光纤测量有关微位移测量.docx

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光纤测量有关微位移测量

高精度光学测量微位移技术综述

摘要：

光纤测量技术由于自身具有分辨率高而且测量范围大的优势，使其的应用越来越重要和广泛。

本文综合概述了光纤测量技术的基本原理，以及几种光纤测量的方法及特性和相关的应用。

并于传统的非光学检测进行比较，进而得出光纤测量技术的优势以及未来的发展方向。

关键字：

光纤测量技术；测量方法特性；发展方向；应用

0引言

随着光纤技术理论的不断深化，光纤制造工艺日臻完善，各种类型的光纤元器件逐步商品化，为光纤测试技术的发展奠定了理论基础和物理基础。

由于光纤有良好的传光特性（对光波的损耗目前可低达0.2dB/km），有比微波高6个数量级耳朵宽频带，再加上光纤本身就是一种敏感元件，光在光纤中传输时振幅、相位、偏振态等将随着检测对象的变化而变化。

因此，用光纤制作的传感器与传统的各类传感器相比具有一系列的独特优点，如低损耗、体积小、重量轻、耐腐蚀、成本低等，广泛应用于国防军事、航空航天、计量测试等各种领域。

1光纤测量技术概述

光纤测量技术在计量测试中有广泛的应用，按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量、光杠杆法、光栅尺测量法、光纤位移测量法和激光干涉法等，测量分辨力在几十皮米到几纳米之间。

衍射效应进行位移测量的X射线干涉技术近来年备受关注[1]，其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨率，减小了光学干涉仪的各种非线性误差，但它普遍用于金属研究和材料测试的常规方法。

电学根据原理不同可以分为电容测量、电感测量、扫描探针测量。

其分辨率在零点几到几纳米之间而且范围广泛。

2光学检测

2.1激光三角测量

在激光三角法中，由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上，通过反射最后在检测器上成像。

当物体表面的位置发生改变时，其所成的像在检测器上也发生相应的位移。

通过像移和实际位移之间的关系式,真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。

激光三角法的框图如图1所示。

其中，Α是投影光轴与成像物镜光轴的夹角；Β是光电探测器受光面与成像物镜光轴的夹角，而s和s分别是物距和像距,d是传感器上的成像点的偏移，而∆为实际的物体表面的偏移。

系统的相关参数为：

偏置距离D为从传感器到被测表面参考点的距离；测量范围为最大能检测到的物体表面的偏移，即

的最大值；测量精度，传感器的最小测量单位；分辨率一般指测量的纵向分辨率，为测量精度和测量范围之比；横向分辨率为待测物体表面上所取测量点的最小间距。

图1激光三角法的原理框图

为了实现完美聚焦，光路设计必须满足斯凯普夫拉格条件；成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线，如图1中X点所示。

系统的非线性的输入输出函数为：

（1）

又可以写为：

（2）

其中：

，

为三角测量系统的固定参数。

当物体偏移

较小时，

（1）式可以近似为线性关系：

（3）

激光三角法的另一项重要的参数为线性度，就是三角测量法输入和输出的关系的线性近似程度。

可以证明，在三角测量中，可以通过缩小测量范围，增大接收透镜的共轭距，增大三角测量系统的角度，缩小接收透镜的放大倍率，达到线性测量的结果[2]。

此外，由

（1）式对d求导，得到输入输出曲线的斜率，即激光三角法的放大倍率

。

（4）

系统的放大倍率决定了系统的分辨率，而放大倍率不但取决于系统参数，还是像移d函数。

激光三角传感器的主要优点有:

（1）与非接触测量相比，它解决了接触测量中接触侧头与工件之间的接触压力；解决了接触侧头半径较大带来的横向分辨率问题；提高了检测速度（kHz极，而接触式测量为1Hz左右）。

