中国自动化测量市场从2009年以来，受以苹果生产链为代表，及其他3C制造生产链的影响，开始逐步大批量使用光学位移传感器做质量检测，这种使用方式更多的是一种高精度的定性判断，判断产品是否在公差带之内。起初，一台测量设备就是单一测量某一种样品，这样可以通过大量的数据验证找到数据相关性关系，再加上一定的各种补偿值，即可实现稳定的质量检测目的。这种要求更多的是看传感器及其整套测量设备的重复性，对绝对精度和分辨率没有过高的要求。
但是现在随着自动化测量更大面积推广，更多时候是一台测量设备随机测量各种样品，每次测量前通过人为二次标定实现测量精度就完全不现实了。在2.5次元、三坐标等测量设备上装载光谱共焦传感器需要实现的是绝对精度的测量，对精度和分辨率的要求就要更高了。而不单单是看重复测量精度。
光谱共焦传感器最突出的特点就是超高的精度和超高的分辨率。
怎么用一种简单的办法，验证一台光谱共焦传感器的精度和分辨率呢？
验证指标
精度、分辨率、重复性
验证工具：“标准台阶块”、“平面平晶” 和“V型铁”
01
精度
注：专业验证位移传感器精度的方式是一端用干涉仪，一端用位移传感器，中间放测量目标物（一般是平面平晶或者全放射平面镜），通过测量比对干涉仪和位移传感器的测量值，评价位移传感器的线性精度。这种方式只能是在有高精度干涉仪和高精度运动台的第三方机构才可以实现。而用户一般都是将传感器加载到设备上，此种精度验证方式不方便在使用现场实现。
我们推荐一种更简单的方式，就是采用标准台阶验证光谱共焦传感器的测量精度。这种方式简单，容易在使用现场实现，但是其中有一个最最关键的问题是需要有具备这种理想条件的台阶。我们称这种理想的高精度台阶为“阶规”。
“阶规”需要具备的性能：
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平面度，每个台阶面必须具备超高的平面度，否则选取不同位置测量时就会有差异变化，无从评估传感器的精度（THINKFOCUS阶规平面度≤10nm）；
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平行度，两个台阶面必须具备超高的平行度，否则选取不同位置测量时就会有差异变化，无从评估传感器的精度（THINKFOCUS阶规平行度≤10nm）；
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精度，保证平面度和平行度的前提下还要有绝对精度的保证，比如10um标准台阶，不能做出来个13um台阶（THINKFOCUS阶规高度精度≤10nm）。
注：有些用户可能会使用两块量块叠加到一起做精度验证测量，这个是完全不可行的一个办法。量块自身平面度不佳，尤其是两块量块手工摆到一起的平行度完全无从谈起，量块一般厚度精度标称也就是1um（而且整个面内的厚度并非完全一致），所以无法评估测量精度远远高于1um的光谱共焦传感器。
型号：CDS-500/OP5-Fe
中国计量科学研究院精度验证数据。
型号：CDS-500/OP4-Fe
上海交通大学精度验证数据。
精度验证
使用THINKFOCUS高精度阶规，将光谱共焦测头加载到测量设备上，让光谱共焦测头对阶规做（X或Y方向）相对扫描运动，实时获取光谱共焦的测量值。建议获取的是整条扫描轴上一列的测量值，可以将此列测量值做二乘法拟合校平处理，以便消除测头和阶规因为摆放角度而带来的误差影响。
THINKFOCUS光谱共焦测量精度验证结果
中国计量科学研究院对THINKFOCUS阶规的计量结果—— 中心区实测值小于10nm。
02
分辨率
分辨率是指传感器在量程范围内能够检测出的被测量对象最小变化量。分辨率也是评价光谱共焦传感器最基础、最简单的一个部分。因为用户经常会直接看整套设备测量的整体重复性，所以把分辨率有一定忽略。
评价光谱共焦传感器分辨率最简单的办法就是看传感器及被测物均静止不动时，传感器的示值波动。
请注意！以日系厂家为代表，很多厂家在分辨率上都有严重作弊。在看传感器参数表时候一定注意看其下面的小字标注。很多厂家分辨率的参数是在2048次甚至16384次平均的前提下给出的，实际使用中根本无法接受如此高的平均计算后输出结果数据（例如用1khz采样频率计算，16384次平均就是1.6384s中的测量数据平均，然后才可以输出一次测量值）。自动化测量都是在高速运动中测量，过高的移动平均会将被测样品实际形貌完全过滤掉。THINKFOCUS光谱共焦传感器在出厂标定和绝大多数使用场合均是采用无平均化处理。
分辨率验证
注：分辨率的验证看似简单，但是一定要注意避免一个大问题，就是结构的振动或者变形。很多自动化测量设备都是采用机械连接结构，并且还是多级多轴的连接，如果在这种结构上去验证分辨率，监测一定时长（比如5分钟甚至更长时间）就会看到传感器的数值在短时间内存在跳动，并且在长时间看存在一个类似漂移值。这种问题存在两种可能，一种可能是传感器自身的确是分辨率比较差，并且存在明显的温漂现象；还一种可能是以上现象是因为机械结构自身稳定性导致，不是传感器的问题。
V型铁
为了剔除机械结构对传感器测量数据验证的影响，我们建议将光谱共焦测头和平面平晶，平放到V型铁上（如上图）。靠自身重力摆放，没有外力影响。这样是既容易，又最简单的剔除机械结构影响的办法。使用平面平晶是因为第一光谱共焦的出厂标定一般都是用平面平晶，第二平面平晶也是圆柱形，方便跟共焦测头一起摆放到V形铁上。如果必须悬挂放置，请务必减少连接层级，使用稳固的方钢或者大理石构件（如下视频所示）。
03
重复性
重复性是业内经常会去评价的一个指标，这里不做赘述，一般都是放置实际测量样品，运行设备和软件，10次-30次看测量结果的重复性。
重复性验证
CLS-3000测量油墨的重复性视频
原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：如何验证光谱共焦传感器的精度丨科普篇
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