भूतल मेट्रोलॉजी

सरफेस मैट्रोलोजी सतहों पर छोटे पैमाने की विशेषताओं का माप है, और मेट्रोलॉजी की एक शाखा है। सरफेस प्राथमिक रूप , सरफेस भग्न आयाम, और सतह खत्म (सतह खुरदरापन सहित) क्षेत्र से सबसे अधिक जुड़े हुए पैरामीटर हैं। यह कई विषयों के लिए महत्वपूर्ण है और ज्यादातर त्रुटिहीन भागों और असेंबली के मशीनिंग के लिए जाना जाता है जिसमें संभोग सतहें होती हैं या जिन्हें उच्च आंतरिक दबावों के साथ काम करना चाहिए।

भूतल फिनिश को दो विधियों से मापा जा सकता है: संपर्क और गैर-संपर्क विधियां। संपर्क विधियों में मापन लेखनी को सतह पर खींचना सम्मलित है; इन उपकरणों को प्रोफिलोमीटर कहा जाता है। गैर-संपर्क विधियों में सम्मलित हैं: इंटरफेरोमेट्री, डिजिटल होलोग्राफिक माइक्रोस्कोपी, संनाभि माइक्रोस्कोपी, फोकस भिन्नता, संरचित प्रकाश, विद्युत समाई, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, photogrammetry और गैर-संपर्क प्रोफिलोमीटर।

सिंहावलोकन

डायमंड स्टाइलस प्रोफिलोमीटर का उपयोग करना सबसे आम विधि ा है। स्टाइलस को सतह की परत के लंबवत चलाया जाता है।जांच अतिरिक्त एक सपाट सतह पर या एक बेलनाकार सतह के चारों ओर एक गोलाकार चाप में सीधी रेखा के साथ होती है। जिस पथ की लंबाई का पता लगाता है उसे माप लंबाई कहा जाता है। डेटा का विश्लेषण करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सबसे कम आवृत्ति फ़िल्टर की तरंग दैर्ध्य को अतिरिक्त नमूना लंबाई के रूप में परिभाषित किया जाता है। अधिकांश मानक अनुशंसा करते हैं कि माप की लंबाई नमूना लंबाई से कम से कम सात गुना अधिक होनी चाहिए, और निक्विस्ट-शैनन नमूनाकरण प्रमेय के अनुसार यह रोचक विशेषताओं के तरंग दैर्ध्य से कम से कम दो गुना अधिक होना चाहिए। मूल्यांकन की लंबाई या मूल्यांकन की लंबाई डेटा की लंबाई है जिसका उपयोग विश्लेषण के लिए किया जाएगा। माप लंबाई के प्रत्येक छोर से अतिरिक्त एक नमूना लंबाई को हटा दिया जाता है। सतह पर एक 2डी क्षेत्र पर स्कैन करके एक प्रोफिलोमीटर के साथ 3डी मापन किया जा सकता है।

एक प्रोफिलोमीटर का नुकसान यह है कि जब सतह की विशेषताओं का आकार स्टाइलस के समान आकार के करीब होता है तो यह त्रुटिहीन नहीं होता है। एक और नुकसान यह है कि प्रोफिलोमीटर को सतह के खुरदरेपन के समान सामान्य आकार की खामियों का पता लगाने में कठिनाई होती है। गैर-संपर्क उपकरणों की भी सीमाएँ हैं। उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल हस्तक्षेप पर भरोसा करने वाले उपकरण ऑपरेटिंग तरंगदैर्ध्य के कुछ अंश से कम सुविधाओं को हल नहीं कर सकते हैं। यह सीमा सामान्य वस्तुओं पर भी खुरदुरेपन को त्रुटिहीन रूप से मापना कठिन बना सकती है, क्योंकि रोचक विशेषताएं प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से बहुत अधिक नीचे हो सकती हैं। लाल प्रकाश की तरंग दैर्ध्य लगभग 650 एनएम है, जबकि औसत खुरदरापन, (आर_a) ग्राउंड शाफ्ट का 200 एनएम हो सकता है।

