Cách chọn dụng cụ đo phù hợp với mục đích của bạn
Các phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển, cơ sở kỹ thuật và nhà sản xuất hiện nay đang chịu áp lực ngày càng tăng trong việc thiết kế và sản xuất các bộ phận đáp ứng các thông số kỹ thuật hiệu suất ngày càng nghiêm ngặt và các tiêu chuẩn hiệu quả về chi phí. Việc có công cụ đo phù hợp có thể giúp hợp lý hóa quá trình phát triển và sản xuất, đồng thời đảm bảo rằng các bộ phận đáp ứng yêu cầu về hiệu suất. Có nhiều công cụ đo hiệu quả hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng đo lường công nghiệp: giao thoa kế, máy đo biên dạng, kính hiển vi đồng tiêu laser, kính hiển vi điện tử quét, thiết bị quang phổ Raman, kính hiển vi soi nổi, thiết bị kiểm tra trực quan từ xa, cùng nhiều thiết bị khác.
Việc lựa chọn thiết bị phù hợp cho một ứng dụng đo nhất định có thể là một thách thức. Bằng cách xem xét câu trả lời cho sáu câu hỏi cốt lõi, các chuyên gia kỹ thuật và nghiên cứu công nghiệp có thể tìm ra công cụ lý tưởng để cung cấp dữ liệu đo lường chính xác, tiết kiệm chi phí nhằm hỗ trợ các mục tiêu nghiên cứu, kỹ thuật và sản xuất của họ. Những câu hỏi này đề cập đến các mẫu được đo cùng với mục tiêu và mục đích của quá trình đo lường. Sau khi xem xét kích thước mẫu và tính năng, đo lường các thách thức, liên hệ, tiêu chuẩn ứng dụng, đầu ra và thông lượng tổng thể, bạn có thể giúp thu hẹp các công cụ phù hợp nhất với ứng dụng của mình. Sau đó, bạn có thể so sánh các tính năng và lợi ích của các công cụ được lựa chọn hàng đầu của mình, xem xét những gì chúng mang lại so với ngân sách của bạn để tìm ra công cụ tốt nhất cho nhu cầu của bạn.
Câu hỏi 1: Kích thước
Mẫu của tôi có kích thước lớn như thế nào? Kích thước các đặc điểm mà tôi đang đo là bao nhiêu?
Ảnh minh họa: Kích thước.
Điều này nghe có vẻ rõ ràng, nhưng bạn sẽ cần một công cụ đo hoàn toàn khác để đo độ cong của toàn bộ cánh máy bay, chẳng hạn như để đo lớp phủ trên một viên thuốc. Đối với các mẫu lớn nhất, hãy xem xét sử dụng các cánh đo có nhiệm vụ đo, thiết bị theo dõi bằng laser, phép đo ảnh hoặc radar laser. Đối với những mẫu nhỏ hơn, kính hiển vi hoặc thiết bị khác có liên quan đến việc đặt mẫu lên dụng cụ để đo ảnh có thể là tốt nhất.
Kích thước của các tính năng bạn đang đo cũng rất quan trọng. Ngay cả những sản phẩm quy mô lớn đôi khi cũng cần được đánh giá vi mô. Ví dụ, các tấm pin mặt trời rất lớn có thể yêu cầu kiểm tra lớp bề mặt ở cấp độ micron để đảm bảo chúng có thể hấp thụ tối đa ánh sáng mặt trời. Nếu những tính năng này không thể được kiểm tra ngoài sản phẩm hoàn thiện ở quy mô lớn thì việc lựa chọn thiết bị của bạn có thể bị hạn chế phần nào.
Câu hỏi 2: Thách thức và hạn chế
Tôi đang muốn đo những tính năng nào, những phép đo nào phải được thực hiện và những trở ngại hoặc vấn đề đặc biệt nào tồn tại liên quan đến việc cố định hoặc đo lường?
Ảnh minh họa: Thách thức và hạn chế.
Mọi ứng dụng đo lường đều có những thách thức và hạn chế riêng. Một số tính năng được đặt ở vị trí xa hoặc khó tiếp cận. Nhiều mẫu rất khó để cố định. Còn một số khác thì có bề mặt mịn, đơn sắc hoặc trong suốt làm cho chúng trở nên khó hình dung. Một số có đặc trưng góc dốc và rãnh sâu nên khó có độ chính xác. Một số bộ phận phải được đo dưới nước; một số khác yêu cầu các thuật toán học phức tạp để định lượng, đo lường chính xác. Vẫn còn những cái khác phải được chụp ảnh bằng cách sử dụng các bước sóng ánh sáng cụ thể. Công cụ bạn chọn phải có khả năng khắc phục những hạn chế và đối mặt những thách thức của ứng dụng cụ thể.
Câu 3: Tiếp xúc.
Dụng cụ đo của tôi có thể tiếp xúc với mẫu của tôi không?
Ảnh minh họa: Tiếp xúc.
Câu trả lời cho vấn đề này sẽ cho bạn biết liệu bạn có thể sử dụng bất kỳ loại dụng cụ đo nào có đầu dò hoặc cơ chế tiếp xúc với mẫu hay không. Nếu có, cánh tay đo tiếp xúc hoặc thiết bị đo tương tự có thể hoạt động ở quy mô lớn hơn và kính hiển vi đầu dò quét hoặc kính hiển vi lực nguyên tử là những lựa chọn để đo bằng kính hiển vi. Tuy nhiên, thông thường, chẳng hạn như trong nhiều ứng dụng sản xuất thiết bị y tế và chất bán dẫn, điều quan trọng là toàn bộ quá trình đo lường phải diễn ra về mặt quang học, không có tiếp xúc vật lý là rất quan trọng.
Câu 4: Tiêu chuẩn, sai số.
Độ chính xác và khả lặp lại của các đo lường của tôi cần phải như thế nào? Phép đo có phải được theo dõi không?
Ảnh minh họa: Tiêu chuẩn, sai số.
Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của việc lựa chọn một công cụ là đảm bảo rằng công cụ đó có thể cung cấp dữ liệu chính xác và đáng tin cậy. Không có tiêu chuẩn duy nhất cho việc này. Trước khi mua một hệ thống, hãy đảm bảo rằng hệ thống đó có thể đáp ứng các tiêu chuẩn về độ chính xác và khả năng lặp lại của bạn, dựa trên các thông số kỹ thuật của ứng dụng của riêng bạn. Quy tắc truyền thống “Rule of Ten” chỉ ra rằng khả năng đo của một thiết bị phải tốt hơn 10 lần so với thông số kỹ thuật của bộ phận chỉ ra. Ngoài độ chính xác và độ lặp lại, còn có các yếu tố khác cần xem xét ở đây, chẳng hạn như độ tuyến tính (độ chính xác trên phạm vi của nó), độ phân giải (mức gần nhất mà hai phần tử có thể ở gần nhau và vẫn có thể phân biệt được thành các phần tử riêng biệt) và độ ổn định (khả năng của một thiết bị duy trì hiệu chuẩn theo thời gian mà không bị thay đổi).
Ví dụ, một ứng dụng kính hiển vi có thể yêu cầu sử dụng kính hiển vi phức hợp, loại kính này có thể cung cấp độ phóng đại và độ phân giải cao hơn nhiều (xấp xỉ ~0,35 micromet) so với kính hiển vi đa chiều. Kính hiển vi phức hợp cũng cung cấp một đường quang duy nhất trực giao với bộ phận. Việc sử dụng kính hiển vi phức hợp mang lại độ chắc chắn cao hơn liên quan đến việc xác định cạnh của phần được đo và loại bỏ các vấn đề thị sai. Ngoài ra, kính hiển vi phức hợp cung cấp độ phóng đại cố định, mỗi độ phóng đại đều có thể được chứng nhận mang lại mức độ chắc chắn đo lường vượt trội.
Ảnh minh họa ví dụ: Xử dụng kính hiển vi phức tạp mang lại kết quả chỉnh xác hơn.
