Профилометр — измеритель профиля поверхности¶
Профилометр — измерительный прибор, предназначенный для определения профиля (рельефа) поверхности объекта с высокой точностью, как правило, в диапазоне от нанометров до миллиметров. Профилометры применяются в промышленности, материаловедении, микроэлектронике и научных исследованиях для контроля шероховатости, плоскостности, волнистости и геометрических параметров деталей и покрытий.
¶Принцип работы
Профилометры делятся на две большие группы по способу получения данных о профиле:
¶Контактные (тактильные) профилометры
В контактных приборах измерение выполняется алмазной иглой (стилусом) радиусом обычно 2–10 мкм, которая скользит по поверхности. Вертикальные перемещения иглы преобразуются в электрический сигнал (через пьезоэлектрические, индуктивные или оптические преобразователи) и регистрируются с последующей обработкой. Давление на поверхность составляет доли грамма, что позволяет измерять мягкие и тонкие плёнки, однако при этом существует риск микроповреждения образца.
Контактные профилометры исторически являются первым типом此类 приборов: механические профилографы и профилометры, разработанные в СССР в 1950–1960-х годах (приборы серии 2Н, «Талыфот» и др.), широко использовались на машиностроительных предприятиях для контроля шероховатости обработанных поверхностей.
¶Бесконтактные профилометры
Бесконтактные методы исключают физическое соприкосновение с образцом:
- Оптические (интерференционные) профилометры — основаны на интерференции света; типичная точность достигает долей нанометра.
- Лазерные сканирующие профилометры — используют триангуляцию или конфокальную микроскопию.
- Атомно-силовые микроскопы (АСМ) — фактически разновидность профилометров наноразмерного диапазона, сканирующие поверхность кантилевером с остриём.
- Черновые (white-light) интерферометры — позволяют получать трёхмерные карты рельефа за одно сканирование.
¶Основные характеристики
| Параметр | Типичные значения |
|---|---|
| Диапазон вертикальных измерений | от 0,1 нм до 1–2 мм |
| Разрешение по вертикали | 0,01–100 нм |
| Длина трассы (развёртки) | 1–100 мм |
| Скорость сканирования | 0,1–10 мм/с |
| Радиус стилуса (контактные) | 2–10 мкм |
| Сила прижатия | 0,1–50 мг |
¶Обрабатываемые параметры
По результатам профилометрии вычисляются стандартные параметры шероховатости и формы поверхности, регламентированные ГОСТ 2789-73 (ISO 4287) и рядом международных стандартов:
- Ra — среднее арифметическое отклонение профиля;
- Rz — сумма средних высот пяти наибольших неровностей;
- Rq — среднеквадратичное отклонение;
- Rmax — наибольшая высота неровности;
- S — средний шаг неровностей;
- параметры плоскостности и волнистости (отклонения от номинальной геометрии).
¶Применение
Профилометры используются в следующих областях:
- Машиностроение — контроль шероховатости обработанных поверхностей, износостойкости покрытий, геометрии резьб и посадочных поверхностей.
- Микроэлектроника и оптика — измерение толщины плёнок, шероховатости подложек, качества шлифовки и полировки кремниевых пластин.
- Материаловедение — исследование деформационных слоёв после обработки, оценка адгезии покрытий.
- Биомедицина — характеризация поверхности имплантатов.
- 3D-печать и аддитивные технологии — контроль качества слоёв и шероховатости напечатанных деталей.
¶Профилометры в России
В СССР и России разработкой и производством профилометров занимались предприятия приборостроения, в частности НПО «Электроника» (Новгород), заводы измерительных приборов. Наиболее известные отечественные модели — профилометры-профилографы марки 2Н, «Суртроник», а также оптические интерферометры для лабораторного использования. В настоящее время на российском рынке присутствуют как отечественные приборы, так и зарубежные аналоги (Taylor Hobson, Mitutoyo, Bruker, KLA-Tencor), при этом в рамках импортозамещения развивается производство отечественных аналогов.
¶Отличие от смежных приборов
Следует различать профилометр и профилограф: профилограф записывает профиль поверхности (аналоговая или цифровая кривая), а профилометр измеряет количественные параметры шероховатости. В современных цифровых приборах эти функции, как правило, объединены в одном устройстве. Руководство по эксплуатации профилометра, как правило, требует калибровки по эталонным образцам шероховатости перед каждым циклом измерений.
Источники:
- ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Основные термины и определения.
- ISO 4287:1997. Geometrical Product Specifications (GPS) — Surface texture: Profile method.
- Кочнев Ф. В. «Микрогеометрия поверхностей деталей машин». — М.: Машиностроение.
- Данильян В. С. «Контроль шероховатости поверхностей». — М.: Издательство стандартов.