विश्लेषण का पहला चरण बहुत उच्च आवृत्ति डेटा (जिसे सूक्ष्म खुरदरापन कहा जाता है) को हटाने के लिए कच्चे डेटा को फ़िल्टर करना है क्योंकि इसे अधिकांशतः सतह पर कंपन या मलबे के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। किसी दिए गए कट-ऑफ थ्रेशोल्ड पर माइक्रो-रफनेस को फ़िल्टर करना भी अलग-अलग स्टाइलस बॉल रेडियस वाले प्रोफिलोमीटर का उपयोग करके किए गए खुरदरेपन के आकलन को करीब लाने की अनुमति देता है। 2 माइक्रोमीटर और 5 माइक्रोमीटर त्रिज्या। अगला, डेटा को खुरदरापन, लहरदार और रूप में अलग किया जाता है। यह संदर्भ रेखाओं, लिफाफा विधियों, डिजिटल फिल्टर, भग्न या अन्य तकनीकों का उपयोग करके पूरा किया जा सकता है। अंत में, डेटा को एक या एक से अधिक खुरदरापन मापदंडों या एक ग्राफ का उपयोग करके संक्षेपित किया जाता है। अतीत में, सतह खत्म का अतिरिक्त हाथ से विश्लेषण किया जाता था। रफनेस ट्रेस को ग्राफ पेपर पर प्लॉट किया जाएगा, और एक अनुभवी मशीनर ने तय किया कि किस डेटा को अनदेखा करना है और मीन लाइन को कहां रखना है। आज, मापा गया डेटा एक कंप्यूटर पर संग्रहीत किया जाता है, और सिग्नल विश्लेषण और सांख्यिकी के विधियों का उपयोग करके विश्लेषण किया जाता है।

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  सतह खत्म विश्लेषण पर विभिन्न रूप हटाने की तकनीक का प्रभाव

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  प्लॉट दिखा रहा है कि फ़िल्टर कटऑफ़ आवृत्ति कैसे लहराती और खुरदरापन के बीच अलगाव को प्रभावित करती है

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  चित्रण दिखाता है कि कैसे एक सतह खत्म ट्रेस से कच्ची प्रोफ़ाइल एक प्राथमिक प्रोफ़ाइल, रूप, लहराती और खुरदरापन में विघटित हो जाती है

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  लहराती और खुरदरापन में सतह खत्म ट्रेस को अलग करने के लिए अलग-अलग फिल्टर का उपयोग करने के प्रभाव को दर्शाने वाला चित्रण

उपकरण

See also: Profilometer

For a full list of standardized instruments, see ISO 25178 § Instruments.

संपर्क (स्पर्श माप)

स्टाइलस-आधारित संपर्क उपकरणों के निम्नलिखित लाभ हैं:

• प्रणाली बहुत ही सरल और मौलिक खुरदरापन, लहरदारपन या प्रपत्र माप के लिए पर्याप्त है जिसके लिए केवल 2डी प्रोफाइल की आवश्यकता होती है (उदाहरण के लिए रा मान की गणना)।
• प्रणाली कभी भी नमूने के ऑप्टिकल गुणों (जैसे अत्यधिक परावर्तक, पारदर्शी, सूक्ष्म-संरचित) से आकर्षित नहीं होती है।
• स्टाइलस अपनी औद्योगिक प्रक्रिया के दौरान कई धातु घटकों को कवर करने वाली तेल फिल्म की उपेक्षा करता है।

टेक्नोलॉजीज:

• कॉन्टैक्ट प्रोफिलोमीटर - पारंपरिक रूप से डायमंड स्टाइलस का उपयोग करते हैं और ग्रामोफ़ोन की तरह काम करते हैं।
• परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी को कभी-कभी परमाणु पैमाने पर संचालित संपर्क प्रोफाइलर भी माना जाता है।

गैर-संपर्क (ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप)

ऑप्टिकल मापन यंत्रों के स्पर्शीय उपकरणों की तुलना में कुछ लाभ इस प्रकार हैं:

• सतह का कोई स्पर्श नहीं (नमूना क्षतिग्रस्त नहीं हो सकता)
• माप की गति अतिरिक्त बहुत अधिक होती है (एक लाख 3D बिंदुओं को एक सेकंड में मापा जा सकता है)
• उनमें से कुछ वास्तव में डेटा के एकल अंशों केअतिरिक्त 3डी सतह स्थलाकृति के लिए बनाए गए हैं
• वे कांच या प्लास्टिक की फिल्म जैसे पारदर्शी माध्यम से सतहों को माप सकते हैं
• गैर-संपर्क माप कभी-कभी एकमात्र समाधान हो सकता है जब मापने के लिए घटक बहुत नरम होता है (जैसे प्रदूषण जमा) या बहुत कठोर (जैसे अपघर्षक कागज)।

कार्यक्षेत्र स्कैनिंग:

• जुटना स्कैनिंग इंटरफेरोमेट्री
• संनाभि माइक्रोस्कोपी
• फोकस भिन्नता
• कंफोकल रंगीन विपथन

क्षैतिज स्कैनिंग:

• स्कैनिंग लेजर माइक्रोस्कोप (SLM)
• संरचित-प्रकाश 3डी स्कैनर | स्ट्रक्चर्ड-लाइट स्कैनिंग

गैर स्कैनिंग

• डिजिटल होलोग्राफिक माइक्रोस्कोपी

सही माप उपकरण का चुनाव

चूंकि प्रत्येक उपकरण के फायदे और नुकसान होते हैं, ऑपरेटर को माप आवेदन के आधार पर सही उपकरण चुनना चाहिए। निम्नलिखित में मुख्य तकनीकों के कुछ फायदे और नुकसान सूचीबद्ध हैं:

• इंटरफेरोमेट्री: इस पद्धति में किसी भी ऑप्टिकल तकनीक का उच्चतम ऊर्ध्वाधर रिज़ॉल्यूशन है और कन्फ़ोकल को छोड़कर अधिकांश अन्य ऑप्टिकल तकनीकों के बराबर पार्श्व रिज़ॉल्यूशन है जिसमें बेहतर पार्श्व रिज़ॉल्यूशन है। उपकरण उच्च ऊर्ध्वाधर दोहराव के साथ फेज शिफ्टिंग इंटरफेरोमेट्री (पीएसआई) का उपयोग करके बहुत चिकनी सतहों को माप सकते हैं; ऐसी प्रणालियों को बड़े भागों (300 मिमी तक) या माइक्रोस्कोप-आधारित मापने के लिए समर्पित किया जा सकता है। वे मशीनी धातु, फोम, कागज और अन्य सहित खड़ी या खुरदरी सतहों को मापने के लिए एक सफेद-प्रकाश स्रोत के साथ जुटना स्कैनिंग इंटरफेरोमेट्री (सीएसआई) का उपयोग कर सकते हैं। जैसा कि सभी ऑप्टिकल तकनीकों के साथ होता है, इस उपकरण के नमूने के साथ प्रकाश की बातचीत पूरी तरह से समझ में नहीं आती है। इसका मतलब है कि माप त्रुटियां विशेष रूप से खुरदरापन माप के लिए हो सकती हैं।
• डिजिटल होलोग्राफी: यह विधि इंटरफेरोमेट्री के समान रिज़ॉल्यूशन के साथ 3डी स्थलाकृति प्रदान करती है। इसके अतिरिक्त , जैसा कि यह एक गैर-स्कैनिंग तकनीक है, यह चलती नमूनों, विकृत सतहों, एमईएमएस गतिशीलता, रासायनिक प्रतिक्रियाओं, नमूनों पर चुंबकीय या विद्युत क्षेत्र के प्रभाव और विशेष रूप से कंपन की उपस्थिति की माप के मापन के लिए आदर्श है। गुणवत्ता नियंत्रण।:
• फोकस भिन्नता: यह विधि रंग की जानकारी देती है, खड़ी किनारों पर माप कर सकती है और बहुत खुरदरी सतहों पर माप सकती है। नुकसान यह है कि यह विधि सतहों पर एक सिलिकॉन वेफर की तरह बहुत चिकनी सतह खुरदरापन के साथ नहीं माप सकती है। मुख्य अनुप्रयोग धातु (मशीन भागों और उपकरण), प्लास्टिक या कागज के नमूने हैं।
• कॉन्फोकल माइक्रोस्कोपी: इस विधि में एक पिन होल के उपयोग के कारण उच्च पार्श्व विभेदन का लाभ है, लेकिन इसका नुकसान यह है कि यह खड़ी पार्श्वों पर माप नहीं कर सकता है। साथ ही, बड़े क्षेत्रों को देखते समय यह जल्दी से लंबवत रिज़ॉल्यूशन खो देता है क्योंकि लंबवत संवेदनशीलता उपयोग में माइक्रोस्कोप उद्देश्य पर निर्भर करती है।
• कन्फोकल क्रोमैटिक विपथन: इस विधि में ऊर्ध्वाधर स्कैन के बिना कुछ ऊंचाई श्रेणियों को मापने का लाभ है, आसानी से बहुत खुरदरी सतहों को माप सकता है, और एकल एनएम सीमा तक चिकनी सतहों को माप सकता है। तथ्य यह है कि इन सेंसरों में कोई हिलने वाला भाग नहीं है जो बहुत उच्च स्कैन गति की अनुमति देता है और उन्हें बहुत दोहराने योग्य बनाता है। उच्च संख्यात्मक एपर्चर वाले कॉन्फ़िगरेशन अपेक्षाकृत खड़ी किनारों पर माप सकते हैं। एक ही या अलग-अलग माप रेंज के साथ कई सेंसर का एक साथ उपयोग किया जा सकता है, जिससे डिफरेंशियल मेजरमेंट एप्रोच (टीटीवी) की अनुमति मिलती है या सिस्टम के उपयोग के स्थिति का विस्तार होता है।
• संपर्क प्रोफिलोमीटर: यह विधि सबसे आम सतह माप तकनीक है। लाभ यह है कि यह एक सस्ता उपकरण है और चयनित स्टाइलस टिप त्रिज्या के आधार पर ऑप्टिकल तकनीकों की तुलना में उच्च पार्श्व रिज़ॉल्यूशन है। नई प्रणालियां 2डी निशानों के अतिरिक्त 3डी माप भी कर सकती हैं और फॉर्म और महत्वपूर्ण आयामों के साथ-साथ खुरदुरेपन को भी माप सकती हैं। चूंकि , नुकसान यह है कि स्टाइलस टिप को सतह के भौतिक संपर्क में होना चाहिए, जो सतह और/या स्टाइलस को बदल सकता है और संदूषण का कारण बन सकता है। इसके अतिरिक्त , यांत्रिक संपर्क के कारण, स्कैन की गति ऑप्टिकल विधियों की तुलना में बहुत अधिक धीमी होती है। स्टायलस शैंक कोण के कारण, स्टायलस प्रोफिलोमीटर एक बढ़ती हुई संरचना के किनारे तक नहीं माप सकते हैं, जिससे एक छाया या अपरिभाषित क्षेत्र बनता है, जो अतिरिक्त ऑप्टिकल सिस्टम के लिए सामान्य से बहुत बड़ा होता है।

संकल्प

वांछित माप का पैमाना यह तय करने में मदद करेगा कि किस प्रकार के माइक्रोस्कोप का उपयोग किया जाएगा।

3डी मापन के लिए, जांच को सतह पर 2डी क्षेत्र पर स्कैन करने का आदेश दिया जाता है। डेटा बिंदुओं के बीच की दूरी दोनों दिशाओं में समान नहीं हो सकती है।

कुछ स्थितियों में, मापने के उपकरण की भौतिकी डेटा पर बड़ा प्रभाव डाल सकती है। बहुत चिकनी सतहों को मापते समय यह विशेष रूप से सच है। संपर्क मापन के लिए, सबसे स्पष्ट समस्या यह है कि स्टाइलस मापी गई सतह को खरोंच सकता है। एक और समस्या यह है कि लेखनी गहरी घाटियों की तली तक पहुँचने के लिए बहुत कुंद हो सकती है और यह तेज चोटियों की युक्तियों को गोल कर सकती है। इस स्थिति में जांच एक भौतिक फ़िल्टर है जो उपकरण की त्रुटिहीन ता को सीमित करता है।

खुरदरापन पैरामीटर

Main article: Surface roughness § Parameterization

वास्तविक सतह ज्यामिति इतनी जटिल है कि मापदंडों की एक सीमित संख्या पूर्ण विवरण प्रदान नहीं कर सकती है। यदि उपयोग किए गए मापदंडों की संख्या बढ़ जाती है, तो अधिक त्रुटिहीन विवरण प्राप्त किया जा सकता है। यह सतही मूल्यांकन के लिए नए मापदंडों को पेश करने के कारणों में से एक है। सतह खुरदरापन मापदंडों को अतिरिक्त इसकी कार्यक्षमता के अनुसार तीन समूहों में वर्गीकृत किया जाता है। इन समूहों को आयाम पैरामीटर, स्पेसिंग पैरामीटर और हाइब्रिड पैरामीटर के रूप में परिभाषित किया गया है।

प्रोफ़ाइल खुरदरापन पैरामीटर

सतहों का वर्णन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले पैरामीटर मोटे तौर पर सतह की ऊंचाई के कई नमूनों से प्राप्त सांख्यिकी संकेतक हैं। कुछ उदाहरणों में सम्मलित हैं:

Table of useful surface metrics

Parameter	Name	Description	Type	Formula
Ra, Raa, Ryni	arithmetic average of absolute values	Mean of the absolute values of the profile heights measured from a mean line averaged over the profile	Amplitude	$R_{a}={\frac {1}{n}}\sum _{i=1}^{n}\left|y_{i}\right|$
Rq, RRMS	root mean squared		Amplitude	$R_{q}={\sqrt {{\frac {1}{n}}\sum _{i=1}^{n}y_{i}^{2}}}$
Rv	maximum valley depth	Maximum depth of the profile below the mean line with the sampling length	Amplitude	$R_{v}=\min _{i}y_{i}$
Rp	maximum peak height	Maximum height of the profile above the mean line within the sampling length	Amplitude	$R_{p}=\max _{i}y_{i}$
Rt	Maximum Height of the Profile	Maximum peak to valley height of the profile in the assessment length	Amplitude	$R_{t}=R_{p}-R_{v}$
Rsk	Skewness	Symmetry of the profile about the mean line	Amplitude	$R_{sk}={\frac {1}{nR_{q}^{3}}}\sum _{i=1}^{n}y_{i}^{3}$
Rku	Kurtosis	Measure of the sharpness of the surface profile	Hybrid	$R_{ku}={\frac {1}{nR_{q}^{4}}}\sum _{i=1}^{n}y_{i}^{4}$
RSm	Mean Peak Spacing	Mean Spacing between peaks at the mean line	Spatial	$RS_{m}={\frac {1}{n}}\sum _{i=1}^{n}S_{i}$

