曲靖師范學院畢業(yè)論文論文題目：微量直徑測量方法的研究比較姓 名: 董學江 學 號: 2003122136 系 別: 物理系 年 級: 2003 級 學 科: 教育學 專 業(yè): 教育技術學 指導教師: 陶淑芬 職 稱: 高級實驗師 完成日期：2007 年 5 月曲靖師范學院教務處制微量直徑測量方法的研究比較摘 要微量測量應用廣泛，發(fā)展迅速，為適應越來越高的精度要求，國內(nèi)外對微量測量極為關注。2006 年韓力、盧杰、李莉在物理實驗期刊上發(fā)表了動態(tài)激光衍射法測量細絲直徑 ，提出了利用激光衍射對細絲直徑進行動態(tài)測量的方法。主要研究了激光衍射法測量細絲直徑的實驗方法、測量公式和精度分析，并利用 CCD 讀數(shù)以及電腦處理分析數(shù)據(jù)來提高實驗的精度；2003 年 2 月馮穎、宋瑞麗在東北電力學報上發(fā)表利用劈尖干涉法測定細絲直徑的實驗研究 ，主要針對激光干涉法測量頭發(fā)絲直徑的實驗中等厚干涉條紋間距不相等的現(xiàn)象的進行較為深入的理論分析和解釋，并給出了減小誤差的方法。上述研究文獻都只對具體的測量方法作了研究，并未展開比較。微量直徑的測量，利用傳統(tǒng)的方法和普通實驗器具無法測量，只有通過機械放大原理或光學原理把微量直徑的測量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌康臏y量，再通過計算得到微量直徑。本文在現(xiàn)有實驗室條件下，以頭發(fā)絲直徑的測量為例，利用螺旋測微器測量法、劈尖干涉法、光學放大法、衍射法測量頭發(fā)絲直徑，通過具體的實驗數(shù)據(jù)和測量的不確定度對微量直徑測量方法進行較系統(tǒng)的比較研究。該課題的研究有利于對微量測量的認識和理解，拓展知識體系，學習科學研究的方法，了解科學研究的現(xiàn)狀，培養(yǎng)分析處理各類問題的能力，實現(xiàn)在現(xiàn)有實驗室條件下選擇最合理的方法測量直徑的目的。通過實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析得出利用夫瑯和費衍射法測量頭發(fā)絲直徑，誤差小，測量結(jié)果穩(wěn)定，精度高，成本適中，非常適用于微量直徑的測量。由于條件的限制，本文側(cè)重于基本原理的分析和實驗結(jié)果的不確定度的比較。對于實驗中存在的不穩(wěn)定因素和儀器精度方面的問題，只是從理論上提出了具體改進的措施，在今后的研究中應多注重測量方法的深入分析和改進，以適應越來越高的精度要求。關鍵詞： 微量直徑；測量方法；原理目 錄1 引言.11.1 問題的提出.11.2 研究的現(xiàn)狀.11.3 研究的思路.12 直接接觸測量法.22.1 螺旋測微器測 量 法 .22.1.1 構(gòu)造及測量原理.22.1.2 操作過程 .22.1.3 測量數(shù)據(jù).32.1.4 不確定度計算.32.2 劈尖干涉測量法.42.2.1 測量原理.42.2.2 操作過程.52.2.3 測量數(shù)據(jù).52.2.4 不確定度計算.53 不直接接觸測量法.73.1 光學放大法.73.1.1 測量原理.73.1.2 不確定度估算.73.2 夫瑯和費衍射法.73.2.1 測量原理.83.2.2 操作過程.83.2.3 測量數(shù)據(jù).93.2.4 不確定度計算.94 各種方法的比較.105 結(jié)論.11參考文 獻 .12微量直徑測量方法的研究比較11 引言1.1 問題的提出隨著科學技術和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，產(chǎn)品的小型化和微型化越來越成為一個重要的分支，因而微小尺寸的測量越來越多、越來越重要，如細絲、小孔、鍍層厚度、集成電路中的氧化層厚度、各元件間的微小距離、計算機中磁頭與磁盤間的微小間隙等等；并且測量精度要求也越來越高，如超大規(guī)模集成電路中要求位置的測量精度為 0.lum的數(shù)量級 1。這些都涉及到了微量測量，為適應這種精度要求，迫切的需要對微量測量做大量的研究，并對測量方法做系統(tǒng)的分析比較，找出較合理的微量測量方法。本文側(cè)重于微量直徑的研究。對微量直徑的測量方法的研究，本文提出了以頭發(fā)絲直徑的測量為例，在現(xiàn)有實驗室條件下，利用多種方法進行頭發(fā)絲直徑的測量和比較，以此加深對微量測量的認識和理解，為更深入的研究提供參考。1.2 研究的現(xiàn)狀微量測量應用廣泛，發(fā)展迅速，為適應越來越高的精度要求，國內(nèi)外對微量測量極為關注。2006 年韓力、盧杰、李莉在物理實驗期刊上發(fā)表了動態(tài)激光衍射法測量細絲直徑 ，主要研究了利用激光衍射法測量細絲直徑，利用 CCD(光電傳感器)讀數(shù)以及電腦處理分析數(shù)據(jù)，測量的精度有了很大的提高；2003 年 2 月馮穎、宋瑞麗在東北電力學報上發(fā)表利用劈尖干涉法測定細絲直徑的實驗研究 ，主要針對激光干涉法測量頭發(fā)絲直徑的實驗中等厚干涉條紋間距不相等的現(xiàn)象進行較為深入的理論分析和解釋，并給出了減小誤差的方法。國內(nèi)外的研究多側(cè)重于更微小的測量，并且針對頭發(fā)絲微量直徑測量的方法未做系統(tǒng)的研究比較，都只對單一的方法進行研究，并未展開比較。1.3 研究的思路微量直徑的測量，利用傳統(tǒng)的方法和普通實驗器具無法測量，只有通過機械放大原理或光學原理把微量直徑的測量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌康臏y量，再通過計算得到微量直徑。本文以頭發(fā)絲直徑的測量為例，利用測量法、劈尖干涉法、光學放大法、夫瑯和費衍射法測量頭發(fā)絲直徑，在此基礎上進行微量直徑的測量方法的比較研究，實現(xiàn)在現(xiàn)有實驗室條件下選擇最合理的方法測量微量直徑。下面將以頭發(fā)絲直徑測量為例，介紹幾個微量直徑測量方法的實例，并對其作一微量直徑測量方法的研究比較2定的比較。2 直接接觸測量法直接接觸法就是測量儀器的一部分須與頭發(fā)絲接觸才能實現(xiàn)的測量方法，本文主要討論螺旋測微器測量法和劈尖干涉測量法。直接接觸法由于頭發(fā)絲存在微小形變而引入一定誤差。2.1 螺旋測微器測 量 法螺旋測微器（又叫千分尺）是比游標卡尺更精密的測量長度的工具，用它測量長度可以準確到 0.01mm，測量范圍 0-15 毫米。是目前實驗室長度測量最常用的、精度較高的測量儀器之一 2 。2.1.1 構(gòu)造及測量原理螺旋測微器的構(gòu)造如圖 1 所示。螺旋測微器的小砧和固定刻度固定在框架上、旋鈕、微調(diào)旋鈕和可動刻度、測微螺桿連在一起，通過精密螺紋套在固定刻度上。 小 玷 測 微 螺 桿 固 定 刻 度可 動 刻 度 旋 鈕 微 調(diào) 旋 鈕框 架圖 1 螺旋測微器螺旋測微器是依據(jù)螺旋放大的原理制成的，即螺桿在螺母中旋轉(zhuǎn)一周，螺桿便沿著旋轉(zhuǎn)軸線方向前進或后退一個螺距的距離。因此，沿軸線方向移動的微小距離，就能用圓周上的讀數(shù)表示出來。螺旋測微器的精密螺紋的螺距是 0.5mm，可動刻度有 50個等分刻度，可動刻度旋轉(zhuǎn)一周，測微螺桿可前進或后退 0.5mm，因此旋轉(zhuǎn)每個小分度，相當于測微螺桿前進或后退 0.01mm。可見，可動刻度每一小分度表示 0.01mm，所以螺旋測微器可精確到 0.01mm。加上估讀的一位，可讀到毫米的千分位，故又名千分尺 3 。測量時，當小砧和測微螺桿并攏時，可動刻度的零點與固定刻度的零點重合，旋出測微螺桿，并使小砧和測微螺桿的面接觸待測長度的兩端，那么測微螺桿向右移動微量直徑測量方法的研究比較3的距離就是所測的長度。2.1.2 操作過程 測量時，在測微螺桿快靠近被測物體時應停止使用旋鈕，而改用微調(diào)旋鈕，避免產(chǎn)生過大的壓力，既可使測量結(jié)果精確，又能保護螺旋測微器。 在讀數(shù)時，要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻線是否已經(jīng)露出。 當小砧和測微螺桿并攏時，可動刻度的零點與固定刻度的零點不相重合，將出現(xiàn)零誤差，應加以修正，即在最后測得長度的讀數(shù)上去掉零誤差的數(shù)值。2.1.3 測量數(shù)據(jù)表 1 螺旋測微器測量法測量數(shù)據(jù)n 1 2 3 4 5 6 dd/mm 0.097 0.092 0.096 0.097 0.093 0.095 0.095開始時的零讀數(shù)(零誤差) = 0.015mm 1l頭發(fā)絲直徑為 0.8m .15-0.912ld2.1.4 不確定度計算 誤差來源 螺旋測微器引起的誤差； 讀數(shù)誤差(人眼的分辨率約為 0.2mm)； 擠壓形變引起的誤差。 