Le molle pendolari di quarzo sono componenti essenziali nei accelerometri piezoresistivi a bassa deformazione ad alta precisione. Questi accelerometri sono ampiamente utilizzati nell’industria aerospaziale, nell’aviazione, nella navigazione e anche in applicazioni civili come il monitoraggio sismico e la perforazione petrolifera. Per garantire le loro prestazioni, in particolare nei sistemi di navigazione, è fondamentale misurare con elevata precisione lo spessore di queste molle di quarzo.
I tradizionali metodi di misurazione dello spessore a contatto—come micrometri o sensori induttivi—possono facilmente danneggiare le delicate molle, sono lenti e forniscono risultati incoerenti. Per risolvere questi problemi, i ricercatori hanno proposto un metodo di misurazione senza contatto che utilizza un sensore cromatico-confocale per ottenere risultati più rapidi, sicuri e precisi.
Perché le molle di quarzo necessitano di misurazioni precise
Le molle pendolari di quarzo svolgono un ruolo fondamentale nella rilevazione delle accelerazioni in vari strumenti avanzati. Lo spessore della molla influisce direttamente sulla sensibilità e sull’accuratezza dell’accelerometro. Tuttavia, i metodi manuali e basati sul contatto attualmente in uso:
Hanno una bassa precisione
Possono danneggiare il componente
Sono lenti e richiedono molta manodopera
Portano a una minore resa produttiva
Per superare queste sfide, è stato introdotto un metodo ottico senza contatto con un sensore cromatico-confocale.
Come funzionano i sensori cromatico-confocali
I sensori cromatico-confocali utilizzano luce bianca come fonte e possono focalizzare diverse lunghezze d’onda a diverse distanze. Ecco come funziona il sistema:
La luce viene separata nelle diverse lunghezze d’onda e focalizzata sulla superficie di un oggetto trasparente.
Ogni lunghezza d’onda corrisponde a una posizione specifica nello spazio.
Quando la luce si riflette dalla superficie dell’oggetto, il sistema rileva la lunghezza d’onda della luce riflessa per calcolare la posizione esatta.
Per oggetti trasparenti come le molle di quarzo, il sistema cattura due riflessioni—una dalla superficie superiore e una dalla parte inferiore.
La distanza tra queste due riflessioni fornisce lo spessore dell’oggetto.
Questa tecnica consente misurazioni senza contatto di alta precisione, anche per materiali trasparenti o stratificati come il vetro e il quarzo.
Impostazione della misurazione
Nel sistema di misurazione:
La molla di quarzo è fissata su una piattaforma stabile.
Il sensore cromatico-confocale è posizionato direttamente sopra la molla, perpendicolarmente alla sua superficie.
Il sensore cattura i segnali riflessi sia dalla superficie superiore che inferiore.
Il sistema calcola la distanza tra le due superfici per determinare lo spessore.
Questa impostazione elimina il contatto fisico e minimizza il rischio di danneggiare il campione.
Analisi dell'incertezza della misurazione
Per garantire misurazioni affidabili, il team ha analizzato le possibili incertezze:
Accuratezza del sensore
Risoluzione: 50 nm
Accuratezza: ±300 nm
→ Incertezza della misurazione: ±0,17 μmErrore di posizionamento (Inclinazione della molla)
Causato da lievi inclinazioni durante il posizionamento
Inclinazione massima: 1,3°
→ Incertezza della misurazione: ±0,12 μmProprietà del materiale
Variazioni nell’indice di rifrazione e nella rugosità della superficie
→ Incertezza stimata dall’indice di rifrazione: ±0,8 μm
→ Incertezza stimata dalla rugosità della superficie: ±0,8 μmIncertezza totale combinata
(Calcolata con il metodo della radice della somma dei quadrati)
→ ±1,15 μm
Risultati e conclusioni
Il sistema di misurazione senza contatto è stato testato e si è dimostrato:
Preciso
Ripetibile
Efficiente
Senza danni
I risultati mostrano chiaramente che questo metodo è superiore agli approcci manuali tradizionali, specialmente per applicazioni ad alta precisione nell’industria aerospaziale e della difesa.
Conclusioni:
L’utilizzo dei sensori cromatico-confocali per la misurazione dello spessore delle molle di quarzo migliora significativamente la precisione e l’affidabilità delle misurazioni. Elimina i rischi legati al contatto, riduce l’intensità del lavoro e supporta la produzione di componenti per la navigazione ad alte prestazioni.