यह ASME B46.1 जैसे मानकों में वर्णित उपलब्ध मापदंडों का एक छोटा सा उपसमुच्चय है और आईएसओ 4287। इनमें से अधिकांश पैरामीटर प्रोफिलोमीटर और अन्य यांत्रिक जांच प्रणालियों की क्षमताओं से उत्पन्न हुए हैं। इसके अतिरिक्त , सतह के आयामों के नए उपाय विकसित किए गए हैं जो उच्च-परिभाषा ऑप्टिकल गेजिंग प्रौद्योगिकियों द्वारा संभव किए गए मापों से अधिक सीधे संबंधित हैं।

ImageJ के लिए SurfCharJ प्लगइन [1] का उपयोग करके इनमें से अधिकांश मापदंडों का अनुमान लगाया जा सकता है।

क्षेत्र सतह पैरामीटर

सतह खुरदरापन की गणना एक क्षेत्र पर भी की जा सकती है। इससे एस_a आर केअतिरिक्त _a मान। ISO 25178 श्रृंखला इन सभी खुरदुरेपन मूल्यों का विस्तार से वर्णन करती है। प्रोफ़ाइल मापदंडों पर लाभ हैं:

• अधिक महत्वपूर्ण मूल्य
• संभव वास्तविक कार्य से अधिक संबंध
• वास्तविक उपकरणों के साथ तेज माप संभव (ऑप्टिकल क्षेत्र आधारित उपकरण एक एस को माप सकते हैं_a उच्च गति में फिर R_a.

सतहों में भग्न गुण होते हैं, बहु-स्तरीय माप भी किए जा सकते हैं जैसे कि लंबाई-पैमाने पर भग्न विश्लेषण या क्षेत्र-स्तर भग्न विश्लेषण।

फ़िल्टरिंग

Further information: ISO 16610: Geometrical product specifications (GPS) – Filtration

सतह की विशेषता प्राप्त करने के लिए लगभग सभी माप फ़िल्टरिंग के अधीन हैं। खुरदरापन, लहरदारपन और प्रपत्र त्रुटि जैसी सतह विशेषताओं को निर्दिष्ट करने और नियंत्रित करने की बात आती है तो यह सबसे महत्वपूर्ण विषयों में से एक है। सतह के विचलन के इन घटकों को सतह आपूर्तिकर्ता और सतह प्राप्तकर्ता के बीच प्रश्न में सतह की अपेक्षित विशेषताओं के बारे में स्पष्ट समझ प्राप्त करने के लिए माप में अलग-अलग अलग होना चाहिए। अतिरिक्त , या तो डिजिटल या एनालॉग फिल्टर का उपयोग माप से उत्पन्न होने वाली त्रुटि, लहराती और खुरदरापन को अलग करने के लिए किया जाता है। मुख्य बहु-स्तरीय फ़िल्टरिंग विधियाँ गॉसियन फ़िल्टरिंग, वेवलेट ट्रांसफ़ॉर्म और हाल ही में असतत मोडल अपघटन हैं। इन फ़िल्टरों की तीन विशेषताएँ हैं जिन्हें एक उपकरण द्वारा गणना किए जा सकने वाले पैरामीटर मानों को समझने के लिए जाना जाना चाहिए। ये स्थानिक तरंगदैर्घ्य हैं जिस पर एक फिल्टर खुरदरापन से खुरदरापन या लहरदारपन को प्रपत्र त्रुटि से अलग करता है, एक फिल्टर की तीक्ष्णता या फिल्टर कितनी सफाई से सतह के विचलन के दो घटकों को अलग करता है और एक फिल्टर की विकृति या फिल्टर एक स्थानिक को कितना बदल देता है पृथक्करण प्रक्रिया में तरंग दैर्ध्य घटक।

यह भी देखें

• Profilometer
• Range imaging

बाहरी संबंध

• Surface Metrology Guide