台阶仪：表面形貌测量的关键工具

台阶仪：表面形貌测量的关键工具

台阶仪（stylus profilometers）是测量表面形貌的最常用仪器，以其简单全面的原理和易于操作的特点，在生产车间和计量实验室中都得到了广泛的应用。本文将详细介绍台阶仪的历史、工作原理、组成部分、类型以及优缺点，以帮助读者全面了解这一重要的工业测量工具。

历史背景

在第二次世界大战期间，为了确保大规模生产的车辆、飞机和武器的一致性和制造质量，除了尺寸公差外，还需要检查制造部件的表面纹理。由于表面纹理的尺度通常不允许可靠的视觉检查，因此迫切需要发明新的测量仪器。特别是在Rolls Royce的推动下，制造第一个商业台阶仪的需求应运而生。Dr Schmaltz、Ernest J. Abbott、Harry Shaw、George Tomlinson以及John E. Reason等工程师和研究人员对此做出了贡献。John Reason在Mark Taylor的指导下设计并开发了第一个商业化的独立台阶仪，即1941年诞生的Talysurf 1。

工作原理

台阶仪的工作原理相对简单。一个微小的尖端与表面接触，并沿X轴移动。由于表面起伏造成的尖端垂直移动被捕捉并放大。台阶仪通常安装在Z柱上，允许将触针定位在待测部件上方。横移单元沿X轴移动触针，垂直于Z轴。花岗岩基座作为参考平面，并作为待测部件的支撑。

组成部分

触针和尖端

触针的末端是一个由几微米半径的微小球体组成的尖端。这个球体通常由钻石或蓝宝石等硬石制成，附着在圆锥形支撑上。整个结构构成了一个圆锥形球面尖端。

传感器

台阶仪使用不同的传感器技术，包括：

• LVDT电感传感器：最常见的传感器技术，通过在两个线圈之间移动的铁氧体芯来测量尖端的垂直移动。
• 电容传感器：尖端的另一端有一个垫片，它在两个产生电场的电极之间移动，改变电容器的电容。
• 压电传感器：在入门级设备中使用，类似于黑胶唱机的拾音器，根据压电元件上的按压力产生电流。
• 激光干涉仪：在高端和高精度台阶仪中使用，允许大的垂直行程，同时保持极高的分辨率。

类型

• 车间台阶仪：一些台阶仪配备了滑块，其原理是使用一个宽垫与表面接触，作为参考。这个垫子平滑局部粗糙度，允许尖端记录这个平滑形状与实际浮雕之间的差异，从而近似粗糙度。
• 实验室台阶仪：实验室台阶仪允许更精确的测量，包括粗糙度、波纹度和形状偏差。越来越多的台阶仪同时进行表面纹理和轮廓测量。
• 低力台阶仪：一些台阶仪专门用于测量微电子组件，甚至是硅片。这些非常脆弱的表面需要极低的接触力，通过动态控制力来实现。

优缺点

优点

• 台阶仪是工业中使用了五十多年的知名设备，其特性被精确了解。
• 测量长度仅取决于横移单元，可以根据需要进行调整。
• 技术与低成本设备兼容，可以在车间中使用。

缺点

• 接触尖端可能会损坏表面，尤其是对于脆性材料。
• 由于尖端与触针之间的角度，测量坡度断裂处（如台阶或孔洞）较为困难。
• 测量速度慢，通常只有几百微米每秒，最多几毫米每秒，这使得它不适合进行面积测量。

台阶仪作为表面形貌测量的关键工具，尽管存在一些局限性，但其在工业中的广泛应用和精确性使其仍然是分析表面纹理的理想仪器。随着技术的进步，台阶仪也在不断发展，以适应更广泛的测量需求和提高测量效率。