（2）与其它非接触方法相比：

具有大的偏置距离和大的测量范围，对待测表面要求较低，而离焦检测法和光干涉法等通常只能测量非常光滑的表面。

此外，三角测量法还具有如下特点：

采用半导体激光器，测量仪器体积较小；激光方向性好，光功率高，从而使测量仪器分辨率高、稳定性，测量精度高；与计算机结合，形成智能测试系统；在生产现场实现在线检测；适用范围广。

但激光三角传感器的还是需要解决的地方激光三角传感器的主要问题及相应的解决方法。

在传感器系统方面：

（1）入射光束的焦深限制：

一般的高斯光束聚焦为入射光时，会出现光斑尺寸随测量范围变大而离焦变大的情况，使系统很难满足高分辨率和大测量范围的要求。

当采用CCD为检测器时，相应的改进方法是采用重心法取CCD输出矩形脉冲的中心位置；而采用PSD为检测器时可以较好的避免光斑形状的影响，但仍会影响系统的分辨率。

在文献中提出采用无衍射光束作为光源解决这个问题。

（2）光学系统的像差使得物体上任一点发出的光束通过光学系统后，不能汇聚于一点，而是形成一个弥散斑或者使像不能严格表现出原物的形状。

相应的改进方法是在接收透镜的设计中考虑像差的因素。

（3）非线性的输入和输出之间的关系。

改进的方法有，通过较优的标定方法制作查找表，之后在测量过程中查表得到具体的物体位移值。

在待测物体方面：

（1）由于被测表面倾斜产生的阴影和死区对测量产生的影响，相应的方法有，采用声光调制器（AOD）发出的衍射光从两个方向对被测物进行扫描的双向扫描三角测量法,使用单光源，双检测器，最后进行数据融合的激光双三角法。

（2）由于被测表面的阶越，比如孔或者缝，使得传感器无法接受到反射或漫反射光。

解决方法有采用旋转对称性的光学三角传感器。

（3）被测面由于颜色、材料、粗糙度、光学性质以及表面形状等方面的差异导致同一光源入射时，物体表面对光的反射和吸收程度不同，特别是由于物体表面的粗糙度和折射率等因素引起的成像光斑或光条有像差。

改进的方法有，使测量工作平面（由传感器的入射透镜和接收透镜的光轴决定的平面）平行于待测表面的纹理，可接受到足够的光强，有利于提高测量分辨率。

（4）高度镜面反射使得像点会被散斑噪声腐蚀。

解决方法：

（1）在金属表面喷上一层不光滑的涂料降低金属表面的反射率；

（2）采用线性偏振光作为光源，利用了线性偏振光的参数随着金属表面的镜面反射改变的现象。

在外界环境影响方面：

（1）温度，湿度和机械振动等环境噪声，会影响三角测量法中的系统参数。

除了通过较好的标定方法提高系统的精度，还可以采用双无衍射光束作为光源提高系统的抗噪性；采用完全对称双面双光路系统设计。

（2）外界和环境光线的干扰，解决方法有采用PSD检测器时使用调制法电路；使用偏振光为光源；使用窄带滤光片隔离环境光。

根据激光三角法的问题以及改进，作者认为激光三角测量的发展趋势主要可以概括为以下几个方面：

（1）通过引入新的光学器件、先进的传感器技术以及精确的测量算法，不断提高其测量精度和测量速度，同时进一步增强测量系统的稳健性；

（2）改进系统的硬件架构，如采用多传感器信息融合，通过多光源，多传感器的信息融合，更好的实现深度信息获取；

（3）通过和智能控制系统的联合，同时开发更好更快的处理算法，以求最大程度的实现光电三角法的柔性测量，在德国的米铱测试技术公司所提出的采用激光三角位移传感器optoNCDT2200中已经实现了实时被测物体表面特性差异补偿。

