# AFM纤维表面粗糙度计算

**Repository Path**: wolido/afm_sa

## Basic Information

- **Project Name**: AFM纤维表面粗糙度计算
- **Description**: 用于对原子力显微镜（AFM）测试得到的纤维表面进行表面粗糙度计算
- **Primary Language**: Python
- **License**: Not specified
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 2
- **Forks**: 0
- **Created**: 2022-09-02
- **Last Updated**: 2024-03-12

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# 项目目标
用于计算使用原子力显微镜（AFM）测试的纤维表面形貌的表面粗糙度。
## 拟解决问题
使用AFM测得的纤维表面形貌，如果直接使用仪器自带的算法进行表面粗糙度计算，因其平面拟合方法不适合纤维这类圆柱状样品，容易造成计算得到的表面粗糙度偏大。仪器自带算法的平面校正拟合方法如下图所示：

![平面拟合](https://pics-wolido.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/afm/IMG_7394.PNG)

本方法的目标是使用圆柱校正的曲面拟合方法进行曲面校正，从而实现更准确的纤维表面粗糙度测量。本方法如下图所示：

![曲面拟合](https://pics-wolido.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/afm/IMG_7393.PNG)

## 工作原理
本方法采用的圆柱校正模型较为简单，含有x、z、r三个参数，分别为圆柱中心线在x轴、z轴方向的坐标以及圆柱半径。

本方法不含有圆柱主轴在空间方向上的校正参数。

因仪器自带程序中包含倾斜校正，故本方法不含有倾斜校正功能。

本方法首先沿纤维轴向对测试数据取平均，使用平均数据进行圆柱校正参数计算，再将返回的校正参数带入全部数据的表面粗糙度计算函数进行计算，得到最终结果。

为节省计算时间，首先以100nm步长搜索最初的x、z、r取值范围，因为最初的参数搜索范围较大，此步骤所需时间最长，约需要10-30s左右。如无需较快的响应速度，可以把最初的参数搜索域调大。<u>此步骤会有大量参数的计算结果返回"nan"，故在程序中引入了忽略了警告信息。</u>这些返回为nan的参数会被淘汰掉，不会影响后续计算。

之后以100nm搜索步长获得的最优参数为中心，逐次调小步长，之后的搜索步长分别为50nm、20nm、10nm、5nm、1nm，搜索域为以上一级搜索的最优值为中心，前后40倍步长的范围。这些迭代步骤运算速度较快。

最后，以1nm搜索步长获得的最优参数构建圆柱，对全图进行表面粗糙度计算

## 注意事项
- 本方法所用数据应为csv格式无表头数据，如数据类型不同，可能需要修改数据载入部分语句。仓库中含有一示例数据，可供参考。
- 本方法所用数据应为经过倾斜校正的数据。
- 本方法所用数据在采集时，应使纤维尽可能在电脑屏幕中处于竖直状态，尽可能沿纤维中心位置采集数据。
- ~~本方法需要人为输入圆柱x、z、r范围，单位为nm，具体范围需要根据实际测试情况而定~~可适当调大x、z、r搜索范围。
- x、z、r搜索范围的单位为nm，z为圆柱中心线相对于仪器针尖零点的坐标位置，所以普遍应为负值。为了复原其物理意义，暂时不准备将其默认值更改为正值。
- 本方法的本质是在圆柱模型下最小化计算得到的表面粗糙度，而不是真正拟合纤维的真实表面，所以存在与实际样品状态之间的误差。

## 主要误差来源
- 圆柱拟合时使用按列平均的纤维轮廓进行计算，而非使用整个纤维轮廓进行计算。
- 圆柱拟合未考虑纤维在平面内存在的转动角度。
- 圆柱拟合过程以最小化表面粗糙度为目标，而非对真实纤维表面的拟合。
- 本方法不包含倾斜校正。

## Python文件使用方法
- csv格式数据放置于AFMData文件夹下，格式为无表头数据，可放置多个数据。
- 运行python文件，选择运行模式，可选择批处理模式或单个文件处理模式。若目录下只有一个csv文件，则可以使用批处理模式处理该文件。若使用单个文件处理模式，则需要输入需要处理文件的文件名，输入时无需输入扩展名。
- 运行时，会对需要处理的数据逐个计算表面粗糙度，每个样品计算完毕后会输出表面粗糙度数据，同时会将结果写入results-日期时间.txt文件。

## Windows版本exe文件使用方法
- 下载压缩文件包，解压缩，建议将CalcuSa.exe文件与AFMData文件夹创建快捷方式至桌面。
- .csv格式数据文件放置于AFMData文件夹下。
- 运行CalcuSa.exe文件，可选择批处理模式或单个文件处理模式。若目录下只有一个csv文件，则可以使用批处理模式处理该文件。若使用单个文件处理模式，则需要输入需要处理文件的文件名，输入时无需输入扩展名。
- 运行时，会对需要处理的数据逐个计算表面粗糙度，每个样品计算完毕后会输出表面粗糙度数据，同时会将结果写入results-日期时间.txt文件。

## Windows版本exe文件下载地址
- v0.4.2 [https://disc-wolido.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/AFM/CalcuSa_v0.4.2_windows.zip](https://disc-wolido.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/AFM/CalcuSa_v0.4.2_windows.zip)