Принципы нанометрологии, страница 15

PDF-файл Принципы нанометрологии, страница 15 Метрология, стандартизация и сертификация (МСиС) (13062): Книга - 11 семестр (3 семестр магистратуры)Принципы нанометрологии: Метрология, стандартизация и сертификация (МСиС) - PDF, страница 15 (13062) - СтудИзба2017-12-21СтудИзба

Описание файла

PDF-файл из архива "Принципы нанометрологии", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "метрология, стандартизация и сертификация (мсис)" из 11 семестр (3 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "метрологическое обеспечение инновационных технологий" в общих файлах.

Просмотр PDF-файла онлайн

Текст 15 страницы из PDF

In somecases where the applied load is relatively high, irreversible, or plastic,deformation may occur. This is especially probable when using either highforces or small contact areas, for example when using stylus instruments (seesection 6.6.1) or atomic force microscopes (see section 7.3).

The theorybehind elastic and plastic deformation can be found in detail elsewhere [18].The amount that a body compresses under applied load depends on:-the measurement force or applied load;-the geometry of the bodies in contact;-the material characteristics of the bodies in contact;-the type of contact (point, line, etc.);-the length of contact.4142C H A P T ER 3 : Precision measurement instrumentation – some design principlesThe formulae for calculating the amount of compression for mostsituations can be found in [18] and there are a number of calculators availableon the Internet (see for example emtoolbox.nist.gov/Main/Main.asp). Themost common cases will be included here.

More examples of simplecompression calculations are given elsewhere [2]. For a sphere in contactwith a single plane (see Figure 3.4), the mutual compression (i.e. thecombined compression of the sphere and the plane) is given bya ¼ 1=3ð3pÞ2=3 2=31P ðV1 þ V2 Þ2=32D(3.1)where D is the diameter of the sphere, P is the total applied force and V isdefined asV ¼ð1 s2 ÞpE(3.2)where E is the Young’s modulus of the material and s is Poisson’s ratio. Notethat the assignment of the subscript for the two materials is arbitrary due tothe symmetry of the interaction. For a sphere between two parallel planes ofsimilar material, equation (3.1) is modified by removing the factor of two inthe denominator.For a cylinder in contact with a plane, the compression is given by8a2(3.3)a ¼ PðV1 þ V2 Þ 1 þ lnðV1 þ V2 ÞPDFIGURE 3.4 Mutual compression of a sphere on a plane.Force loopswhere 2a is the length of the cylinder and the force per unit length is given byP ¼P:2a(3.4)Plastic compression is much more complicated than elastic compressionand will be highly dependent upon the types of materials and surfacesconsidered.

Many examples of both elastic and plastic compression areconsidered in [19].3.6 Force loopsThere are three types of loop structures found on precision measuringinstruments: structural loops, thermal loops and metrology loops. Thesethree structures are often interrelated and can sometimes be totally indistinguishable from each other.3.6.1 The structural loopA structural loop is an assembly of mechanical components that maintainrelative position between specified objects. Using a stylus surface texturemeasuring instrument as an example (see section 6.6.1) we see the structuralloop runs along the base-plate and up the bridge, through the probe, throughthe object being measured, down through the x slideway and back into thebase-plate to close the loop.

It is important that the separate components inthe structural loop have high stiffness to avoid deformations under loadingconditions – deformation in one component will lead to uncompensateddimensional change at the functional or measurement point.3.6.2 The thermal loopThe thermal loop is described as: ‘a path across an assembly of mechanicalcomponents, which determines the relative position between specifiedobjects under changing temperatures’ [5].

Much akin to mechanical deformations in the structural loop, temperature gradients across an instrumentcan cause thermal expansion and resulting dimensional changes. It ispossible to compensate for thermal expansion by choosing appropriatecomponent lengths and materials. If well designed, and if there are notemperature gradients present, it may just be necessary to make the separatecomponents of an instrument from the same material. Thermal expansioncan also be compensated by measuring thermal expansion coefficients andtemperatures, and applying appropriate corrections to measured lengths.4344C H A P T ER 3 : Precision measurement instrumentation – some design principlesThis practice is common in gauge block metrology where the geometry of theblocks being measured is well known [20].

Obviously, the effect of a thermalloop can be minimized by controlling the temperature stability of the room inwhich the instrument is housed.3.6.3 The metrology loopA metrology loop is a reference frame for displacement measurements,independent of the instrument base. In the case of many surface texturemeasuring instruments or CMMs, it is very similar to the structural loop.The metrology loop should be made as small as possible to avoid environmental effects. In the case of an optical instrument, relying on the wavelength of its source for length traceability, much of the metrology loop may bethe air paths through which the beam travels. Fluctuations in the airtemperature, barometric pressure, humidity and chemical composition ofthese air paths cause changes in the refractive index and correspondingchanges to the wavelength of the light [21,22].