2.2.光纤位移测量

位移是指物体位置对参考点产生的偏移量。

位移测量包括线位移或角位移。

线位移是指物体相对于某参考坐标系一点的距离的变化量,它是描述物体空间位置变化的物理量[3]。

若物体沿直线方向运动的位移量称之为直线位移,它是描述物体在平面内直线位置变化的物理量。

对于线位移而言基本与长度测量为同一范畴,人们习惯上常把某一固定的测量如物体的长度、直径等称之为长度测量,而把在工作中变化的尺寸测量称之为位移测量。

所以测量长度及位移的仪表往往在一定条件下可以通用。

位移测量技术是振动、压力、应变、加速度、温度、流量等测量技术的基础,这是因为在众多的物理量中,位移与其它机械量相比,是既容易检测又容易获得高精度的检测结果,所以测量中常采用将被测对象的机械量转换成位移量来检测的方法,例如将压力转换成膜的位移、将加速度转换成重物的位移等。

因此,人们在很早以前就认识到测量位移的重要性,位移测量也是精密计量领域中的一个重要分支。

长期的生产实践使我们认识到,物体的位移测量在工业生产领域有重要作用。

比如机器运动部件的不均匀性,将产生冲击、振动和噪声,破坏机器运动的稳定性,因此,常常需要测量运动部件移动的不均匀性,而常用的方法是位移型测量方法,即测量出运动部件相对于参考坐标系的位移量一时间的曲线,来表明运动是否均匀。

对于机械加工行业而言,实时的位移测量可以用来预测机床在理想加工条件下所能达到的最小形状误差和粗糙度,判断产生加工误差的原因和评定机床主轴的工作精确度。

此外,位移测量不但在工业领域,而且在环境试验领域中也有广泛的应用,比如,武器部件在充气加压时,常常需要对其某部位的变形量进行实时测量,以此来考核武器部件的承压能力,因此,位移测量反映出物体部件的结构性能,为设计提供了重要依据。

光纤测量技术相对于传统测量技术,是一种新型检测技术,其主要优点是:

1.抗电磁干扰、耐腐蚀、适用于火险高危的环境。

由于光纤传感器是利用光波传输信息,而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质,因而不怕强电磁干扰,也不影响外界的电磁场,并且安全可靠。

这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便有效地传感。

2.灵敏度高、响应快。

利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。

其中有的已由理论证明,有的已经实验验证,如测量水声、加速度、辐射、温度、磁场等物理量的光纤传感器,都有其独特的优点。

3.重量轻,体积小,外形可变。

光纤除具有重量轻、体积小的特点外,还有可挠的优点,因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。

这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。

4.测量对象广泛。

目前已有性能不同的测量温度、压力、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。

这一系列优点,使人们能够在各种苛刻的条件下,对物体位移进行实时监控。

此外,光纤测试所具有的一些其它长处,如设计简单,稳定可靠,易于用电路和计算机处理所获得的测量数据等,也使光纤传感器远好于传统传感器,所以使用光纤传感器测量位移是位移测量的理想方案。

2.3光栅尺

光栅尺，也称为光栅尺位移传感器（光栅尺传感器），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。

光栅尺经常应用余数控机床的闭环伺服系统中。

可用作直线位移或者角位移的检测。

其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。

其结构为：

图21-光源；2-透镜；3-指示光栅；4-光敏元件；5-驱动线路

2.4X射线干涉法

利用X射线相继通过多块布格衍射晶体后产生的干涉现象来研究晶体缺陷和测定晶体基本参量的一种高精度技术。

1965年第一台X射线干涉仪的出现，开辟了X射线光学的新领域。

常用的X射线干涉仪可分为两类。

三晶干涉仪是1965年U.邦泽和M.哈特研制成功透射型X射线干涉仪。

随后，X射线干涉技术和理论得到迅速发展，先后出现了反射型（1966）和混合型（1968）等多种类型的干涉仪,其光学原理及衍射束强度分布均由X射线衍射动力学平面波理论及球面波理论得到解释。

图3三晶LLL透射型X射线干涉仪几何示意图

分束器S、镜面M和分析器A三者同在一块完整晶体上加工而成。

当X射线入射到S，从衍射动力学理论可知，对于“厚”晶体，μt＞10,μ和t分别为晶体的吸收系数和厚度，只有布洛赫波的波节与散射原子平面重合的一支偏振波能通过晶体,其透射波离开S时分成相干的直射束和衍射束。