不確定度的計算 4 來源于多次測量(2-1)1(/)()(2nxduiA=0.0009mm 螺旋測微器誤差，極限誤差 =0.01mm(2-2)3)(duB=0.0058mm合成標準不確定度(2-3)()()(22duduBc微量直徑測量方法的研究比較4=0.0059mm測量結(jié)果 mm)06.8.(d2.2 劈尖干涉測量法將兩塊平面玻璃的一端相接觸，另一端夾一頭發(fā)絲，則在兩塊平面玻璃之間就形成了劈形氣隙，也叫劈尖 5。2.2.1 測量原理 如圖 2 所示，由光源 S 發(fā)出的單色光 1 和 1入射到劈形氣隙上時，光線 1 經(jīng)下表面 AA反射后和光線 1經(jīng)上表面 BB反射后在反射處 C 點相遇，產(chǎn)生干涉。seAA n2c234561目鏡 2調(diào)焦手輪 3主尺（毫米分格）4反光鏡調(diào)節(jié)手輪 5平面玻璃 6光源圖 2 劈尖干涉光路圖 圖 3 劈尖干涉測量裝置圖光線 11和 22的光程差為 2e上式中， /2 是因為由 BB反射的光，反射光存在半波損失，產(chǎn)生附加光程差。而由 AA反射的光不存在半波損失。 所以光程差只與薄膜的厚度 e 有關 5。干涉相長的條件為，(k = 1，2，3，) 2ke(2-4)干涉相消的條件為，(k = 0，1，2，) )12(ke微量直徑測量方法的研究比較5(2-5)劈尖等厚點的軌跡為平行于相交棱的直線，厚度相同的地方干涉相同，所以形成的干涉條紋是平行于相交棱的明暗相間的直條紋。在兩塊玻璃的接觸處， e = 0，光程差為 /2，應為暗條紋。相鄰亮條紋或相鄰暗條紋所對應的氣隙厚度差為21ke若測出相鄰亮條紋或相鄰暗條紋之間的距離 ，則兩塊平面玻璃之間的夾角的正l弦值可以表示為 6 ll2/sin設玻璃板的長度為 L Ldta 角很小 sint2l得頭發(fā)絲的直徑(2-6)Lld測量器材：平面玻璃兩塊、移測顯微鏡、鈉光燈及電源、頭發(fā)絲、游標卡尺。測量裝置圖如圖 3 所示。2.2.2 操作過程 檢查平面玻璃上是否有灰塵、指紋，必要時可用擦鏡紙擦干凈； 利用游標卡尺測出劈尖的長 L； 把一端夾有頭發(fā)絲的兩塊玻璃片放到顯微鏡的載物臺上，調(diào)整顯微鏡，使視場中出現(xiàn)一系列清晰的明暗直條紋。測量 5 條亮條紋和 5 條暗條紋之間的距離 7。2.2.3 測量數(shù)據(jù)表 2 劈尖干涉法測量數(shù)據(jù)n L/mm x1/mm k/mm x2/mm /mml d/mm1 55.94 21.690 10 23.805 0.2115 0.07812 55.88 21.529 20 25.727 0.2099 0.07873 56.12 23.740 10 25.781 0.2041 0.08094 55.92 24.740 10 26.775 0.2035 0.08125 56.06 22.760 10 24.785 0.2025 0.0816微量直徑測量方法的研究比較66 56.18 28.942 10 30.958 0.2016 0.08197 56.16 27.108 10 29.102 0.1994 0.08288 56.22 26.975 10 28.942 0.1967 0.084平均值 56.06 0.2036 0.0812 注： ， ， =589.3nm21xlkLld2.2.4 不確定度計算 誤差來源 8 讀數(shù)顯微鏡引起的誤差； 平面玻璃和頭發(fā)絲微小形變引起的誤差； 測量及讀數(shù)的誤差； 螺旋空程引入的誤差。 不確定度計算L 的標準不確定度 多次測量引入的 A 類不確定度mm0463.)1(/)()(2nLui 游標卡尺精度引入的 B 類不確定度， mm2mm5.30.)(則mm047.)()()(22LuLuBAc的標準不確定度l 重復測量mm018.)(/)()(2nlluiA 儀器引入的不確定度， 0.01mmmm5.301.)(lB則mm06.)()()(22lulluBAc合成 d 的標準不確定度微量直徑測量方法的研究比較7(2-7)22)()()(luLduccc =0.0024mm測量結(jié)果 mm)024.81.(d3 不直接接觸測量法測量的過程中，頭發(fā)絲不會因接觸而產(chǎn)生誤差，克服了頭發(fā)絲因接觸產(chǎn)生微小形變而引起的誤差。3.1 光學放大法通過光學放大系統(tǒng)，把頭發(fā)絲放大、投影到相應的屏幕上，測量出所成像的直徑?；蛑苯釉陲@微鏡下讀出所成像的大小。再根據(jù)放大倍數(shù)，就可求出頭