This can cause substantialdimensional errors. The last example demonstrates that the metrology andstructural loops can be quite different.3.7 MaterialsNearly all precision measuring instrument designs involve minimizing theinfluence of mechanical and thermal inputs which vary with time and whichcause distortion of the metrology frame. Exceptions to this statement are, ofcourse, sensors and transducers designed to measure mechanical or thermalproperties. There are three ways (or combinations of these ways) to minimizethe effects of disturbing inputs:-isolate the instrument from the input, for example using thermalenclosures and anti-vibration tables;-use design principles and choose materials that minimize the effect ofdisturbing inputs, for example, thermal compensation designmethods, materials with low coefficients of expansion and stiffstructures with high natural frequencies;-measure the effect of the disturbing influences and correct for them.The choice of materials for precision measuring instruments is closelylinked to the design of the force loops that make up the metrology frame.Materials3.7.1 Minimizing thermal inputsThermal distortions will usually be a source of inaccuracy.

To find a performance index for thermal distortion consider a horizontal beam supported atboth ends of length L and thickness h [23]. One face of the beam is exposed toa heat flux of intensity Q in the y direction that sets up a temperature, T,gradient, dT/dy, across the beam. Assuming the period of the heat flux isgreater than the thermal response time of the beam, then a steady state isreached with a temperature gradient given byQ ¼ ldTdy(3.5)where l is the thermal conductivity of the beam.

The thermal strain is given by3 ¼ aðT0 TÞ(3.6)where a is the thermal expansion coefficient and T0 is the ambienttemperature. If the beam is unconstrained, any temperature gradient willcreate a strain gradient, d3/dy in the beam causing it to take up a constantcurvature given byd3dTa¼ a¼ Q:(3.7)K ¼dydylIntegrating along the beam gives the central deflection ofad ¼ C1 L2 Ql(3.8)where C1 is a constant that depends on the thermal loads and the boundaryconditions. Thus for a given geometry and thermal input, the distortion isminimized by selecting materials with large values of the performance indexMQ ¼l:a(3.9)References [24] and [3] arrive at the same index by considering other types ofthermal load.

If the assumption that the period of the heat flux is greater thanthe thermal response time of the beam is not valid then the thermal mass ofthe beam has to be taken into account [24]. In this case thermal conductivityis given byDl ¼(3.10)rCpwhere D is the thermal diffusivity of the beam material, r is its density and Cpis its specific heat capacity. In the case of a room with stable temperature andvery slow heat cycling equation (3.9) is normally valid.4546C H A P T ER 3 : Precision measurement instrumentation – some design principles3.7.2 Minimizing mechanical inputsThere are many types of mechanical input that will cause unwanteddeflections of a metrology frame. These include elastic deflections due to selfweight, loading due to the object being measured and external vibrationsources.

To minimize elastic deflections a high stiffness is desirable. Theelastic self-deflection of a beam is described byWx3EIy ¼ C2(3.11)where W is the weight of the beam, E is the Young’s modulus of the beammaterial, I is the second moment of area of the cross-section and C2 isa constant that depends on the geometry of the beam and the boundaryconditions.

It can be seen from equation (3.11) that, for a fixed design ofinstrument, the self-loading is proportional to r/E – minimizing this ratiominimizes the deflection.The natural frequency of a beam structure is given byun ¼ C3rffiffiffiffiffiffiffiffiffiEIml3(3.12)where n is the harmonic number, m is the mass per unit length of the beam, lits length and C3 is a constant that depends on the boundary conditions.pffiffiffiffiffiffiffiffiAgain, for a fixed design of instrument, un is directly proportional to E=r.For a high natural frequency and, hence, insensitivity to external vibrations itis, once again, desirable to have high stiffness.

As with the thermal performance index, a mechanical performance index can be given byMm ¼E:r(3.13)Insensitivity to vibration will be discussed in more detail in section 3.9.3.8 SymmetrySymmetry is a very important concept when designing a precision measuringinstrument. Any asymmetry in a system normally has to be compensated for.In dynamics it is always better to push or pull a slideway about its axisof reaction otherwise parasitic motions will result due to asymmetry. Ifa load-bearing structure does not have a suitably designed centre of mass,there will be differential distortion upon loading. It would seem thatVibration isolationFIGURE 3.5 Kevin Lindsey with the Tetraform grinding machine.symmetry should be incorporated into a precision measuring instrumentdesign to the maximum extent. An excellent example of a symmetricalstructure (plus many other precision instrument design concepts) is theTetraform grinding machine developed by Kevin Lindsey at NPL [25,26].

Свежие статьи
Популярно сейчас
Зачем заказывать выполнение своего задания, если оно уже было выполнено много много раз? Его можно просто купить или даже скачать бесплатно на СтудИзбе. Найдите нужный учебный материал у нас!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5259
Авторов
на СтудИзбе
421
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее