizontal crystallographic lattice constant has greater the difference, so we can consider that the crystallographic lattice constant from the reciprocal space image is more accurate.

关键词：X射线衍射 InGaN 量子阱 倒易空间图

Key words: X-ray diffraction；InGaN；quantum well；reciprocal space map

中图分类号：TP31 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）32-0155-03

0引言

以GaN为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料主要有AlN、GaN、InN及其三元、四元合金，通过调整合金的组分，可以获得InN的0.7eV到GaN的3.4eV到AlN的6.2eV的连续可调能隙，对应的波长覆盖了整个可见光范围。此外，以GaN为代表的Ⅲ族氮化物还具有高热导率、高电子饱和速度、强击穿电场以及物理化学性质稳定等优良性质。GaN材料的优异特性使其在光电器件、大功率、高温、高频电子器件等领域都有着广泛的应用前景[1-6]。2002年，InN单晶薄膜的带隙宽度被发现为0.7eV[7]，而非此前认为的1.9eV，由于InGaN合金可以覆盖整个可见光波段，在探测以及高转换率太阳能电池器件上有着巨大的应用前景。GaN和InGaN两种材料间的晶格失配以及不同的热膨胀系数会引起异质结中的应变，影响器件的性质，在InGaN生长过程中In的饱和蒸汽分压较大，导致In组分的实际值与设计值之间有较大差别，因此，对InGaN/GaN材料应变的研究以及In组分及应变的测量十分必要。

1高分辨率X射线衍射原理

X射线衍射在近代科学研究中起着重要的作用。基于硅，硅-锗，III-V和II-VI化合物的绝大部分半导体器件结构，是在衬底上外延生长的，这些薄层中的许多信息如外延层厚度、晶格常数、组分、应变等，可以通过高分辨光路测量摇摆曲线和倒易空间图得到。

图1为X射线衍射的实空间示意图，K1为入射光波矢、K2为散射光波矢。假设散射是弹性的，则两个波长相等，K1=K2=2?仔/?姿，?姿为X射线在真空中传播的波长。对于给定的波长，X光散射强度可以表示成散射矢量的函数，散射矢量定义为Q=K2-K1。如果样品是横向均匀的，散射仅仅作用在入射平面内，考虑x方向和z方向的分量。通过X射线衍射倒易空间图像，能够获得更加丰富的有关材料的信息。根据Bragg定律，在倒易空间中Edward球在同倒易点的相交处可以产生Bragg衍射。通过高分辨率X射线衍射可以得到衍射晶面的二维倒易空间图像，ω、2θ与倒空间散射矢量之间的关系为：

Qx=■[cosω-cos（2θ-ω）]（1）

Qz=■[sinω+sin（2θ-ω）] （2）

倒易空间图像可以用来分析晶体材料的应变、应力、晶面效应及晶向效应。对于实际生长的晶体材料，由于受晶格匹配、生长温度等问题的影响，必然会有应力存在，从而导致晶格形变。根据布拉格定律，无形变晶格任何一个晶面的衍射强度极大值只能够在一点取得。当外延层和衬底之间存在应力，整个外延层就会弯曲。晶面弯曲时，其衍射强度极大值可以在一个范围内取得，当对弯曲的晶面进行X射线衍射扫描时，衍射就会发生在一定的范围内，即衍射峰会沿ω方向展宽。如果外延层还存在一定的晶面间距的变化梯度，那么当在ω和ω/2θ方向晶向X射线扫描时，衍射线不仅在ω方向上展宽，在ω/2θ方向也有展宽。

图2 是X射线对称衍射外延层和衬底的二维倒易空间格点（RLP）分布示意图。图中Qx方向平行于衬底表面，Qz方向垂直于衬底表面，中间的黑点表示衬底的倒易点，下面的点表示压应变材料的倒易点，上面的点表示张应变的倒易点。如果材料由于位错产生mosaic结构，那么外延层的倒易点将沿着Qx方向展宽，它的宽度反应了晶体晶向取向的杂乱程度。如果外延层在垂直方向上存在应变梯度，那么外延层的倒易点将沿着Qz方向展宽。α和β是由于偏向角或者位错导致外延层与衬底表面倾斜所致。

图3是X射线非对称衍射外延层和衬底的二维倒易空间格点（RLP）分布示意图。如果外延材料完全应变，衬底和外延层在水平面内的晶格常数相同，则衬底RLP和外延材料RLP垂直于Qx，外延层RLP位于A点；如果外延材料完全弛豫，外延层在水平方向和垂直方向的晶格常数为其实际的体晶格常数，则衬底的RLP和外延层的RLP都沿着[105]方向，外延层位于B点；如果外延层部分弛豫，则外延层RLP将沿着直线AB分布，AB为弛豫线，表征外延材料弛豫度。