镜面M的作用是使两束分离的相干X射线重合，在分析器A前面产生驻波干涉条纹。

分析器A的作用是把原子尺度的驻波干涉条纹放大为宏观尺度的X射线叠栅条纹。

如果S、M、A晶片严格相同并严格对准，那么在垂直于直射束或衍射束的观察面上只看到均匀的X射线强度分布,但若干涉仪内某一组元点阵参量或取向发生微小变化，都会使叠栅条纹产生相应的变化。

叠栅条纹垂直于两倒易矢量之差，其间距与两倒易矢量之差的绝对值成正比。

二晶干涉仪的两块晶片由同一块晶体加工而成，当两组元同时满足布喇格定律，并且，它们之间存在点阵参量或取向的微小差别，即会产生叠栅条纹。

1951年，有人首先在电子显微镜上观察到此现象。

1965年日本的千川纯一观察到X射线的这种现象。

图4二晶干涉仪的几何示意图

X射线通过分束器S,相干的直射束和衍射束在出射面附近部分重叠，产生驻波干涉。

通过分析器A观察到放大的X射线叠栅条纹。

X射线干涉仪的应用：

X射线干涉术是一种高精度的检测技术,在晶体缺陷研究方面，可用来观察缺陷所引起的微小点阵参量失配（精确度达Δd/d＝10-8），晶体点阵中的微小角偏转（精度达10-8弧度）,精确测定位错的伯格斯失量以及用作X射线相差显微镜；在晶体学基本参量测量方面,用来精确测定X射线折射率、晶胞参量以及晶体结构因子等基本参量；在计量学方面,可与光学干涉仪配合用作X射线波长的精确测定以及测定晶体材料的阿伏伽德罗常数，这是探索建立质量自然基准中很有希望的一种方案[4]。

2.5光纤F-P干涉法

Fabry-Perot干涉型光纤传感器是一种采用单根光纤、利用多光束干涉原理来监测被测量的变化，克服了M-Z干涉仪和Sagnac干涉仪结构光纤传感器中的偏振衰落现象，是目前历史最长、技术最为成熟、应用最为普遍的一种光纤传感器。

它是在光纤内制造出两个反射端面，从而形成一个腔长为L的微腔。

当相干光束沿光纤入射到此微腔时，光在微腔的两端面反射后沿原路返回、并相遇而产生干涉。

当外界参量（力、变形、位移、温度、电压、电流、磁场等）以一定方式作用于此微腔，使其相位差Φ发生变化，导致其干涉输出反射光强也发生相应变化[5]。

根据此原理，就可以从反射光强信号的变化导出微腔的长度/折射率、乃至外界参量的变化，实现各种参量的传感[6-9]。

例如，将光纤F-P腔直接固定在变形对象上，则对象的微小变形就直接传递给F-P腔，导致输出光的变化，从而形成光纤F-P应变/应力/压力/振动等传感器；将光纤F-P腔固定在热膨胀系数线性度好的热膨胀材料上，使腔长随热膨胀材料的伸缩而变化，则构成了光纤F-P温度传感器；若将光纤F-P腔固定在磁致伸缩材料上，则构成了光纤F-P磁场传感器；若将光纤F-P腔固定在电致伸缩材料上，则构成了光纤F-P电压传感器等。

F-P干涉型光纤传感器对任何导致其相位差Φ发生变化的物理量灵敏度极高，而且传感区域很小，在很多应用时可被视为“点”测量；加之其结构简单、体积小、可靠性高、响应速度快、复用能力强等优势，自从问世以来就受到人们的普遍关注，并成为近年来光纤传感技术及其应用研究的热点之一。

F-P干涉型光纤传感器的研究主要包括光纤F-P传感探测头的设计、传感器解调机理以及传感器复用等方面。

作为F-P干涉型光纤传感器的核心，光纤F-P传感探测头及其特性得以广泛的研究。

经过二十几年的努力，各种新颖的光纤F-P传感探测头和制作方法层出不穷，并且向着微型化、全光纤化、智能化方向发展。

为了对光纤F-P传感探测头有一个较系统的认识，本章接下来会对其结构形式以及应用进行一个简要的介绍，然后再讨论其目前所面临的问题，以便为对其进行进一步研究起到指导作用。

