ISO 25178-601：接触式（触针）仪器的设计和特性

1. 接触式触针仪器的设计与特性

ISO 25178-601:2025（第二版）规定了用于面形貌测量的接触式触针仪器的设计、计量特性和标称特性。该标准同时取代了 ISO 25178-601:2010 和 ISO 3274:1996，将轮廓和面域触针仪器要求整合到一个文件中。仪器必须包括探测系统、面域参考导轨、带有x轴和y轴驱动单元的横向扫描系统以及横向位置传感器。对于仅做轮廓测量的仪器，y轴驱动单元为可选配置，面域参考导轨可替换为线性参考导轨。

接触式触针仪器的主要组件包括带有参考导轨的横向扫描系统、探测系统以及用于数学处理的软件。探测系统容纳触针并产生与表面高度变化成比例的电信号。该标准描述了三种基本探测系统设计：利用枢轴和测量力生成的感应式探测系统、使用激光干涉仪进行位置检测的干涉式探测系统以及带有集成线性编码器的标尺式探测系统。每种设计在线性度、迟滞和临界动态特性方面具有不同的特性。

2. 探测系统设计与测量过程

三种基本探测系统设计服务于不同的测量需求。感应式探测系统使用枢轴机构和弹簧加载的测量力生成系统，通过感应传感器检测触针臂的角位移，是最常见的类型，具有中等测量范围内良好的鲁棒性和线性度。干涉式探测系统使用集成在探头中的激光干涉仪测量触针垂直位移，提供更高的分辨率和更好的线性度，适合超精密应用。标尺式探测系统在探头组件中集成微型线性编码器，具有良好的线性度和对环境因素的不敏感性。

测量过程遵循顺序模式：沿x轴获取轮廓、返回起始位置、沿y方向步进并重复。提取的表面包含n条由y采样间隔分隔的轮廓。触针的圆弧运动引入了系统失真，对于小偏转可以忽略，但对于能够测量轮廓的系统必须加以考虑。探测系统的临界动态（vdyn,c）定义了输出信号失真前的最大扫描速度，取决于运动部件的机械惯性和被测表面特性。工程师应将扫描速度优化到此临界阈值以下以确保测量精度。

3. 影响量与工程最佳实践

关键影响量包括：触针尖端几何形状（半径和锥角决定横向分辨率和最大可测量斜率）、探测系统传递函数（影响放大系数和线性度）、面域参考导轨平面度（作为系统误差叠加在测量结果上）、以及横向位置传感器精度（决定x-y映射保真度）。触针尖端与表面之间的赫兹接触压力是另一个关键考量，特别是对于可能发生永久变形的软材料。该标准规定在触针平均位置处的标称静态测量力为0.00075 N，标称变化率为0 N/m。

该标准将传统的 ISO 3274 概念替换为 ISO 25178-600 中的计量特性框架。”探头线性偏差”等术语被放大系数、线性偏差和形貌保真度等广义概念所取代。这种统一确保触针仪器的性能可以在相同的计量基础上与光学仪器直接比较。实际工程应用中，60度锥角和2微米半径的金刚石探头尖端是默认配置。较大的锥角和尖端半径提高了耐久性并降低了接触压力，但降低了对精细表面结构的敏感度。测量聚合物或薄膜等软材料时，必须仔细评估接触压力以避免表面损伤。

4. 常见问题