Các giải pháp kỹ thuật số hóa tích hợp tiên tiến hơn sử dụng hình ảnh dải động cao (HDR) để tối ưu hóa độ tương phản. Chúng thu thập một loạt hình ảnh liên tiếp và sau đó chọn hình ảnh có độ tương phản tốt nhất. Các thuật toán hình ảnh như vậy cung cấp hình ảnh có chất lượng, độ tương phản và tính đồng nhất cao hơn, đơn giản hóa việc đo lường và nâng cao tính dễ sử dụng. Ngoài ra, chúng còn mang lại mức độ chính xác cao hơn vì có thể nhìn thấy bề mặt đo được rõ ràng hơn.
Cao cấp hơn so với kính hiển vi kỹ thuật số và kính hiển vi phức hợp thông thường là kính hiển vi của người chế tạo công cụ, kính hiển vi đo lường tiên tiến nhất và có thể theo dõi tốt nhất hiện có. Chúng kết hợp kính hiển vi phức hợp với giá đỡ và bàn đo chính xác, đồng thời được sản xuất để mang lại độ cứng và khả năng chịu nhiệt độ tối đa. Hơn nữa, khung kính hiển vi được sản xuất với dung sai cao để đảm bảo tính trực giao với bàn soi. Trục Z của kính hiển vi chế tạo dụng cụ thường được trang bị bộ mã hóa tuyến tính phù hợp với hệ thống bàn soi để đạt được khả năng đo bằng nhau ở cả ba trục. Bệ kính hiển vi đo lường cung cấp độ phẳng cao nhất trong suốt quá trình di chuyển của nó.
Tất nhiên, không phải mọi ứng dụng đo kính hiển vi đều yêu cầu mức độ hiệu suất như vậy. Bằng cách hiểu chính xác nhu cầu cụ thể của mình, bạn có thể chọn một công cụ đáp ứng các tiêu chuẩn mà không phải trả tiền cho sản lượng vượt xa yêu cầu của bạn.
Truy xuất nguồn gốc là chìa khóa cho nhiều quy định kiểm soát chất lượng. Việc sở hữu thiết bị có thể truy nguyên theo Cơ quan Đảm bảo Chất lượng Nhật Bản (JQA) hoặc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) có thể mang lại mức độ tin cậy cho các phép đo. Ngay cả những hệ thống đo lường cơ bản nhất cũng có thể được mua kèm với các tiêu chuẩn có thể theo dõi được.
Câu 5: Kết quả đầu ra
Điều gì xảy ra sau khi các phép đo đã được thực hiện? Tôi cần tạo ra những loại đầu ra nào?
Ảnh minh họa Kết quả đầu ra: Nên giữ những giá trị cần thiết.
Tất cả các phép đo được thực hiện với ý tưởng ảnh hưởng đến một số kết quả trong tương lai. Cho dù trong kỹ thuật hay sản xuất, kết quả đo lường đều rất quan trọng để định hướng quá trình phát triển tiếp theo, nghiên cứu hoặc xác định xem các sản phẩm được sản xuất có khả thi hay không và liệu các quy trình sản xuất có thể tiếp tục hay không. Hình thức truyền đạt thông tin này là cực kỳ quan trọng. Một số ứng dụng yêu cầu dữ liệu thô được chia sẻ ngay lập tức với người vận hành. Các ứng dụng khác yêu cầu phân tích hình ảnh chuyên sâu hoặc các bước trung gian khác trước khi có thể báo cáo đầu ra. Vẫn còn các ứng dụng khác có thể yêu cầu một vòng lặp phản hồi tự động ảnh hưởng đến các quyết định giữ/ không giữ trong thời gian thực trong quá trình sản xuất.
Báo cáo có thể được tự động hóa hoặc xử lý thủ công và báo cáo có thể được xuất ra ở dạng bản cứng hoặc điện tử, tùy thuộc vào ứng dụng. Một số kết quả đo lường phải được chia sẻ với những người dùng ở xa công cụ, có thể ở phòng khác hoặc thậm chí ở lục địa khác. Trong trường hợp đó, việc truyền thông giữa công cụ thực hiện các đo lường và các công cụ ở xa thông qua giao diện mạng hoặc Internet có thể là một phần quan trọng của quá trình đo lường và quyết định. Một số đầu ra có thể chỉ bao gồm dữ liệu, trong khi đầu ra khác bao gồm các hình ảnh được ghi lại trong quá trình đo lường.
Câu hỏi 6: Khả năng xử lý.
Tôi cần xem xét bao nhiêu mẫu và trong khoảng thời gian nào? Đây có phải là tình huống xử lý thấp, trung bình hay cao?
Ảnh minh họa: Khả năng xử lý của mỗi dụng cụ là khác nhau.
Hãy xem xét xem bạn có đang xem xét từng mẫu một, xem kết quả trước khi chuyển sang mẫu tiếp theo hay xử lý trong số lượng lớn. Yêu cầu xử lý cao hơn có thể đòi hỏi việc tự động hóa quy trình xử lý mẫu hoặc đo lường, và cũng có thể tạo ra yêu cầu phân tích và báo cáo khác nhau cho phần mềm.
Sau đây là ba tình huống ngắn gọn để minh họa việc ra quyết định cho ba thách thức đo lường khác nhau:
• Một công ty sản xuất ống nano cacbon cho nhiều ứng dụng khác nhau như linh kiện điện tử, quang học và thậm chí cả áo bảo hộ. Các thông số kỹ thuật yêu cầu độ phân giải có độ sâu đặc biệt (trục Z), trường nhìn rộng và khả năng chụp ảnh nhiều hình dạng và kích cỡ đặc điểm khác nhau. Phép đo XY cũng được yêu cầu nhưng ở độ phân giải kém chính xác hơn. Ứng dụng này yêu cầu mức thông lượng cao vừa phải. Trong trường hợp này, giao thoa kế có thể là lựa chọn tốt nhất. Điểm mạnh của nhiều giao thoa kế nằm ở khả năng đo trục Z vượt trội. Mặc dù phép đo chiều XY của chúng đôi khi không mạnh bằng nhưng giao thoa kế cung cấp trường quan sát rất rộng, đầu ra tương tự như kính hiển vi và tốc độ thông lượng hợp lý.
• Một công ty sản xuất màng polymer mềm cho cả thiết bị y tế và lĩnh vực quang điện. Công ty yêu cầu phân tích bề mặt của màng để giúp hiểu được sự tuân thủ, hiệu suất và các vấn đề khác. Việc đo một số bề mặt có thể được thực hiện bằng bút cảm ứng, nhưng trong trường hợp này, vì bề mặt mềm nên bút cảm ứng có thể gây hư hỏng. Trong trường hợp này, có thể chọn một dụng cụ đo không tiếp xúc, chẳng hạn như máy đo cấu hình quang học hoặc kính hiển vi đồng tiêu quét laser, tùy thuộc vào cấu trúc bề mặt cũng như các yêu cầu đo lường và phân tích.
• Ví dụ thứ ba có thể là về phân tích dư lượng. Ví dụ bao gồm một nhà cung cấp trong lĩnh vực hóa dầu phải đảm bảo dầu và nhiên liệu không gây ô nhiễm tiếp theo trong ô tô hoặc nhà sản xuất dược phẩm phải mô tả đặc điểm của từng hạt được thu giữ trong bộ lọc trong quá trình sản xuất. Đối với những ứng dụng thường yêu cầu phân tích hình ảnh rộng rãi, kính hiển vi có phần mềm kiểm tra thường là lựa chọn tốt nhất.
Phần kết luận
Việc chọn công cụ phù hợp cho ứng dụng của bạn bao gồm việc xem xét kích thước mẫu, kích thước tính năng, bất kỳ thách thức đo lường đặc biệt nào; liệu quy trình của bạn có thể liên quan đến việc tiếp xúc thực tế với mẫu hay không; thông số kỹ thuật chính xác và chính xác mà ứng dụng của bạn yêu cầu; bạn phải sản xuất ra sản lượng gì; và mức thông lượng của bạn sẽ cao đến mức nào. Sau khi bạn có những câu trả lời này, hãy xem xét sự đa dạng của các dụng cụ đo lường, từ máy đo, kính hiển vi đến hệ thống đo tự động, phù hợp với ngân sách và yêu cầu của bạn. Các yêu cầu về đo lường và kiểm tra cũng đa dạng tùy theo ứng dụng mà chúng được thiết kế và công nghệ đang phát triển nhanh chóng. Hãy dành thời gian để phân tích kỹ lưỡng để xác định hệ thống tốt nhất cho nhu cầu của bạn.