F-P干涉仪的应用：

F-P干涉仪有不同的制作工艺，从而产生出不同的类型的F-P干涉仪，根据光纤F-P传感探测头的不同结构，F-P干涉型光纤传感器可以被分为三大类：

本征型光纤F-P干涉传感器、非本征型光纤F-P干涉传感器、以及在线型光纤F-P干涉传感器[10]。

这三种干涉传感器的本质都是利用待测量引起其腔长的变化，再将干涉信号经由探测器或转变为电信号进行处理，求出腔长的变化从而得出待测量的变化。

其中本征型F-P干涉仪传感器的干涉腔是一段光纤，干涉腔中的光波仍然沿着纤芯传输，因此腔长不会受到衍射的制约，可以做得很长，目前已经证实可以从100μm到1mm，而最常用的腔长是1mm左右。

较长的传感光纤段和光纤较大的热光系数使得本征型光纤传感器对温度非常敏感。

温度测量是其最为成功和最为广泛的应用。

此外，本征型光纤传感器还可以用于应变、压力、液体流量等物理参数的测量。

非本征型光纤传感器的干涉腔是空气腔，因此它对横向应变不敏感、具有极小的热应变灵敏度，克服了温度与其它物理参量的交叉敏感问题，但光纤直径与毛细管直径的不匹配，使得这种传感器容易产生应力集中现象，降低了机械性能。

3非光学检测

3.1电容传感器

3.1.1电容传感器的特点

对于缓慢变化或微小量的测量,一般来说采用电容传感器进行检测比较适宜,主要是这类传感器具有以下突出优点:

（1）测量范围大。

其相对变化率可超过100%；

（2）灵敏度高。

如用比率变压器电桥测量,相对变化量可达

数量级；

（3）动态响应快。

因其可动质量小,固有频率高,高频特性既适宜动态测量,也可静态测量；

（4）稳定性好。

由于电容器极板多为金属材料,极板间衬物多为无机材料,如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强幅射下长期工作,尤其是解决高温高压环境下的检测难题[10]。

3.1.2电容传感器的工作原理

电容传感器的工作原理是利用力学量变化使电容器中其中的一个参数发生变化的方法来实现信号变换的。

电容传感器是一个具有可变参数的电容器。

多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成，并且以空气为介质，如图5所示为平板电容器的结构[11]。

图5平板电容器

两个平行板组成的电容器的电容量为：

（5）

式中，

是电容极板间介质的介电常数，

-------真空介电常熟；

------介质材料的相对介电常数；S-----两平行极板覆盖的面积；d------两平行极板之间的距离；C------电容量

当被测参数使得式中的S，d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。

因此，电容量变化的大小随着被测参数的大小而变化。

根据改变电容器的参数不同,电容传感器可有3类：

变间距式，变面积式和变介电常数式。

一般，改变平行板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积A的传感器则适用于测量厘米数量级的位移，变介电常数式电容传感器适用于液面、厚度的测量。

3.1.3电容传感器的应用

现代工业的发展,对工况参数的实时监测已显得越来越重要了,参数监测分电量和非电量两大类。

对于非电量参数的测量,测量的成功与否决定于传感器的质量和对感应信号的提取。

在各类非电量传感器中,电容传感器可以说是用得最普遍的一种了,在工业现场它作为流量、压力、位移、液位、速度、加速度等物理量的传感元件,应用已相当广泛。

在目前电容式传感器中,比如电容式压力传感器、电容式湿度传感器、电容式液位仪和开关、电容式加速度和角度仪、电容式位移传感器等等都有应用前景，且技术比较成熟。

特别值得一提的是，容栅传感器的广泛应用。

容栅传感器属于变面积式的电容传感器的一种。

它采用锯齿形电极的目的，提高了传感器的灵敏度。

3.2电感传感器

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

传感器的研究始于上世纪30年代，它以材料的物理、化学和生物、理化效应为基础，由物理、化学、材料科学、器件物理和工艺以及电子工程等多种学科交织发展形成，是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科的边缘技术科学[12]。