采用X射线衍射的方法能够测量出晶体的晶格常数，但是对于三元合金，晶格常数同时受到组分和应变两种因素的影响。运用弛豫线模型能够很好地将这两者区分开。

外延材料弛豫度可以用参数R表征：

R（x）=■

其中a（L）、a0（L）分别是对应于给定组分的测量外延层面内晶格常数和完全弛豫时的外延层面内晶格常数，a0（S）是衬底的面内晶格常数。

如图4所示，如果外延材料完全应变，则R=0，衬底RLP和外延材料RLP垂直于Qx，如果外延材料完全弛豫，则R=1，衬底的RLP和外延层的RLP都沿着晶面方向。对应于不同组分的外延层，其RLP在倒易空间中对应于不同的倒空间矢量。因此，二维倒易空间图像能够有效的区分组分和应变对材料的影响。

在六方晶系中，晶格常数和倒易空间矢量之间存在一一对应的关系。

c=■，a=■■（3）

在双轴应变条件下：

εzz=■，εxx=■ （4）

a■■、c■■分别表示样品完全弛豫时水平方向和垂直方向的晶格常数，下标为0表示完全弛豫。在许多应用场合，InGaN的晶格常数时常被假设为与组分x成线性关系，即

a0■=xa■■+（1-x）a■■，c0■=xc■■+（1-x）c■■（5）

εzz=-■（εxx+εyy）=νεxx（6）

其中ν=2・■，Cij（x）是弹性系数，可以通过插值法求得。

在图4中tanα（x）=■，Q0x，Q0z对应于完全弛豫时的倒空间矢量，Qx，Qz对应于存在应变时的倒空间矢量。?渍是所考虑晶面（hkl）与样品表面的夹角，在六方晶系中tan?渍=■■。根据以上公式，可以得出νtanα（x）=tan?渍。

在已知组分的情况下，可以利用弛豫线模型，求方程的泊松比。当InGaN外延层在GaN衬底上生长时，开始时外延层的原子层因受到衬底应力的作用，使得其晶格与衬底相匹配，此时外延层按赝晶方式生长，应变能的存在使其呈亚稳态。随着外延层的厚度不断增加，存在应变能的释放，根据能量最低原理，可以计算出生长赝晶的临界厚度，超过此厚度，外延层将发生弛豫过程，直至完全弛豫。也就是说，当组分一定时，随着外延层厚度的增加，外延层的RLP将沿着弛豫线分布，从而可以求出tanα（x），于是ν=tan?渍/tanα（x）。

利用弛豫线模型分析外延层材料组分和应变[8]，对于三元合金的泊松比，一阶近似取为ν■=xνInN+（1-x）νGaN整理出一个关于x的三次方程，即可求出In的组分。

Ax3+Bx2+Cx+D=0 （7）

其中：

A=（νInN-νGaN）（a■■-a■■）（c■■-c■■）

B=（1+νGaN）（a■■-a■■）（c■■-c■■）+（νInN-νGaN）[（a■■-a■■）c■■+

（a■■）-a■）（c■■-c■■）]

C=（a■■-a■■）[（1+νGaN）c■■-c■]+（c■■-c■■）[（1+νGaN）a■■-νGaNa■]+（νInN-νGaN）（a■■-a■）c■■

D=（1+νGaN）a■■c■■-νGaNc■■a■-c■■a■（8）

下文的分析中所采用的晶格常数和弹性系数如表1所示[9]。

1984年，V.S. Speriosu and Vreeland提出用X射线测量多量子阱，利用摇摆曲线计算多量子阱的周期厚度。假设多量子阱一周期厚度为Λ，根据布拉格定律，

Λ=■ （9）

其中θm和θm+1是两相邻的卫星峰。

2实验样品

实验所用的六方相InxGa1-xN样品是在蓝宝石衬底（0001）面上成长的，衬底和外延膜之间存在20nm的AIN成核层，AlN缓冲层能够大大提高外延GaN薄膜的质量。样品为p-i-n结构。加入i区的目的是为了增加耗尽区的宽度，使光信号吸收主要集中在耗尽区中。在准中性区产生的光生载流子要通过扩散作用达到耗尽区才能对电流有贡献，而在耗尽区中产生的光生载流子通过内部电场的作用，几乎全部对电流有贡献。在二极管的n区和p区之间加入一层本征材料，不仅能够增大耗尽区的物理长度，使耗尽区与吸收区（光的透射深度）趋于一致，从而增加该区域内光生电子-空穴的收集，还能够提高器件的响应速度。P区的禁带宽度大于i区禁带宽度，此时p区对入射光透明，可以消除在耗尽区i区之外的吸收。P-GaN的作用是为了获得更好的欧姆接触。样品的本征材料由超晶格结构组成。P区和i区之间由于晶格常数不匹配产生的应变会产生极化电场，进而在界面产生界面极化电荷，改变电场的分布，使p区的耗尽区宽度展宽，i区耗尽层宽度减小，降低响应。

3结果与分析

样品的本征区域是超晶格，且组成超晶格的两种材料晶格常数并不匹配。由于超晶格的每一层厚度足够薄，界面上的应力可以把两侧的晶格扭曲在一起而不产生缺陷。由于应力的作用，超晶格两侧材料平行于界面方向的晶格常数都要发生改变，趋于一个共同的晶格常数。在多量子阱结构中，零级衍射峰的布拉格角度就代表了整个量子阱中的平均布拉格角度对002面和105面进行ω/2θ扫描，从图6和7中可以清楚地观察到InGaN超晶格结构的零级衍射峰在对称和非对称面的布拉格角度，零级衍射峰左边的峰值对应于In0.60GaN，可以把该层作超晶格结构的衬底。计算出所对应的晶格常数，根据a和c的值解方程可以求解相应的组分和应变，计算结果在表2中给出，In0.60GaN相对于GaN的弛豫度为96.03%，超晶格结构相对于In0.60GaN的弛豫度R=90.03%。根据量子阱厚度周期公式（9）得到Λ=12.7nm，与超晶格结构的设计周期15nm相当。

由倒易空间的坐标也可以求出各层所对应的晶格常数。现考察105面的倒易空间图像，如图8所示。以GaN的RLP作为基准来修正，ω修正值为0.204°，2θ修正值为0.2097°。

比较表2和表3可以发现，从倒易空间图像得出的晶格常数与由002面和105面摇摆曲线所计算出的晶格常数相比较，垂直晶格常数符合得很好，而水平方向的晶格常数则有较大的差别。可以认为从倒易空间图像中得出的晶格常数更为准确，这是由于倒易空间扫描时仪器不需要重新调试，并且所取峰值是二维扫描中衍射强度的最大值。根据求得的a和c的值解方程求得相应的组分和应变，In0.60GaN相对于GaN的弛豫度为98.97%，超晶格结构相对于In0.60GaN的弛豫度R=90.03%。

在表2与表3中还计算了In0.15GaN的晶格常数及应变，但由于计数时间和衍射强度的限制，衍射峰模糊，衍射强度峰值难以选取，用两种方法计算得出的组分相差较大。扫描步长能提供足够的扫描点数来确定峰的位置，步长的大小将影响测量精度。在测量倒易空间图像时ω扫描步长为0.005°，2θ扫描步长为0.01°，对应分辨率约为0.0001■。若以In0.5GaN为衬底生长In0.6GaN，则完全弛豫时的In0.6GaN的水平晶格常数为3.3984■，完全应变时的晶格常数为3.3635■，二者之差为0.0349■。可以看出所用的扫描步长研究应变是足够的。

参考文献：

[1]陶涛，张，刘炼，苏辉，谢自力，张荣，刘斌，修向前，李毅，韩平，施毅，郑有.半导体学报，2011，（8）.

[2]陈贵锋，谭小动，万尾甜，沈俊，郝秋艳，唐成春，朱建军，刘宗顺，赵德刚，张书明.物理学报，2011，（7）.

[3]Hideki Hirayamaa，J.Appl. Phys 97，091101（2005）.

[4]R.McClintock，A.Yasan，K.Mayes，et al.Appl.Phys.Lett.84 1248（2004）.

[5]Y.Taniyasu，M.Kasu，and T.Makimoto，Nature 441，325（2006）.

[6]孔月婵.三族氮化物异质结构的二维电子气研究进展.物理学进展， Vol.26 No.2 Jun，2006.

[7]J.Wu，W.Walukiewicz，H.Lu，et al.Appl.Phys. Lett.80，4741 （2002）.

[8]M Schuster 1999 J.Phys.D:Appl.Phys.32 A56.

[9]M.R.Correia and E.Pereira，App.phys.lett.80，3913（2002）.

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厚度测量范文第10篇

关键词：电线电缆护套厚度；不确定度的评定；测量

前言

电线电缆护套的厚度测量对于产品来说是相对重要的测试项目，测量的结果不仅仅只作用于此项判定，同时还会涉及到其他的项目（护套的机械性能、高温压力、热失重等等）的符合性的判定，简单来说护套测量的准确性及有效性直接关系到测试室出具的判定结果的正确与否，特别是当所测得的数据处于临界值时，更需要有个参数说明被测量之值分散性，即只有给出测量结果的不确定度才能进行正确的判定。而本文选取的是本企业出口量最大的产品SRF3025V 450/750V即平行建筑线3芯2.5mm2的护套厚度作为实测数据，初步分析电线电缆厚度测量不确定度的评定。

一、实验项目

1、测量设备

1.1 JTC-300数字式投影仪（上海光学仪器五厂），经计量检定合格，校准证书上出具的最大示值误差为（4+L/50）μm，放大率误差：0.02%，数显最小显示当量0.001mm（最后一位为估度位，精确到0.01mm）

1.2温湿度计

1.3 测试的样品：出口产品：SRF3025V 450/750V（平行建筑线3芯2.5mm2）

2、样品的制备

严格按照AS/NZS1660.2.1：1998的标准要求制备。

1.1样品预处理

将刚挤出的产品至少要存放16小时后才开始检测，除另有规定，试验必须在23±5℃的环境温度下进行。

1.2样品的制备

在除去护套内外所有的材料后，每个试样应通过用一适当的工具（尖刀或锋利的刀片）沿与电缆轴向垂直的平面切割而得，且试样切割面应仔细修平。切割若干个试片，用来做产品护套厚度的测试。

3、试样护套平均厚度的测量

将试样放置在测量装置下面，切割面与光轴垂直，开始测量。第一次测量应在护套最薄点进行。按照AS/NZS1660.2.1：1998的标准要求测试8个点，再将这8个点的平均值作为护套的平均厚度的最终结果。

二、结果与分析

由测量方法可以看出，对于其测量不确定度主要来源于护套平均厚度测量的重复性、投影仪最大允许误差和环境温度波动引起的误差等几个方面。

1.标准不确定度的A类评定

护套平均厚度测量的重复性

按上述测量方法，在23±5℃的环境温度下，设备运行稳定的状态中，取一截5cm的样品每隔5mm切一试样（尽量减少在生产过程中造成的护套厚度的波动性），在重复条件下进行10次独立测量，得出了以下10个测试结果（见表1）。

由实测护套厚度数据得出的实验标准差s（Ri）为：

S（Ri）== 0.0314mm

故标准不确定分量uA（ ）= S（Ri）/ =0.00993

2.标准不确定度的B类评定：

2.1投影仪引起的误差

该台投影仪的校准证书中给出的最大示值误差为（4+L/50）μm，设测量值在该区间内属于均匀分布，查表得到K=：

uB1（）==0.0149mm

该台投影仪的校准证书中给出的放大率误差为0.02%，设测量值在该区间内属于均匀分布，查表得到K=：

uB2（）= ==0.000126mm

该投影仪的最大允许误差为：

=0.0149mm

2.2环境温度波动引起的误差

SRF3025V 450/750V电缆的护套材料为PVC，查标准其热膨胀系数为a=80×10-6℃-1，假定在此区间内为均匀分布，查表得到K=，实验室在23±5℃的环境温度下引入的温度波动带来的试样变形引起的标准不确定度为：

uB3（）==0.00436mm

3.合成标准不确定度：

uC（）=

==0.0184mm

4.扩展不确定度

提供95%的置信水平时，取包含因子k=2，故扩展不确定度U为：

U=k uC（）=2×0.0184mm=0.0368mm≈0.04mm

5.测量结果

护套厚度=（1.09±0.04）mm，置信水平95%，k=2。

结束语

测量的目的是为了确定被测量物的量值。测量结果的质量是量度测量结果可信程度的最重要的依据。测量不确定度就是对测量结果质量的定量表征，测量结果的可用性很大程度上取决于其不确定度的大小。尤其是在对测量产品厚度的测试数值与标准中限量的符合性做判别时，为了确保评判结果的公正、客观、有效和可信，作为测试方必须评估检测结果的不确定度，以避免误判。

参考文献

[1]何兰君，夏锡衫，叶东东：电线电缆绝缘平均厚度测量不确定度评定[J]，中国计量，2014，07：96/97.

[2]中华人民共和国建设部标准。JGJ103-1996. 北京：中国标准出版社，1997.

[3]AS/NZS1660.2.1：1998 澳大利亚/新西兰标准 电缆、软线及导体试验方法 方法2.1：绝缘、挤包半导电屏蔽及非金属护套的通用方法.