为了提高传感器及其测量系统的性能，新的技术和方法不断地被应用于传感器测量系统中，传感器技术不断发展。

其中电感传感器因其具有精度高、使用方便、性能稳定等诸多优点，在机械加工行业得到了广泛应用，常应用于诸如表面粗糙度测量、圆度测量、振动测量、小位移测量中。

在国外，电感传感器技术水平目前已经相当成熟，传感器精度高且通用性好。

以英国DurhamInstruments、瑞士TESA、德国MAHR、意大利MARPOSS、日本KEYENCE为代表，传感器的分辨力可以达到0.1nm，线性测量范围可以达到±1mm。

瑞士TESA公司生产的高精度型电感传感器GT22HP，在量程范围±0.2mm内，精度可以达到0.07μm，重复性0.01μm。

英国DurhamInstruments公司生产的电感传感器对温度变化大的工作环境非常适合，工作温度范围可以为-55oC~+120oC，非线性精度优于0.5%。

美国NCODER公司生产的传感器灵敏度达到900mV/mm，温度漂移为0.01%/oC，稳定性为24小时内小于0.1，精确度0.25%。

电感传感器在粗糙度轮廓测量仪、圆度仪得到很好的应用，较为常用的有英国Taylor-Hobson公司生产的Talyrond365型圆度仪，拥有120年精密计量仪器制造历史的德国Hommel公司生产的T2000小型粗糙度轮廓仪，德国Mahr公司代表产品M系列便携式便面粗糙度测量仪。

国外生产的电感传感器及其应用产品价格昂贵，就目前国内的机械加工及精密测量现状而言，应用不太理想。

国内也有许多厂家、院校及科研单位从事电感传感器的研制和开发，其中具有代表性的是中原量仪和哈量集团。

中原量仪生产的DGS-6C和DGS-6D型数显电感传感器，它们与该厂生产的DGC-8ZG/A型或DGC-6PG/A型电感测量头组合使用，用于机械加工中的精密测量。

哈量集团生产的T2000型表面轮廓测量仪和2205A型表面粗糙度测量仪，就使用了电感传感器，它们可以对多种零件表面的粗糙度进行测量，实现了表面粗糙度的多功能精密测量。

另外，北京时代仪器集团生产的TR200、TR240型粗糙度仪，上海量具刃具厂生产的BD100型轮廓测量仪、YD200型圆度仪，上海交通大学自动检测技术研究所开发的JDSurf系列轮廓仪测量系统、JDRound系列圆度仪测量系统也是目前国内电感传感器应用的重要体现。

从性能指标来看，与国外的电感传感器相比，国内还存在很大的差距，而且功能单一、技术水平发展慢。

在超精密加工技术迅猛发展的今天，电感传感器的精度有待于进一步提高。

目前国内的电感传感器数据采集系统普遍存在如下问题：

高精度档位量程范围小，分辨力不高，漂移比较大，稳定性差等。

我们必须采取适当的措施去解决电感传感器数据采集系统存在的问题，使之能在加工领域中得到更好的应用。

高精度电感传感器数据采集系统包括电感测头、数据采集电路及相应的软件。

因此，要提高电感传感器数据采集系统的精度可以从提高测头精度及其数据采集电路精度两方面考虑。

3.3扫描探针测量

扫描探针测量主要应用到了扫描探针显微镜来进行测量，当探针与样品表面间距小到纳米时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著[13]。

当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动。

独特的反馈系统始终保持探针的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，这样就能实时给出高度的偏移值。

样品表面就能记录下来，最终构建出三维的表面图。

扫描探针测量具有：

1）分辨率高；2）可实时的得到实空间中表面三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性表面结构研究。

3）可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。

4）可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。

5）配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。

6）在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉。