Главная > Бурение > Оптические измерительные приборы. Способ и устройство бесконтактного оптического измерения размеров объектов. Способы измерения полного светового потока

Оптические измерительные приборы. Способ и устройство бесконтактного оптического измерения размеров объектов. Способы измерения полного светового потока

Статья посвящена разработанным ООО «НТП «ТКА» приборам для измерения основных световых и энергетических параметров и характеристик источников оптического излучения, в том числе и светодиодов.

Необходимость оперативного и достоверного измерения основных световых и энергетических параметров и характеристик источников излучения в видимой области спектра, таких как координаты цветности, коррелированная цветовая температура, коэффициент пульсации, яркость, освещенность и облученность, очевидна. Она продиктована стремительным развитием альтернативных источников оптического излучения (светодиодов), появлением различных вариантов дисплеев и световых табло, а также технологическими процессами, использующими источники оптического излучения.

Некоторые особенности построения приборов для измерения основных световых характеристик источников света

Измерение освещенности и яркости является простой фотометрической процедурой. Вместе с тем при проектировании и производстве люксметров и яркомеров приходится сталкиваться с достаточно серьезными проблемами по обеспечению соответствия выпускаемых приборов требованиям нормативных документов.

Так, например, фотоприемные устройства (ФПУ), являясь основной частью прибора для измерения оптического излучения, должны отвечать ряду электрических и фотометрических требований, зависящих от области применения и назначения. При разработке и производстве приборов для измерения параметров излучения необходимо знание этих требований, их особенностей, трудностей создания и путей их преодоления.

Устройство для формирования пространственной характеристики (входное устройство) формирует угол зрения, величина которого определена назначением разрабатываемого прибора. Так, например, входное устройство люксметра или пульсметра рассчитывается исходя из следующих соображений.

Освещенность поверхности, создаваемая точечным источником излучения, произвольно расположенным под углом. к ее нормали (рис. 1), определяется выражением:

Е = Е 0 ×сosβ, (1)

где Е 0 - освещенность, создаваемая точечным источником, расположенным нормально относительно поверхности; β - угол между нормалью и направлением на источник.

Рис. 1. Произвольно расположенный источник

Очевидно, измерения прибора, измеряющего освещенность, должен подчиняться такому же закону. Практически реализовать это условие без принятия определенных мер невозможно из-за зависимости коэффициента отражения поверхности оптических элементов приемной системы от угла падения излучения, описываемой формулой Френеля (2). Для выполнения этого условия приходится включать в оптическую схему фотоприемного устройства так называемую косинусную насадку, формирующую необходимый угол зрения и компенсирующую погрешность, вносимую поверхностным отражением оптических элементов.

Наиболее оптимальная косинусная насадка для рабочих средств (рис. 2) измерения оптического излучения представляет собой выполненный из молочного стекла элемент, равномерно рассеивающий падающее излучение по всем направлениям, обеспечивая тем самым выполнение закона Ламберта, согласно которому яркости светорассеивающей поверхности во всех направлениях одинаковы.


Рис. 2. Цилиндрическая косинусная насадка для рабочих средств

Поверхность материалов, используемых во входных устройствах, отражает падающее излучение по закону Френеля:

где φ 1 - угол между падающим на поверхность лучом света и нормалью; φ 2 - угол между преломленным лучом и нормалью. Графически эта зависимость представлена на рис. 3.


Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения поверхности материала от угла падения

Это означает, что фотоприемное устройство регистрирует излучение, не отвечающее соотношению (1) при углах более 60°, т. е. отличное от реального излучения.

Для компенсации потерь отраженного излучения используют боковую грань диска из молочного стекла. Величина потока излучения, прошедшего внутрь стекла через боковые грани, пропорциональна величине цилиндрической освещенности. Под средней цилиндрической освещенностью понимают среднюю освещенность боковой поверхности вертикально расположенного цилиндра. Она определяется выражением:

где β - угол падения света от точечного источника на боковую поверхность вертикально расположенного цилиндра.

Световой поток Ф, попадающий на используемый в ФПУ светочувствительный элемент, является функцией отражения (ρ) и пропускания (τ) используемого материала, освещенности плоской поверхности (Е п) и цилиндрической освещенности боковой грани (Е ц):

Аналитически описать эту связь достаточно сложно из-за разброса параметров используемых материалов и геометрических размеров составляющих ФПУ элементов. При разработке и изготовлении ФПУ эмпирически находится оптимальное сочетание характеристик (марки молочного стекла, его толщины и высоты боковой поверхности, выступающей над корпусом), обеспечивающее заданную погрешность (1–2%), определяемую отличием полученной пространственной характеристики от теоретической.

Кроме того, при создании приборов для измерения оптического излучения необходимо решить задачу приведения спектральной характеристики чувствительности кремниевого фотодиода к относительной световой спектральной эффективности V(λ), табулированные значения которой регламентированы решениями комиссии МКО и ГОСТ 8.332.

Спектральная коррекция чувствительности фотоприемника Sф(λ) к заданному виду S(λ) осуществляется, как правило, цветными фильтрами. При этом коэффициент пропускания Т(λ) определяется соотношением:

Существует два основных способа расположения корригирующих светофильтров перед фоточувствительным элементом (рис. 4).


Рис. 4. Способы расположения корригирующих светофильтров: а) субтрактивный; б) субтрактивно-аддитивный (схема Дреслера)

В первом случае цветные фильтры с подходящими спектральными характеристиками располагаются последовательно друг за другом. При таком расположении (рис. 4а) излучение, прежде чем попасть на фотоприемник, последовательно фильтруется в каждом фильтре.

Другой способ расположения фильтров с требуемыми спектральными характеристиками показан на рис. 4б. При этом расположении, называемом схемой Дреслера, некоторые фильтры размещаются рядом один с другим. Различные части светового потока по-разному пропускаются фильтрами, прежде чем поток достигает приемной площадки фотоприемника. Результирующая кривая спектрального пропускания комбинации может эффективно регулироваться путем изменения относительного размера отдельных компонентов. Выполненные по такому принципу корректирующие фильтры могут с высокой степенью точности приблизить относительную спектральную чувствительность фотоприемника к идеальным значениям V(λ) при относительно высоком пропускании в максимумах кривых. Обычно на практике в частности и в расчете рассматриваемых приборов используется первый способ расположения светофильтров ввиду его технологичности и простоты расчетов.

Рассмотрим пример приведения спектральной характеристики кремниевого фотодиода Sф(λ) к относительной световой спектральной эффективности V(λ) (рис. 5).


Рис. 5. Вид кривых спектральной чувствительности кремниевого фотодиода S(.) и заданной меры V(.)

Характеристика S(λ) приводится к заданной кривой с помощью исправляющего фильтра, который может быть составлен из цветных стекол (рис. 6).


Рис. 6. Коррекция спектральной чувствительности фотоприемника с помощью цветных фильтров

Общий коэффициент пропускания исправляющего светофильтра рассчитывается по формуле:

где i - номера цветных стекол, составляющих светофильтр, к i (λ) - показатель поглощения цветных стекол с индексом, соответствующим номеру цветного стекла, t i - толщина соответствующих цветных стекол.

Тип стекол и их количество выбирались полуэмпирическим способом, исходя из наличия производимых и доступных для использования марок. Так, например, для видимой области спектра пригодными для коррекции оказались следующие цветные стекла: СЗС-21, СЗС-22, СЗС-23, ЖС-20, ЖЗС-5, ЖЗС-6, ОС-5. Из группы сине-зеленых стекол (СЗС) было выбрано СЗС-21, так как оно хорошо подавляет излучение в ближней ИК-области спектра (760–1200 нм), где наблюдается максимальная чувствительность кремниевых фотодиодов (λ max = 800–900 нм), выбранных для коррекции. Оранжевое стекло ОС-5 взаимозаменяемо со стеклом ЖС-20, а желто-зеленое стекло ЖЗС-6 взаимозаменяемо со стеклом ЖЗС-5.

Выбор марки стекол и их толщины и расчет спектрального коэффициента пропускания исправляющего светофильтра осуществляется таким образом, чтобы на каждой длине волны выполнялось условие: τ(λ)= V(λ)/Sф(λ).

Строгое выполнение этого условия на всех длинах волн для серийных цветных стекол и фотоприемников практически невозможно. Всегда будет иметь место отступление реально выполненной кривой S(λ) = Sa(λ)..(λ) от заданной, которое необходимо оценить в зависимости от назначения и способа градуировки фотометра, где применяется исправляющий светофильтр.

Оценка погрешности коррекции фотоприемника производится по методике, разработанной МКО (публикация № 53). Расчет погрешности коррекции фотометрической головки f 1 (Z) основан на отличии реакции на излучение идеального фотоприемника, табулированное значение спектральной чувствительности которого известно, и реального фотоприемника, относительное спектральное распределение которого отличается от того, при котором была произведена градуировка.


где S(λ) - относительная спектральная чувствительность исследуемого фотоприемника; SV(λ) - относительная спектральная чувствительность эталонного фотоприемника; Фa(λ) - относительное спектральное распределение источника «А», при котором производится градуировка; Ф i (λ) - относительная спектральная характеристика табулированных источников.

Приборы для измерения оптического излучения

Люксметры нового поколения «ТКА-Люкс» (рис. 7) и «ТКА-ПКМ-31» являются в настоящее время самыми востребованными и имеют метрологические характеристики на уровне приборов лучших мировых производителей рабочих средств измерения. Диапазон измерения освещенности в диапазоне 10–200000 лк с погрешностью 6–8%.


Рис. 7. Внешний вид люксметра «ТКА-Люкс»

«ТКА-Люкс/Эталон» является первым российским люксметром, метрологические характеристики которого отвечают требованиям, предъявляемым к рабочим эталонам. Он предназначен для измерения освещенности в видимой области спектра 380–760 нм, создаваемой стандартными источниками оптического излучения, расположенными нормально относительно приемника. Люксметр предназначен для практической реализации Государственной поверочной схемы средств из мерений световых величин в соответствии с ГОСТ 8.023-2000. Этот прибор по точности воспроизведения и передачи размеров единиц силы света и освещенности обеспечивает метрику прецизионных и рабочих средств измерений и отличается временной стабильностью и достоверностью. Допускаемая прибором основная относительная погрешность измерения освещенности не превышает 6,0%.

Разработанный комбинированный прибор люксметр+яркомер «ТКА-ПКМ» (02) служит для измерения освещенности (в диапазоне 10–200000 лк с погрешностью 8%) и яркости накладным способом (в диапазоне 10–200 000 кд/м 2 с погрешностью 10%) самосветящихся протяженных объектов (рис. 8).


Рис. 8. Внешний вид прибора «ТКА-ПКМ» мод.0,2

Прибор отличается от традиционных яркомеров отсутствием в схеме оптических элементов (линзы, объектива), что значительно упрощает конструкцию и удешевляет стоимость прибора при сохранении его точностных характеристик.

Для дистанционного определения яркости протяженных источников разработан недорогой, отвечающий современным метрологическим и техническим требованиям прибор для измерения яркости киноэкранов яркомер «ТКАЯР» (рис. 9), представляющий собой портативный малогабаритный прибор с автономным питанием, снабженный функцией запоминания результата измерения (Hold). Наводка на измеряемый объект осуществляется с помощью лазерного прицела.


Рис. 9. Внешний вид яркомера «ТКА-ЯР»

Для упрощения конструкции прибора в оптической схеме был применен нефокусируемый объектив. Нерегулируемая фокусировка на некоторое постоянное расстояние повышает оперативность работы с прибором, так как исключается одна из рабочих операций. При этом не требуется вводить никаких поправок к градуировке, поскольку показания прибора пропорциональны яркости объекта независимо от расстояния. Прибор имеет следующие технические характеристики:

  • угол зрения - 1,0–1,5°;
  • диапазон измерения - 10,0–2000,0 кд/м2;
  • спектральная коррекция - 2,0%;
  • суммарная погрешность - 10,0%;
  • расстояние до измеряемого объекта - не менее 7,0 м.

Измерение коэффициента пульсации источников излучения

Излучение источников света при питании от сети переменного тока (как правило, с частотой 50 Гц) является пульсирующим. Частота пульсации при этом равна удвоенной частоте питающего напряжения 100 Гц. В качестве критерия оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока источников излучения при питании их переменным током введен коэффициент пульсации освещенности (Кп), выражаемый формулой:

где Еmax - максимальное значение амплитуды переменой составляющей освещенности, Еmin - ее минимальное значение, Еср - среднее значение освещенности (рис. 10).


Рис. 10. Временная характеристика пульсирующей освещенности


Рис. 11. Внешний вид прибора «ТКА-ПКМ (08)»

Конструктивно прибор выполнен в виде двух блоков: фотоприемной части (ФПУ) и блока обработки информации. В блоке обработки информации размещена электронная схема, состоящая из АЦП (аналого-цифрового преобразователя), ЖКИ (жидкокристаллического индикатора) и процессора ADuС.

Прибор работает следующим образом. Сигнал с ФПУ подается на предварительный усилитель, где происходит одновременно с усилением сигнала и его масштабирование.

Усиленный сигнал подается на вход АЦП для преобразования в цифровую форму. Цифровой сигнал с выхода АЦП подается в микропроцессор для дальнейшей обработки. Проводится серия измерений с периодом 10 мс и определяются максимальное, минимальное и среднее значения освещенности.

Обработка сигнала ведется не синфазно периодам колебаний. В процессе измерения производится анализ нескольких периодов, и значения результатов выборок усредняются. Результат - значения max, min и среднее определяются в единицах освещенности лк. После нахождения параметров сигнала по формуле (8) вычисляется значение коэффициента пульсации.

Определение коэффициента пульсации источников излучения и освещенности выполняется прибором «ТКА-ПКМ (08)», информация в нем обрабатывается микропроцессором. Этот пульсметр-люксметр имеет следующие технические характеристики:

  • диапазон измерения коэффициента пульсации - 0–100%;
  • диапазон измерения освещенности - 10–200 000 лк;
  • погрешность измерения не превышает 10%.

    Измерение полного светового потока

    Важной световой характеристикой излучения светодиода является световой поток Ф (лм), определяющийся как интеграл всего потока излучения, заключенного под пространственной индикатрисой излучения (рис. 12).


    Рис. 12. Пространственное распределение силы света светильника

    Необходимо при этом отметить, что индикатрисы излучения светодиодов (в отличие от ламп накаливания) могут принимать самые причудливые формы. Эта особенность в немалой степени помогла в выборе нами пути построения измерительного прибора.

    Способы измерения полного светового потока

    Имеются два существенно различающихся способа измерения полного светового потока:

    • гониометрический метод;
    • метод «интегрирующей сферы».

    Гониометрический метод

    Метод основан на пошаговой фиксации значений силы света светодиода при его повороте на известный угол. Используемые для этих целей приборы - гониометр с достаточным угловым разрешением и фотометрическая головка с известным коэффициентом преобразования. Уменьшение погрешности измерений и получение наиболее достоверного углового распределения возможно при минимальном значении шага угла поворота светодиода относительно фотометра (или наоборот). Современные гониофотометрические установки имеют шаг несколько угловых минут. Одновременно выполняются измерения осевой силы света и ее пространственного распределения.

    На основании этих данных рассчитывается световой поток. Получение светового потока светодиода Ф с пространственным распределением силы света произвольной формы определяется с помощью индикатрис излучения большого числа плоскостей (nI v (Θ) при n→∞) и последующим вычислением среднего значения Ф:


    Процесс измерения полного светового потока гониометрическим методом является перспективным с точки зрения точности и информативности, но требует серьезных материальных затрат и времени.

    Для оперативного проведения простых технологических измерений полного светового потока нами был выбран так называемый метод «интегрирующей сферы», изложенный М. М. Гуревичем . В нем неизвестный световой поток сопоставляется с заранее вычисленным световым потоком образцового осесимметричного источника. Этот метод позволяет проводить измерения светового потока источника с произвольным распределением излучения в окружающем пространстве на порядки быстрее, чем гониометрический метод (рис. 13).


    Рис.13. Измерение светового потока с помощью фотометрического шара

    Такое сопоставление производится с помощью фотометрического шара, имеющего достаточно большой диаметр, окрашенного изнутри матовой белой краской и рассеивающего свет в соответствии с законом Ламберта.

    Теория фотометрического шара показывает, что световой поток, рассеиваемый его внутренней стенкой, распределяется по ней весьма равномерно. Поэтому если внутрь полой сферы, стенка которой имеет во всех точках одинаковый коэффициент отражения ρ, поместить источник S, излучающий световой поток Ф, то отраженный от стенки шара поток ρФ создаст во всех точках одну и ту же освещенность

    где r - радиус поверхности шара.

    Вторично отраженный световой поток ρ 2 Ф снова равномерно распределится по стенке шара, и дополнительная освещенность окажется:

    Общую (суммарную) освещенность в некоторой точке М на внутренней поверхности шара можно рассчитать следующим образом:

    где E и - освещенность в некоторой точке М при непосредственном падении света на поверхность шара. Очевидно, что эта величина не будет одинакова во всех точках, поскольку зависит как от положения источника S внутри шара, так и от его светораспределения.

    Однако если с помощью малого непрозрачного экрана Э (рис. 13), помещенного вовнутрь шара, защитить от попадания света непосредственно от источника малый участок стенки около точки М, то освещенность этого участка будет следующая:

    где α - коэффициент пропорциональности, зависящий только от свойств шара.

    Поэтому если испытуемый источник S со световым потоком Ф заменить внутри шара на образцовый источник S 0 c известным световым потоком Ф 0 , то очевидно, что освещенность в точке М будет:

    Или, разделив выражение (14) на (15), получим:


    Рис. 14. Вариант измерения полного светового потока светодиода

    Установив тем или другим способом отношение освещенностей, можно определить световой поток Ф интересующего нас источника.

    В связи с тем, что излучение светодиодов направленное, и угол излучения не превышает 2. возможно упрощение конструкции прибора за счет установки исследуемых светодиодов в стенке шара. Тем самым снижается количество элементов конструкции внутри шара и, следовательно, его геометрические размеры. Шар выполняется с двумя отверстиями. За первым размещается фотодиод с молочным стеклом и набором корригирующих светофильтров, а за вторым - исследуемые светодиоды (рис. 14).

    Определив реакцию фотодиода на излучение - например, фототоки, возникающие в измерительной цепи, - находим отношение i/i 0 и Е/Е 0 , которые можно считать равными между собой, и вычисляем световой поток Ф согласно выражению (16).

    В результате реализации на практике вышеизложенного метода мы получили рабочее средство измерения полного потока, показанного на рис. 15. Погрешность измерения полного светового потока белых светодиодов составила 7,0%, цветных светодиодов - 10,0%.


    Рис. 15. Внешний вид опытного экземпляра прибора «ТКА-КК» для измерения полного светового потока излучающего светодиода


    Рис. 16. Фотоприемное устройство (ФПУ) спектроколориметра

    Дополнительные погрешности суммарной спектральной коррекции, возникающие из-за селективности коэффициента отражения интегрирующей сферы, достаточно просто устраняются коррегирующими фильтрами. Измерения полного светового потока могут проводиться за считанные секунды операторами любого уровня квалификации (рис. 15).

    Измерение цветовых характеристик источников оптического излучения

    Общая концепция построения приборов

    Приборы ООО «НТП «ТКА» для определения цветовых характеристик источников (спектроколориметры) основаны на измерении спектрального состава оптического излучения с последующей математической обработкой результатов.

    Координаты цвета источников определяются значениями трех интегралов, взятых в пределах видимого спектра:


    где Ф еλ (λ) - спектральная плотность потока излучения; x‾(λ),y‾(λ),z‾(λ) - удельные координаты цветности.

    Координаты цветности рассчитываются:


    Фотоприемное устройство спектроколориметра показано на рис. 16.

    Излучение исследуемого источника, пройдя отделение для формирования пространственной характеристики (1), попадает в диспергирующее устройство. Устройство представляет собой полихроматор (2) с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой (3). Рабочий спектральный диапазон обусловлен характером поставленных задач.

    При определении коррелированной цветовой температуры спектральная плотность энергетической светимости М еλ (Вт·м3) абсолютно черного тела (АЧТ) определяется в соответствии с законом Планка по формуле:

    Координаты цвета АЧТ при данной температуре Т рассчитываются по формулам (17). Затем применяется переход от системы цветовых координат х, у МКО 1931 г. в более равноконтрастную систему u’, v’ МКО 1976 г. по следующим формулам:

    Такой же пересчет цветности производится для исследуемого источника излучения. Затем определяется массив координат цветности АЧТ и соответствующий массив температур.

    Минимальное расстояние в пространстве u, v между точкой цветности исследуемого источника (u0’, v0’) и точками цветности массива линии АЧТ (ui’, vi’) (рис. 17) определяется по формуле:


    Рис. 17. Линия АЧТ в системе цветовых координат u’,v’

    Затем сопоставляется рассчитанный массив цветности и массив температур АЧТ и определяется температура исследуемого источника Тj, соответствующая определенной точке цветности (u j , v j).

    Разработанный спектроколориметр «ТКА-ВД» предназначен для определения спектрального состава источника оптического излучения с последующим вычислением цветовых координат в выбранной системе координат (рис. 18). Оптическая схема прибора представляет собой полихроматор на дифракционной решетке с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой. Рабочий спектральный диапазон прибора (380–760) нм. Диапазон линейности сигналов достигает шести порядков. В зависимости от конфигурации входного устройства прибор работает как в режиме яркомера, так и в режиме измерения освещенности. Спектральное разрешение прибора не превышает 3 нм.


    Рис. 18. Внешний вид спектроколориметра «ТКА-ВД»

    Заключение

    В заключение хочется отметить следующее. Прибор становится измерительным средством тогда, когда он метрологически обеспечен. Порой на метрологию затрачиваются усилия, соизмеримые с усилиями, затраченными на разработку самого прибора. ООО «НТП «ТКА» оснащено современным, в том числе уникальным оборудованием, которое обеспечивает проведение калибровочных и поверочных (силами «Тест-Санкт-Петербург») работ при выпуске приборов серии «ТКА». По каждому типу приборов имеется утвержденное метрологическое обеспечение измерений и эталоны соответствующего уровня, госповерка которых ежегодно проводится в уполномоченных организациях Госстандарта РФ. Специалистами центра проводятся консультации по вопросам возможности применения приборов для решения конкретных задач и даются рекомендации по наилучшему выбору среди них. По заданию министерств, ведомств и отдельных заказчиков выполняются научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, связанные как с разработкой новых типов приборов, так и с исследованиями воздействия физических факторов на материальные объекты и изучением происходящих в связи с этим изменений.

    Литература

    1. www.ledcommunity.ru (Сайт объединения людей, сфера деятельности которых связана со светодиодной индустрией.)
    2. Заутер Г., Линдеманн М., Шперлинг А., Оно О. Фотометрия светодиодов // Светотехника. 2004. № 3.
    3. Никифоров С. Измерительная лаборатория для комплексного исследования характеристик светодиодов, применяемых в системах отображения информации // Компоненты и технологии. 2007. № 7.
    4. Круглов О. В., Кузьмин В. Н., Томский К. А. Измерение светового потока светодиодов // Светотехника. 2009. № 3.
    5. Сапожников Р. А. Теоретическая фотометрия. Л.: Энергия. 1977.
    6. Гуревич М. М. Фотометрия (теория, методы и приборы). Л.: Энергоатомиздат. 1983.

    • 16.1 Оптиметры

    Оптиметром называется рычажно-оптический прибор, предназначенный для точных относительных измерений геометрических величин. Типы, основные параметры и технические требования устанавливаются в ГОСТ 5405-75. Оптиметр состоит из оптического устройства - трубки оптиметра, устройства крепления трубки и столика для базирования измеряемой детали.

    Оптическая схема оптиметра основана на использовании оптического рычага и автоколлимационной системы. На рис. 71, а, б показана оптико-механическая схема трубки оптиметра. Свет от источника излучения 7 направляется зеркалом 8 на скошенную грань осветительной призмы 9 и, отразившись от нее, освещает сетку 6, расположенную в фокальной плоскости объектива 4 автоколлиматора. На сетке (рис. 1, б) справа в светлом прямоугольном окне на темном фоне нанесена шкала в ±100 делений и от-счетный индекс-штрих. Шкала перекрыта со стороны окуляра призмой 9 и смещена относительно оси на некотором расстоянии b. Пройдя через шкалу, лучи попадают в прямоугольную призму 5 и отклоняются по выходе из нее на 90° (это сделано для умень-

    шения габаритных размеров трубки). Затем лучи вместе с изображением штрихов шкалы проходят объектив 4, а из него параллельным пучком падают на зеркало 3, отражаются от него и в обратном ходе дают автоколлимационное изображение шкалы на сетке 6. Автоколлимационное изображение шкалы симметрично самой шкале вертикальной оси z сетки. Так как левая половина сетки прозрачна, то изображение шкалы наблюдается в виде черных штрихов на светлом фоне. Если зеркало 3 перпендикулярно к оптической оси объектива, то нулевые штрихи шкалы и их автоколлимационное изображение совместятся на горизонтальной оси х сетки с индексом-штрихом.

    Рис. 1. Оптическая схема вертикального оптиметра

    Перемещение автоколлимационного изображения шкалы относительно индекса-указателя отсчитывается по принципу оптического рычага. Если после установки измеряемого объекта 1 измерительный стержень 2 переместится и наклонит зеркало 3, то изо-

    бражение сетки сместится параллельно вертикальной оси сетки (параллельно действительной сетке). Это смещение наблюдается в окуляре 10 трубки оптиметра. К оптиметру прилагается проекционная насадка ПН-16, облегчающая процесс измерения.

    Рис. 2. Оптическая схема ультраоптиметра ОВЭ-2

    Оптическая схема ультраоптиметра ОВЭ-02, показанная на рис. 2, представляет сочетание схем автоколлиматора и схемы многократного отражения. Лучи света от источника излучения 1

    через конденсор 2, теплофильтр 3, линзу 4 падают на осветительную призму 5, освещают окно с прозрачной шкалой, нанесенной на плоскопараллельной стеклянной пластине 15, расположенной в фокальной плоскости объектива 14. В поле зрения экрана прибора видны удлиненные штрихи с цифрами, нанесенными через десять малых делений. Шкала имеет по обе стороны ±100 делений (200 делений).


    Лучи света выходят из пластины 15, отражаются от зеркала 16, входят в объектив 14, а из него параллельным потоком вместе с изображением шкалы попадают на неподвижное зеркало 12, отражаются от него на качающееся зеркало 11. Здесь происходит многократное отражение. Далее лучи с автоколлимационным отражением шкалы возвращаются к пластине 15, на которой проецируется изображение шкалы в плоскости штриха-индекса. Совмещенные изображения шкалы и штриха-индекса проецируются через зеркальную систему 8, 9, 10 на экран 13.

    Фокусировка и центровка лампы 1 производится по ее нити с наводкой на резкость объективом 6 и проецированием ее резкого изображения на экран 13 посредством зеркальной системы 8, 9,10.

    Осевое перемещение измерительного стержня 17 вызывает наклон зеркала на некоторый угол а, вследствие чего автоколлимационное изображение шкалы на экране также будет перемещаться относительно неподвижного штриха-индекса пропорционально углу 2а. На зеркалах 12 и 11, являющихся оптическими умножителями, пучок лучей претерпевает одиннадцать отражений.

    По расположению линий измерения оптиметры разделяются на вертикальные и горизонтальные. Вертикальные оптиметры - станковые приборы с базирующим устройством в виде стойки с вертикальной осью расположения. Горизонтальные оптиметры - стан-

    ковые приборы с горизонтальной осью расположения трубки оптиметра.

    По ГОСТ 5405-75 настольные оптиметры выпускаются следующих типов: вертикальные (модели ИК.В-2, ИК.В-3); горизонтальные (модели ИКГ-2, ИКГ-3); окулярные (модели ИКВ-2, ИКГ-2, ИКГ-3). Диапазон измерений приборов: ИК.В-2 от 0 до 180 мм; ИКВ-3 от 0 до 200-мм (только при наружных измерениях); ИКГ-2 и ИКГ-3 от 0 до 500 мм при наружных и от 0 до 400 мм при внутренних измерениях. Цена деления трубки оптиметра 1 мкм; диапазон измерений по шкале ±0,2 мм; предел допускаемой погрешности ±0,2 мкм на участках шкалы от 0 до ±0,06 мм. Размах показаний не более 1 мкм. Измерительное усилие при наружных измерениях не более 200 сН.

    16.2 Измерительные машины

    Измерительные машины - оптико-механические контактные приборы, предназначенные для точного измерения деталей больших размеров методом непосредственного измерения или сравнения с мерой.

    В конструкциях машины принцип Аббе не соблюден, так как обычно линия измерения и шкала расположены в параллельных плоскостях. При использовании же принципа Аббе длина машины увеличилась бы на две длины измеряемой детали.

    Конструкция измерительной машины показана на рис. 3. На массивной чугунной станине 1 по параллельным направляющим перемещается задняя бабка 3 с закрепленным в ее пиноли 6 измерительным наконечником, осевое перемещение которого осуществляется штурвалами 2 микроподачи. Бабка в продольном направлении перемещается кремальерным механизмом. Вместе с бабкой перемещается осветитель 4 и левый коллиматор 15 с преломляющей призмой 14. В передней бабке 10 установлен отсчетный микроскоп 11 и трубка оптиметра 9 с измерительными наконечниками. Бабка в пределах 100 мм перемещается вращением Штурвала 12. При этом предусмотрено стопорение бабки в нужном положении. Одновременно с бабкой перемещается и закрепленный па ней правый коллиматор 15 с преломляющей призмой 14.

    Для отсчета размеров в пределах диапазона измерений в станине установлена дециметровая шкала 7, в которой через каждые 100 мм вставлены девять стеклянных пластин 8 с биссекторами. Под передней бабкой установлена стеклянная шкала 13 длиной 100 мм с делениями через 0,1 мм.

    Рис. 3. Принципиальная схема измерительной машины

    Для установки машины в нулевое положение заднюю бабку помещают над левой (нулевой) пластиной с биссектором, при этом

    оптическая ось осветителя располагается над окном биссекторной шкалы. Лучи света от лампы 4 через конденсор 5 освещают биссектор, проходят преломляющую призму 14, и коллиматор 15 собирает их в параллельный пучок. Так как бисеектор находится в фокусе коллиматора, то в параллельном пучке получается бесконечно удаленное изображение биссектора. Далее, это изображение попадает в правый коллиматор 15, проходит через призму 14 и накладывает изображение нулевого биссектора на расположенную в фокусе коллиматора шкалу 13. Перемещая переднюю бабку 10, добиваются совпадения нулевого штриха с серединой биссектора. Затем микровинтом 12 приводят измерительные наконечники в соприкосновение друг с другом и устанавливают шкалу трубки оптиметра на нуль. После этого стопорят винт пиноли.

    При измерении переднюю бабку отодвигают от задней, совмещают последнюю с требуемым биссектором миллиметровой шкалы. Измеряемую деталь устанавливают на линии измерения с помощью предметного стола или люнетов, перемещают переднюю бабку до момента, когда измерительные наконечники обеих бабок коснутся измеряемой детали. При этом изображение шкалы оптиметра не должно выходить из поля зрения трубки оптиметра. Далее, перемещая бабку 10, совмещают ближайшие деления шкалы 13 с изображением биссекторного штриха и снимают отсчет. Число дециметров определяют по номеру пластины шкалы 13, снимая с помощью микроскопа 11 отсчет с точностью 0,1 мм, а сотые и тысячные доли миллиметра определяют по шкале трубки оптиметра.

    Измерительные машины ИЗМ-1, ИЗМ-2, ИЗМ-4 выпускаются с верхними диапазонами измерений 1, 2 и 4 м. Диапазон измерений ИЗМ-1 от 0 до 1000 мм при наружных и от 1 до 900 мм -при внутренних измерениях; ИЗМ-2 от 0 до 2000 мм при наружных и от 1 До 1900 -при внутренних измерениях; ИЗМ-4 от 0 до 4000 мм при наружных и от 1 до 3900 - при внутренних измерениях. Цена деления 1 мкм. Допускаемая погрешность биссекторной шкалы ± (0,3 + 9-10~ 3 £) мкм, шкалы с отсчетным устройством с= = 0,1 мм ± (0,7+1,5-10 -3 L), где L - номинальный размер, мм.

    Составляющие погрешности измерения на измерительных машинах аналогичны погрешностям оптиметра. Однако важной для машин является температурная составляющая. Предельные погрешности измерений методом непосредственной оценки наружных размеров 1-500 мм составляют от ±1 до ±6 мкм, а при измерении методом сравнения -от ±1 до ±2 мкм; внутренних размеров 13-500 мм методом сравнения с концевыми мерами от ± 1,5 до ±9 мкм.

    16.3 Длиномеры

    Длиномеры - оптико-механические приборы контактного типа, в которых шкала совмещена с линией измерения (полное использование принципа Аббе).

    Рис. 4. Оптическая схема вертикального длиномера ИЗВ-2

    Принципиальная схема вертикального длиномера ИЗВ-2 показана на рис. 4. Измерительный шток 4 имеет продольное окно, в которое вставлена стеклянная шкала 5, имеющая 100 делений с интервалами через 1 мм. Шкала 5 освещается источником света 1 через светофильтр 2 и конденсор 3. Изображение миллиметровой шкалы объективом 11 проецируется в плоскость сеток 7 и 8окуляра 6 спирального микрометра. Призмы 9 и 10 отклоняют пучок лучей, выходящий из объектива на 45°.

    Рис. 5. Оптическая схема вертикального проекционного длиномера ИЗВ-3

    Вертикальный проекционный длиномер ИЗВ-3 (рис. 5) отличается от длиномера ИЗВ-2 тем, что здесь вместо окулярного микрометра применено отсчетное проекционное устройство с оптическим микрометром. Свет от лампы / проходит конденсор 2, светофильтр 3, осветительные линзы 4 и падает на отражательное зеркало 5, освещает участок миллиметровой шкалы 6, перемещающейся вместе с измерительным штоком 7. Изображение этого участка шкалы объективом 8 через призменную систему 9, линзы 10 и плоскопараллельную пластину // проецируется на неподвижную сетку 13 (шкала десятых долей миллиметра с индексом). Лимб 12 имеет шкалу тысячных долей миллиметра. Лимб и сетка находятся в фокальной плоскости объектива 16. Изображение миллиметровых штрихов, десятых и тысячных долей миллиметра, а также индекс проецируется коллективной линзой 14, объективом 16 и зеркальной системой 15, 17, 18 на экран 19.

    На длиномере проводят абсолютные измерения концевых мер, диаметров гладких предельных калибров, корпусных деталей с разгювысотными плоскостями. При использовании малогабаритных угломерных устройств на них можно измерять профили малогабаритных дисковых кулачков.

    ТЗГТ7-Л7 П -------~~«тт л „ п *^тгл VO

    Рис. 6. Схема горизонтального длиномера ИК.У-2

    Принципиальная схема длиномера ИКУ-2 показана на рис. 6. На направляющих станины / установлена измерительная бабка 6, в которой на линии измерения (с соблюдением принципа Аббе)

    установлена измерительная пиноль 23. На правом конце пиноли крепится миллиметровая шкала 9 длиной 100 мм, а на левом конце- трубка оптиметра. При этом ее измерительный стержень 4 может перемещаться относительно пиноли 23 и поворачивать зеркало 5 трубки оптиметра. Грубое перемещение измерительного стержня производится штурвалом 13, а точное - микровинтом 10. В верхней части установлен экран и осветительная система. Свет, идущий от лампы 8, разделяется на два пучка. Первый пучок преломляется призмой 7, освещает участок миллиметровой шкалы и проецирует изображение шкалы объективом 11 в плоскость неподвижной биссекторной шкалы 12 с ценой деления 0,1 мм общей Длиной 1 мм. Совмещенные изображения штрихов шкал 9, 12 объективом 14 проецируются на участок 15 экрана 17. Второй пучок преломляется в призме 7 и направляется на разделительный кубик, где, отразившись от полупрозрачной грани, падает на осветительное зеркало 20. Далее проходит оптиметровую шкалу 21 и ее Изображение объективом 22 проецируется на зеркало 5 трубки оптиметра. Автоколлимационное изображение оптиметровой шкалывозвращается на полупрозрачную грань кубика 19, проходит ее и„ отразившись от зеркала 20, направляется объективом 18 на участок 16 оптиметровой шкалы экрана 17. Деталь устанавливается на предметном столике 24 и ощупывается измерительными наконечниками 2, 3. Таким образом, в измерительной бабке складываются два независимых перемещения - измерительной пиноли 23 вместе с миллиметровой шкалой 9 в пределах 100 мм и измерительного стержня 4 трубки оптиметра в пределах 100 мкм. Эти перемещения фиксируются на экране по шкалам 15, 16.

    Измерительная бабка 6 вместе с измерительным наконечником 3 штурвалом 13 подводится к измеряемой детали. Микровинтом 10 перемещают измерительную пиноль 23 вместе со шкалой 9 до совмещения миллиметровой шкалы с ближайшим биссекторньш штрихом неподвижной шкалы десятых долей миллиметра. Отсчет снимают по шкале 15, прибавляя или вычитая из него показание шкалы 16 трубки оптиметра.

    Основные типы и технические характеристики вертикальных и горизонтальных длиномеров приведены в ГОСТ 14028-68.

    В эксплуатации находятся вертикальные и горизонтальные длиномеры следующих типов: вертикальные ИЗВ-1, ИЗВ-2, экранные ИЗВ-3 с диапазоном показаний 100 мм, диапазоном измерений О-250 мм и отсчетом 0,001 мм; горизонтальные ИКУ-2 с диапазоном показаний 100 мм, диапазоном измерений 500 мм и от 1 до 400 мм соответственно для наружных и внутренних размеров и отсчетом 0,001 мм.

    Основные преимущества этих длиномеров - повышенная точность измерения (в 3 раза), повышенная производительность (в 2 раза), облегчение ручного и полуавтоматического управления процессом измерения, абсолютные измерения с высокой точностью и относительные от аттестованного значения образцовой меры с выводом результата измерения на цифровое табло и цифропечатающее устройство.

    Основные технические характеристики вертикального длиномера с цифровым отсчетом ИЗВ-4 следующие: предел измерения О-160 мм; дискретность отсчета 0,2 мкм; основная погрешность прибора ± (0,4 + L/500) 10 3 мм, где L - измеряемая длина в мм.

    Горизонтальный длиномер с цифровым отсчетом ИЗГ-4 имеет следующие основные характеристики: пределы измерения наружных размеров 0-500 мм, внутренних - 10-400 мм; дискретность отсчета 0,2 мкм; основная погрешность ± (0,3-М0~ 3 L) мм, где L - измеряемая длина в мм.

    Предел допускаемой погрешности длиномера нормируется в зависимости от номинального размера L и типа прибора: для вертикальных ±(1,4 + L/100) мкм (ИЗВ-1); ±(1,4 + 1/140) мкм (ИЗВ-2)"; для горизонтальных ± (1,4 + L/100) мкм (ИКУ-2)-при наружных измерениях и ± (1.9 + L/140) мкм при внутренних изме-

    рениях. Размах показаний не более 0,4 мкм, измерительное усилие 200 сН.

    Основными составляющими погрешности измерения длиномерами являются: погрешность отсчета по спиральному микроскопу- не более 0,001 мм при двукратных измерениях: погрешность отсчета по оптическому микрометру - не более 0,001 мм; погрешности перепада измерительного усилия вследствие температурных деформаций.

    Предельные погрешности измерения длиномерами составляют от 1,5 2,5 мкм в зависимости от условий применения.

    Поверка длиномеров регламентирована ГОСТ 8.114-74 и МУ-№ 341. При поверке применяют концевые меры 4-го разряда. Учитывая применение больших концевых мер, существенное внимание должно уделяться выравниванию их температуры. Для этого обычно концевые меры помещают на металлическую плиту блоков концевых мер на 1-2 ч и более при длине мер соответственно до 100 мм и 100-250 мм.

    16.4 Катетометры

    Катетометры - приборы для бесконтактного дистанционного измерения в труднодоступных местах вертикальных и горизонтальных координат изделий, которые трудно измерить обычными методами.

    Катетометр (рис. 7, а) состоит из следующих основных частей: визирного устройства - зрительной трубы 3, перемещаемой по направляющим 1, устройства 4 для установки зрительной трубы в горизонтальное положение (уровень или автоколлиматор), шкалы 5 и отсчетного устройства 2 (микроскоп, нониус, лупа). На рис. 7, б показана оптическая схема катетометра КМ-6, состоящая из зрительной трубы и отсчетного микроскопа с осветительной системой. В зрительную трубу входят объектив 10 с насадочными линзами 8, светофильтр 9, фокусирующая линза 11, сетка 13 и окуляр 15. Отсчетный микроскоп включает микрообъектив 2, куб-призму 3, масштабную сетку 12 и окуляр 14.

    Осветительная часть микроскопа, предназначенная для подсветки шкалы 1, состоит из лампы 7, конденсора 6, светофильтра 5 и зеркала 4.

    В отсчетном микроскопе лучи света от лампы 7 проходят конденсор 6, светофильтр 5, отражаются от зеркала 4, проходят куб-призму 3 и через микрообъектив 2 попадают на отражающую поверхность миллиметровой шкалы 1; затем отражаются от нее и в обратном направлении проходят микрообъектив 2, куб-призму 3, "И изображение штриха проецируется на масштабную сетку 12. Совмещенное изображение штриха и масштабной сетки наблюдается в окуляр 14. При измерении координат катетометром ориентировочно определяют расстояние от объекта измерения до объектива зрительной трубы. Выставляют ось колонки в вертикальное положение по уровню. Поднимают измерительную каретку на высотувыбранной точки объекта и с помощью механического визира грубо выставляют зрительную трубу. Наводят окуляр зрительной трубы на резкое изображение объекта. Зрительную трубу наводят на выбранную точку а объекта так, .чтобы ее изображение расположилось в правой половине сетки посредине углового биссектора на уровне горизонтального штриха. Снимают первый отсчет по масштабной сетке. После перемещения измерительной каретки в положение второй точки б снимают второй отсчет. Размер измеренного отрезка есть разность между двумя отсчетами.

    Рис. 7. Катетометр

    В соответствии с ГОСТ 19719-74 катетометры изготовляют двух типов: В - вертикальный для измерения вертикальных координат; У - универсальный с приспособлением для измерения горизонтальных координат.

    Однокоординатные вертикальные катетометры КМ-6, КМ-8, КМ-9 имеют пределы измерения 0-200, 0-500 и 0-1000 мм и погрешности отсчетного устройства ±1,5; ±2 и ±2 мкм соответственно.

    Двухкоординатный универсальный катетометр КМ-7 имеет предел измерения 300X300 мм; погрешность отсчетного устройства ±2 мкм; трехкоординатный модернизированный катетометр КМ-9 имеет предел измерения 1000 мм; погрешность отсчетного устройства ±2 мкм.

    Пределы допускаемой погрешности катетометров при измерении по образцовым шкалам 2-го разряда не должны превышать ±(10 + L/100) мкм при диапазонах измерения по шкалам 40- 320 мм и ±(10 + L/50) мкм - по шкалам 500-1250 мм, где L - расстояние от переднего торца объектива зрительной трубы до объекта измерения.

    При измерении координат катетометрами возникают погрешности вследствие нарушения принципа компарирования, неточности изготовления отдельных элементов конструкции, погрешностей установки визирных марок на изделие и температурных погрешностей.

    16.5 Сферометры

    Сферометры - приборы, предназначенные для измерения радиусов кривизны сферических поверхностей косвенным измерением высоты шарового сегмента. Принципиальная схема сферометра ССО (ИЗС-7) показана на рис. 8, а. В корпус стаканообразной формы 4 в верхней части установлено сменное измерительное кольцо 1, на торце которого под углом 120° запрессовано три шарика 10 для базирования измеряемой детали. Внутри корпуса по точным направляющим может перемещаться измерительный стержень 9 с контактным шариком на верхнем конце. В продольном пазу стержня крепится миллиметровая стеклянная шкала 6, подсвечиваемая отраженным от зеркала 3 световым потоком осветителя 2. Изображение миллиметровой шкалы проецируется микрообъективом 7 в плоскость шкал спирального окулярного микрометра 8. Противовес 5 обеспечивает подъем измерительного стержня до контакта (с определенным усилием) шарика с поверхностью сферы.

    При измерении радиусов кривизны выпуклых поверхностей, последняя опирается на внутреннюю поверхность кольца, а вогнутых поверхностей - на наружную поверхность кольца, т. е. по точкам Ki, Кг (рис. 8, б).

    Рис. 8. Сферометр ССО (ИЗС-7)

    При измерении на кольцо устанавливают образцовую стеклянную пластину и снимают первый отсчет; поместив на кольцо измеряемую деталь, снимают второй отсчет. Разность отсчетов и есть высота шарового сегмента.

    Радиусы кривизны сферических поверхностей /? 4 и R z определяются по формулам: для выпуклой сферы Ri - r 2 + h 2 /2h- q; для вогнутой сферы Rz=r 2 + h 2 j2h + Q.

    ГОСТ 11194-76 предусматривает выпуск кольцевых контактных сферометров типов: ССО (ИЗС-7) -стационарный с оптическим отсчетным устройством с установкой детали на приборе; СНО (ИЗС-8)-накладной с оптическим отсчетным устройством с установкой прибора на деталь; СНМ (ИЗС-9)-механическое устройство, измерение сравнением с концевой мерой.

    Диапазон измерения радиусов на сферометрах ССО, СНО, СНМ от 10 до 40000 мм: диапазон шкал сферометров ССО, СНО от 0 до 30 мм, а СНМ от 0 до 100 мм; цена деления 1,0 мм; цена деления шкалы отсчетного устройства 0,001 мм.

    16.6 Инструментальные и универсальные микроскопы

    Инструментальные и универсальные микроскопы - измерительные оптико-механические приборы широкого применения. Их используют в метрологических лабораториях машиностроительных заводов для измерения линейных и угловых геометрических величин.

    Рис. 9. Оптическая схема инструментального микроскопа

    Инструментальные измерительные микроскопы предназначены для измерения в проходящем и отраженном свете наружных и внутренних геометрических размеров, углов изделий по угломерной головке и столу, резцов, фрез, кулачков, шаблонов и других деталей.

    Оптическая схема (большого инструментального микроскопа (БМИ) показана на рис. 9. Свет от лампы 1 проходит парабол-лоидный конденсор 2, линзу 3, светофильтр 4, ирисовую диафрагму 5, отражается от зеркала 6 и с измененным направлением в 90° направляется в линзу 7, а из нее параллельным пучком освещает измеряемый объект, расположенный на предметном столе 8 или в центрах бабки. Объектив 9 проецирует изображение предмета в фокальную плоскость окуляра 14, где установлена сетка 13 угломерной окулярной головки. В задней фокальной плоскости объектива расположена диафрагма 10, сопряженная с ирисовой диафрагмой, в результате чего создается телецентрический ход лучей.

    Призма 11 обеспечивает получение прямого изображения и изменяет направление оптической оси в удобном для наблюдателя направлении. Защитное стекло 12 предохраняет от загрязнения оптические детали при смене окулярной головки.

    На схеме показана угломерная головка, состоящая из окуляра 14, стеклянного лимба 18 со шкалой от 0 до 360° с ценой деления 1°, сетки 13, которая может вращаться вместе с лимбом; отсчетно-го микроскопа с объективом 17, окуляром 15 с сеткой 16, осветительного устройства 20 и светофильтра 19.

    В окулярной головке наблюдают изображение контура объекта и сетку. Симметрично диаметральной штриховой линии справа и слева нанесены по две параллельные штриховые линии на расстоянии 0,3 и 0,9 мм соответственно положению рисок от края измерительных ножей, когда они находятся в контакте с измеряемой поверхностью детали. При наводке совмещаются соответствующие риски ножа и сетки, что значительно повышает точность измерения.

    Оптические измерительные приборы чрезвычайно разнообразны. По количеству типов оптических приборов их можно сопоставить с электроизмерительными. На самом деле, очень многие приборы из других видов измерения - из механики, из теплофизики, из физико-химии - в качестве оконечного каскада или в качестве первичного датчика имеют те или иные оптические детали.

    С самого начала следует определить, что в дальнейшем изложении будет считаться оптическим прибором. Вообще оптическим считается метод или прибор, регистрирующий электромагнитное излучение, видимое человеческим глазом, т. е. электромагнитные колебания с длинами волн от 760 нм до 350 нм. Однако развитие науки о свете привело к тому, что под оптическим и задачам и стали понимать измерение в более длинноволновой области - инфракрасное излучение - и в более коротковолновой области - ультрафиолетовое излучение. Соответственно, расширилось число методов и приборов, которые являются прерогативой оптиков. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить, что в оптическом приборостроении и в оптических исследованиях последних десятилетий оптическая наука прирастала в основном крайними, т. е. инфракрасной (ИК) и ультрафиолетовой (УФ) областями спектра. Поэтому сейчас под оптическими приборами и методами подразумевают практически все, что «родом» из видимого человеческим глазом электромагнитного излучения.

    Ограничиваясь тематикой и объемом изложения, мы будем полагать, что читатель знаком с основами физической и геометрической оптики. Во всяком случае, здесь нет возможности излагать суть таких явлений, как дифракция, интерференция, поляризация и др., равно как останавливаться на основных законах оптики, например на фотоэффекте, принципах работы лазеров, на законах излучения, на синхротронном излучении и т. д. Для более подробного знакомства с физикой оптических явлений здесь даны ссылки на учебный материал, специально посвященный данному конкретному разделу оптики.

    Прежде чем перейти к конкретному изложению принципов действия оптических приборов, имеет смысл раскатегорировать их по измеряемым физическим величинам или по области применения, что зачастую является одним и тем же. С такой точки зрения оптические измерительные приборы можно разделить на классы, например так, как показано на схеме рис. 8.1
    .

    Фотометрические оптические приборы - это класс оптики для изменения световых потоков и величин, непосредственно связанных со световыми потоками: освещенности, яркости, светимости и силы света. Фотометры целесообразно разделять на традиционно оптические, измеряемые характеристики в которых имеют чувствительность, соответствующую чувствительности человеческого глаза, и так называемые фотометры энергетических фотометрических величин, т. е. те же характеристики безотносительно к чувствительности глаза человека. Естественно, что в энергетических фотометрах величины выражаются не в люменах, люксах, нитах, а в единицах механических:

    Спектральные оптические приборы - огромный класс оптической техники, для которого общим является разложение электромагнитного излучения в спектр по длинам волн. Существуют спектроскопы - визуальные приборы, монохроматоры - приборы, выделяющие излучения на какой-либо фиксированной длине волны, полихроматоры, выделяющие излучение на нескольких длинах волн, спектрографы - регистрирующие весь спектр монохроматического излучения. Если в приборе кроме разложения излучения в спектр имеется возможность измерения каких-либо энергетических характеристик электромагнитного излучения, то такой прибор называется спектрофотометром или квантометром.

    Интерферометрами называют приборы, в которых основной измеряемой характеристикой является не амплитуда световой волны и связанная с ней энергия, а фаза электромагнитного колебания. Именно такой подход позволил создать самые точные на данный момент средства измерения, реально позволяющие измерять величины с погрешностями в 11-12 знаке. Именно поэтому интерферометры применяются в основном для решения задач, требующих от приборов предельно высокой точности, например, в эталонах, в обслуживании уникальных научных программ, в реализации сверхчувствительных методов анализа состава вещества и т.п.

    Другие классы оптических приборов, представленные на схеме рис. 8.1 не так обширны, как фотометры и спектрометры. Тем не менее они выделены вследствие того, что у них определяющим является специфическое физическое явление.

    В поляриметрах используется такое волновое свойство света, как поляризация, т. е. определенная ориентация колебаний электромагнитной волны относительно направления распространения. Многие вещества обладают свойствами изменять направление поляризации. На этом принципе работают не только преобразователи для измерения магнитных величин, но и некоторые приборы для анализа состава веществ и материалов, например сахариметры.

    Приборы для измерения показателя преломления твердых тел, жидкостей и газов. В них используется изменение направления пучка света на границе раздела двух сред. Эти приборы используются в качестве индикаторов в хроматографах, в многочисленных метеорологических приборах специального назначения, в газовом анализе и т. д.

    Приборы для угловых измерений - в большинстве своем представляют собой зрительные трубы или лазеры, оптическая ось которых снабжена отсчетным угловым лимбом. Таким прибором можно измерять углы, последовательно наводя оптическую ось на два раздельных объекта. Сюда же можно отнести и оптические дальномеры, использующие измерения углов наблюдения одного и того же объекта двумя зрительными трубами. Гониометры широко применяются в топографии, в военной технике, в геодезических работах.

    Измерительные микроскопы представляют собой приборы для увеличения видимых размеров (или углов наблюдения) различных объектов и измерения размеров увеличенных деталей. В разделе «Механические измерения» рассматривались два типа такой измерительной техники: это измеритель длин ИЗА и микроскоп Линника - прибор для измерения шероховатости поверхностей. Наиболее массовыми приборами такого типа являются обычные микроскопы, снабженные окуляр-микрометром. Это позволяет оценивать размеры объема при непосредственном наблюдении его через микроскоп. Такими приборами широко пользуются врачи, биологи, ботаники и вообще все специалисты, работающие с небольшими объектами.

    Приборы для измерения собственного теплового излучения тел называются пирометрами (от слова «пиро» - огонь). В этих приборах используются законы излучения нагретых тел - закон Планка, закон Стефана-Больцмана, закон Вина, закон Релея-Джинса. Этот класс приборов рассмотрен нами в разделе о температурных измерениях, где пирометры рассматриваются как средства неконтактного измерения температуры.

    Термин «фотометрия» образован от двух греческих слов: «фос» - свет и «метрео» - измеряю. В измерительных приборах, регистрирующих область спектра, видимую человеческим глазом (λ = 350 - 760 нм) важно не только измерить энергетические характеристики, но и изготовить прибор таким образом, чтобы его чувствительность к излучению соответствовала бы чувствительности человеческого глаза. Такие приборы измеряют оптические величины в оптических единицах, основной из которых является кандела (свеча). Сила света определяется как энергия потока, видимого человеческим глазом, т. е. механическая энергия, умноженная на видность глаза, распространяющая в единичном телесном угле, т. е.

    (8.1)

    Если сила света выражена в канделах, а телесный угол в стерадианах, то световой поток выразится в люменах.

    Освещенность какой-либо поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, есть поверхностная плотность светового потока, т. е.

    Связь освещенности и силы света дается фундаментальным законом фотометрии, гласящем, что освещенность от точечного источника изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности, т. е.

    (8.3)

    где φ - угол между нормалью к поверхности и направлением распределения света. Освещенность выражается в люменах. Если поставлена задача охарактеризовать фотометрические параметры самосветящегося объекта: нити накаливания лампы, экрана монитора, колбы люминесцентной лампы и т. д., измерять следует величину, называемую светимостью:

    где dS - элемент светящейся поверхности. Светимость в оптических единицах выражается в люменах с квадратного метра (лм/м 2).

    Еще одной распространенной оптической физической величиной, измеряемой на практике, является яркость. Яркость определяется для светящегося объекта как сила света с единицы поверхности, перпендикулярной лучу:


    Рис. 8.2. К определению яркости: а) самосветящаяся поверхность; б) поверхность, освещенная сторонним источником света

    Для поверхности, освещенной сторонним источником света, яркость определяется как отношение освещенности поверхности к телесному углу, опирающемуся на эту поверхность, и имеющему вершину в точке наблюдения:

    Еще одно определение яркости относится к лучу света безотносительно к тому, является он исходящим от самосветящейся поверхности или падает на какую-либо поверхность. Яркость элементарного луча определяется как освещенность, которую он создает на перпендикулярной к нему поверхности в единичном телесном угле, который он заполняет:

    (8.7)

    В тех случаях, когда создаются приборы, работающие в инфракрасном или в ультрафиолетовом диапазонах, вместо оптических единиц, как уже указывалось, используются механические единицы, т. е. мощность измеряется в ваттах, энергетическая освещенность - в ваттах на квадратный метр, энергетическая сила света - в ваттах на стерадиан, энергетическая яркость - в ваттах на метр квадратный на стерадиан. В главе «Метрология» указано, что связь между относительными фотометрическими единицами осуществляется использованием понятия механического эквивалента света и функции видности человеческого глаза. Напомним, что механический эквивалент света есть мощность светового потока на длине волны 555 мкм, равная 1 Ватту механической энергии. В оптических единицах эта мощность равна 683 люмена, т. е.

    (8.8)

    В приборах для измерения силы света - свечемерах - используется закон измерения освещенности в зависимости от расстояния. В этом случае сила света какого-либо источника измеряется сравнением (компарированием освещенности, создаваемой этим источником с освещенностью, создаваемой источником, с известной силой света I,). Схема подобного прибора дана на рис. 8.3.

    Перемещением экрана и лампы добиваются равенства сигналов с фотоприемника при освещении обеими лампами. Затем измеряют расстояние r 1 и r 2 , соответствующие этому положению. Сила света источника I 2 находится из очевидного равенства:

    (8.9)

    Существует достаточное количество различных реализаций этого метода как по компарированию ламп с различным спектральным составом излучения, так и с различными интенсивностями. Вместо фотоприемника часто используют какое-либо визуальное устройство, и равенство освещенностей фиксируют без измерений фототоков.

    Тот же самый принцип в отношении измерения силы света мощных источников или при большом расстоянии от источника света до фотоприемника реализован в так называемом телеметрическом методе. Сущность этого метода основана на выделении и измерении светового потока ΔФ, распространяющегося от источника в пределах малого телесного угла Δω и определения таким образом силы света в соответствующем направлении. Рисунок 8.4
    поясняет сущность телеметрического метода.

    Излучение источника И, силу света которого надо определить, падает на положительную линзу Л, оптическая ось которой совпадает с направлением измеряемой силы света. В фокальной плоскости F устанавливается диафрагма D с площадью отверстия S, равной δ. Телесный угол, в пределах которого лучи, падающие на линзу Л, достигнут фотоэлемента, равен Δω=δ/f 2 , где f - фокусное расстояние линзы. Фототек в цепи фотоэлемента должен быть пропорционален световому потоку ΔФ, используемому в пределах постоянного для данного прибора телесного угла Δω. В этом случае фототек равен

    (8.10)

    где К - постоянный коэффициент, I - искомая сила света. Коэффициент К определяется при градуировке, и шкала электроизмерительного прибора комбинируется непосредственно в единицах силы света - в канделах или в ваттах на стерадиан.

    Для измерения светового потока проводят измерения освещенности внутренней поверхности белого матового шара. Если в фотометрическом шаре между источником света, поток от которого нужно измерить, и фотоприемником установить экран Э, то освещенность в точке расположения фотоприемника пропорциональна полному световому потоку:

    (8.11)

    где ρ - коэффициент отражения внутренней поверхности шара; r - радиус шара; а - фотометрическая константа шара - коэффициент пропорциональности между величиной светового потока от источника и освещенностью поверхности фотоприемника. В большинстве практических случаев коэффициент а определяется экспериментально измерениями светового потока источника с известными значениями полного светового потока.

    Измерители освещенности - люксметры - являются наиболее массовыми оптическими приборами, используемыми на практике. Именно этими приборами контролируется уровень освещенности во всех случаях - в помещении, на улице, при выполнении каких-либо технологических измерений и т.д.

    Люксметры по принципиальной схеме являются наиболее простыми из всех фотометрических приборов. Фотоэлектрические люксметры состоят, как правило, из фотоэлемента и чувствительного электроизмерительного прибора. Необходимым условием правильности показаний люксметра является соответствие спектральной чувствительности фотоприемника функции видности человеческого глаза, т. е. максимальная чувствительность должна быть в желто-зеленой области со спадом в ультрафиолетовую (до 380 нм) область и в инфракрасную (более 760 нм) область. Поскольку площадь фотоприемника строго фиксирована, сигнал с него пропорционален освещенности, и шкала прибора, соответственно, может быть проградуирована в люксах.

    Инфракрасного излучения. Поскольку связь общей энергии теплового излучения с температурой дается законом Стефана-Больцмана, показания спектрофотометров зависят от того, какой источник света освещает данный объект. В большинстве случаев приборы градуируются для освещения лампами накаливания, т. н. Источник типа А. Если объект освещен другими типами источников, например люминесцентными лампами или ртутными дуговыми лампами, то показания по шкале люксметра можно исправить с помощью поправочного коэффициента N, на который нужно умножить результат, чтобы найти правильное значение измеряемой освещенности. Значения поправочного коэффициента N для наиболее часто используемых источников света приведены в табл. 8.1.

    Таблица 8.1

    Поправочные коэффициенты для измерения
    энергетических потоков источников света
    с различными цветовыми температурами

    Цветовая температура источника света, К 2360 2856 3100 3250 3400 4800 5800
    Поправочный коэффициент, N 1,003 1,00 0,99 0,975 0,973 0,843 0,78

    Для измерения яркости в соответствии с 8.5 - 8.7 необходимо измерить энергию светового пучка, ограниченного двумя диафрагмами. Для реализации этого яркомер содержит, как правило, ахроматический объектив, проектирующий изображение объекта в плоскость диафрагмы D, за которой устанавливают фотоприемник. Схема яркомера дана на рис. 8.5.

    Прибор, построенный по такой схеме, реагирует на световой поток, исходящий с поверхности определяемого размера dS под определенным углом dω. Следовательно, регистрируемый фототек будет пропорционален яркости объекта, и прибор может быть проградуирован в единицах яркости. На практике яркомеры имеют визирное устройство, позволяющее видеть глазом тот участок поверхности, яркость которого измеряется.

    При измерении яркости протяженных самосветящихся объектов можно воспользоваться прибором для измерения освещенности - люксметром,- расположив его непосредственно на светящейся поверхности. В этом случае фотоприемник соберет все излучение объекта, исходящее в телесном угле в 2π стерадиан, и яркость самосветящейся поверхности будет отличаться от освещенности на 2π, т. е.

    Этим способом часто пользуются на практике. Существуют также промежуточные приборы, проградуированные в единицах яркости, хотя по своей схеме они идентичны обычным люксметрам.


    К атегория:

    Слесарно-инструментальные работы

    Оптические измерительные приборы

    В конструкции измерительной машины кроме трубки оптиметра, в которой использован принцип оптического рычага, также находят применение и другие оптические устройства, лежащие в основе конструкций ряда оптических измерительных приборов. Такие приборы получили название оптических измерительных приборов.

    Оптические измерительные приборы построены на принципе исследования человеческим глазом увеличенного теневого изображения измеряемого предмета. К числу таких измерительных приборов относятся, широко применяемые в инструментальном производстве, инструментальный и универсальный микроскопы и проекторы.

    Инструментальный микроскоп модели ИТ служит для измерения сложных профилей инструмента. Он состоит из оптической головки, передвигаемой вверх и вниз по стойке, стола с салазками, перемещаемых на шариках в продольном и поперечном направлениях, основания и осветительного приспособления. Стойка может при необходимости повертываться вокруг горизонтальной оси. Грубая установка оптической головки по высоте производится от руки, точная - винтом, а ее закрепление в установленном положении - винтом. Два микрометрических устройства служат для отсчета поперечного и продольного перемещения стола. Видимая на столе микроскопа рамка с центрами предназначена для закрепления деталей.

    Принцип работы инструментального микроскопа состоит в следующем. От источника света лучи идут сквозь специальное устройство, называемое диафрагмой и регулирующее количество проходящего света. Отражаясь в зеркале, они проходят прозрачную пластинку мимо расположенного на столе изменяемого предмета и следуют дальше в объектив, увеличиваю-м размеры рассматриваемого контура. В дальнейшем, четыре раза преломляясь в трех призмах, лучи выходят перпендикулярно к матозому стеклянному экрану, на котором нанесены темные штрихи, и становятся видными в окуляре. В окуляре можно видеть освещенный контур измеряемого предмета, увеличенный в 30 раз.

    Рис. 1. Инструментальный микроскоп.

    На штриховом экране для сравнения с профилем измеряемого предмета нанесены различные профили, линии и шкалы как линейные, так и угловые. Поворачивая экран вокруг оси его вращения, можно совмещать линии этого экрана с отдельными частями профиля предмета и отсчитывать углы поворота экрана, а следовательно, размеры и углы измеряемого предмета.

    Процесс измерения на описываемом приборе состоит из следующих операций:
    а) установка предмета до совпадения измеряемой части профиля с определенной линией или профилем экрана;
    б) перемещение предмета или экрана до совпадения второй части профиля с той же линией или профилем на экране;
    в) отсчет по экрану или микрометрическим устройством произведенного перемещения предмета от одной линии экрана до другой.

    При измерении углов весь процесс осуществляется с помощью оптической головки микроскопа, а при измерении длины роль оптической головки ограничивается только контролем точности установки детали и перенесением размеров; отсчет производится по микрометрическим устройствам.

    Рис. 2. Оптическая схема микроскопа.

    Микроскоп имеет сменные объективы с увеличением в десять, пятнадцать и тридцать раз. Его штриховые экраны также сменные.

    Микроскоп имеет и специальный экран для измерения резьб, а также угломерный экран.

    Рис. 3. Угломерный экран: а - общий вид: б - поле зрения бокового микроскопа А и окуляра.

    В средней части угломерного экрана расположены две взаимноперпендикулярные риски, с которыми может совмещаться контур измеряемого предмета. По всей окружности экрана нанесена угловая шкала от 0 до 360° с делениями через каждый градус. Шкала рассматривается через боковой микроскоп А, в котором кроме градусной шкалы видны деления с интервалом в две минуты. Шкала бокового микроскопа с отсчетом 121°38’ показана на рис. 3, б.

    Точность проверки угловых величин на инструментальном микроскопе составляет + 1-2’, а линейных измерений + 0,005 мм. Чтобы обеспечить необходимую точность, нужно получить максимальную резкость изображения. Это достигается соответствующей регулировкой диафрагмы и правильной установкой оптической головки по высоте.

    Универсальный измерительный микроскоп (типа УИМ -21) представляет собой комбинацию инструментального микроскопа и оптической измерительной машины. Он дает возможность проверять детали значительных диаметров и длины (размеры 200 X ЮО) и точнее определять линейные размеры с помощью оптических устройств. Линейная точность отсчета на его шкалах составляет 0,001 мм, угловая Г.

    Универсальный микроскоп состоит из станины с вертикальной -тойкой для закрепления головки, снабженной штриховыми и угломерными экранами, стола, перемещающегося в поперечном направлении, каретки с центровыми бабками, передвигаемой в продольном направлении, оптических устройств, фиксирующих величину перемещения каретки и стола, и наконец, осветительного устройства.

    Рис. 4. Отсчет

    Рис. 5. Отсчет линеиных перемещении в универсальном микроскопе.

    Высокая точность линейных перемещений стола и каретки гарантируется двумя микроскопами, установленными на станине прибора. В окуляре любого из них глаз видит изображение, показанное в окружности на рис. 4. Это изображение есть результат одновременного рассматривания через окуляр подвижной и неподвижной пластинок, установленных в микроскопе, и шкалы, находящейся на каретке или столе микроскопа. Пластинки и шкала изготовлены из стекла и освещены снизу электрической лампочкой.

    Во время передвижения стола шкала с делениями перемещается вместе со столом и кареткой и дает возможность отсчитывать величину передвижения в миллиметрах. Перемещение в десятых долях миллиметра отсчитывается по делениям стеклянной неподвижной пластинки, установленной в микроскопе. Отсчет сотых и тысячных Долей производится по шкале подвижной пластинки. Для этой цели поворотом подвижной пластинки устанавливают одну из пар спиральных линий так, чтобы миллиметровое деление, видимое на 8* рис. 56, оказалось по середине между рисками этой пары спиральных линий. Сумма показаний шкал, т. е. количество миллиметров, видимых на фоне спиральных линий, количество десятых долей на поперечном указателе неподвижной пластинки и сотые, и тысячные, приходящиеся против этого поперечного указателя, дадут точное положение стола или каретки по отношению к оси микроскопа.

    лов и линейных размеров и устроены так же, как, устроен угломерный экран инструментального микроскопа. Вторые окуляр и экран служат для определения правильности углов профиля, высоты, притуплений и закруглений у резьбы. Этот

    экран представляет собой стеклянный диск с профилями резьбы различных систем и шагов. Совмещая профили экрана с теневым изображением исследуемой под микроскопом резьбы, оценивают правильность ее выполнения.

    Проекторами называют оптические измерительные приборы, дающие увеличенное изображение профиля исследуемого предмета на экране. Эти приборы очень производительны и характеризуются точностью отсчета до 5 мк, а увеличение измеряемого профиля в приборах составляет 10, 20 и 50, в зависимости от силы сменного объектива.

    Большой проектор модели БП, схема работы которого показана на фигуре, состоит из проектирующего устройства, объектива зеркала и экрана. Источник света, помещенный в проектирующем устройстве, посылает лучи света, которые попадают на край детали и частично задерживаются. Прошедшие же контур детали лучи попадают в объектив и идут дальше на отражательное,устройство (зеркало), а затем попадают на экран, где и образуют увеличенное теневое изображение контура проверяемого предмета, видимое иа светлом фоне. Теневое изображение может быть сравнено с вычерченным на прозрачной бумаге или экране изображением того контура, который следует выполнить у детали. Результаты измерения могут быть получены не только в виде тени, но и в виде чисел. Для этой цели экран снабжается двумя взаимноперпендику-лярными рисками, а стол - микрометрическими, поворотными устройствами и соответствующими нониусами.

    Рис. 6. Схема действия проектора.

    При работе на проекторе следует учитывать, что слишком большое увеличение, хотя и дает большую точность, все же ослабляет резкость изображения. Поэтому здесь выбирают такое увеличение, которое позволит четко наблюдать профиль измеряемого предмета.


    С помощью оптических приборов, дающих действительное изображение предмета и имеющих в плоскости изображений пластинки с делениями или перекрестием можно производить измерения двояким путем.

    1. Оптическая система вместе с жестко связанной с ней штриховой пластинкой может перемещаться относительно предмета. Точность визирования в основном обуславливается увеличением, даваемым микроскопом. Величина перемещения является измеряемой величиной размера. Погрешность при измерении входит целиком в результат измерения.

    2. Оптическая система неподвижна. Штриховая система либо перемещается в плоскости изображения предмета относительно самого изображения, либо имеет шкалу. Средством измерения является оптическая система. Точность визирования (контакта) с измеряемой поверхностью та же, что и в первом случае. Величина перемещения штриховой пластинки соответствует размерам действительного изображения. Следовательно, в результат измерения входит погрешность масштаба изображения, поэтому она должна быть точно известна, а изображение строго подобно предмету.

    Оптические приборы подразделяют на три разновидности:

    1) приборы с оптическим способом визирования с измеряемой поверхностью и механическим измерением перемещения точки визирования;

    2) приборы с механическим соприкосновением с контролируемым изделием и оптическим измерением перемещения точки соприкосновения;

    3) приборы с оптическим устройством для наблюдения контролируемого изделия и оптическим измерением перемещения точки визирования.

    К приборам первой разновидности относят инструментальные микроскопы и проекторы.

    Микроскопы инструментальные предназначены для измерения наружных и внутренних линейных и угловых размеров изделий в прямоугольных и полярных координатах. Они состоят из головки главного микроскопа и приспособления, с помощью которого либо сама головка, либо контролируемое изделие могут перемещаться в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях. Во многих конструкциях микроскопов окулярная штриховая пластинка может вращаться, что позволяет производить как линейные, так и угловые измерения. Величина перемещения измерительного стола определяется с помощью окулярного микрометра, концевых мер или штриховой меры. Отсчеты по шкалам производят чаще всего с помощью отчетных окуляров с неподвижными делениями. Наиболее часто на инструментальных микроскопах проводят измерения параметров резьбы.

    Инструментальный микроскоп малой модели (ММИ) имеет диапазон измерений в продольном направлении 75 мм, в поперечном – 25 мм. Цена деления резьбовой микропары перемещения – 0,01 мм, При размере свыше 25 мм используют концевые меры длины.

    Инструментальный микроскоп большой модели (БМИ) имеет диапазон измерения в продольном направлении 150 мм, в поперечном – 50 мм. Цена деления резьбовой микропары – 0,005 мм, что достигается за счет увеличения диаметра барабана. Появились микроскопы, у которых микропара снабжается импульсным устройством с цифровым отсчетом.

    Проектором в машиностроении называется оптический прибор, в котором оптическое устройство формирует изображение измеряемого объекта на рассеивающей поверхности, служащей экраном. Проектор служит для контроля и измерения изделий сложного профиля, например профильных шаблонов. Можно измерять контуры заточек, канавок, расстояние между центрами отверстий.

    Различают:

    Контроль увеличенного действительного изображения, спроектированного на экран или матовое стекло;

    Измерение с помощью координатного измерительного стола и измерительного перекрытия на экране.

    Приборы второй разновидности основаны на получении автоколлимационного изображения. Автоколлимацией называется ход световых лучей, при котором они, выйдя из одной части оптической системы параллельным пучком, отражаются от плоского качающегося зеркала и проходят систему в обратном направлении. К этим приборам относятся: оптиметр вертикальный и горизонтальный; оптический длинномер вертикальный и горизонтальный; интерферометр; измерительная машина; гониометр.

    Оптиметр – прибор для измерения линейных размеров сравнением с мерой, калибром или деталью-образцом, преобразовательным элементом в котором является рычажно-оптический механизм. Измерительной головкой служит трубка оптиметра окулярного или проекционного (экранного) типа. В трубке окулярного типа отсчитываются значения размеров по шкале, наблюдаемой в окуляре, в трубке проекционного типа отсчет производится на экране.

    Оптиметры изготавливают в двух вариантах – вертикальные с таким же расположением линии измерения и горизонтальные – с горизонтальной линией измерения. Вертикальный оптиметр служит для контактных измерений при контроле наружных линейных размеров, а горизонтальный – для наружных и внутренних размеров.

    Оптический длинномер – прибор для измерения линейных размеров сравнением со значением по шкале, встроенной в этот прибор и перемещающейся вместе с измерительным стержнем. Дробные значения отсчитываются по шкале с помощью нониуса, встроенного в специальный окулярный или проекционный микроскоп. В зависимости от конструкции стоек, в которых устанавливают длинномеры, они, как и оптиметры, бывают вертикальные и горизонтальные.

    Длинномеры на горизонтальных стойках типа ИЗВ предназначены для тех же целей, что и горизонтальные оптиметры, но измерения здесь ведут прямым методом без применения установочных мер длины. Горизонтальный длинномер типа ИКУ предназначен для измерения наружных и внутренних линейных и угловых размеров в прямоугольных и полярных координатах.

    Длинномеры и измерительные машины предназначены для измерения больших длин по одной оси координат. Погрешность измерения длинномером при рекомендуемых условиях, в том числе температурных, составляет от 0,001 до 0,003 мм.

    Гониометры служат для измерения углов бесконтактным методом с помощью автоколлиматора непосредственно по лимбу. Выпускают гониометры типов ГС-1, ГС-2, ГС-5, ГС-10 и ГС-30 с ценой деления соответственно 1, 2, 5, 10 и 30".

    Прибор имеет ось вращения, установленную на опорах в основании. К оси прибора крепится лимб, алиада и предметный столик. Лимб может вращаться совместно со столиком или совместно с алиадой. Алиада имеет отсчетное устройство и колонку со зрительной трубой, к которой прилагаются автоколлимационные окуляры.

    Интерферометр – измерительный прибор, основанный на интерференции света. Контактные интерферометры предназначены для измерения наружных диаметров с использованием стеклянных пластин. Диапазон измерения вертикального интерферометра до 150 мм, горизонтального – до 500 мм.

    Погрешность измерения вертикальным интерферометром при использовании концевых мер длины второго разряда составлят от 0,25 до 0,40 мкм. Эти интерферометры чаще всего используют для аттестации концевых мер длины на третий разряд.

    Измерительная машина – прибор для измерения линейных размеров сравнением со шкалой, встроенной неподвижно в этот прибор, с отсчетом дробных значений с помощью дополнительной шкалы, перемещающейся с одним измерительным наконечником и по трубке оптиметра. В машине имеется шкала с большим интервалом, который делится с помощью дополнительной шкалы, и устройство для отсчета значений с ценой деления 0,0001 мм. Измерительные машины предназначены в основном для измерения больших размеров (более 1000 мм) и относятся к горизонтальному типу. Измерения на машине производятся непосредственным методом или методом сравнения с мерой. В последнем случае отсчитывается отклонение от настроенного размера с использованием шкалы трубки оптиметра.

    Применяют измерительные машины в основном для больших концевых мер длины и очень часто для определения размера микрометрических нутромеров после их сборки. Погрешность измерения методом сравнения с мерой до 500 мм составляет от 0,0004 до 0,002 мм. При измерении методом непосредственной оценки, т. е. с использованием всех шкал, погрешность измерения при рекомендуемых условиях составляет от 0,001 до 0,020 мкм.

    Основными представителями третьей разновидности оптических приборов являются универсальный микроскоп и универсальный измерительный микроскоп.

    Универсальный микроскоп (УИМ) используется для измерения линейных и угловых размеров в плоскости с визированием измеряемых точек или линий с помощью микроскопа и отсчетом значений по оптическим шкалам. УИМ представляет собой двухкоординатную измерительную машину. Положение продольных и поперечных салазок определяется по стеклянным шкалам с помощью отсчетных микроскопов, снабженных окулярами со спиральным нониусом. При измерении резьб для повышения точности часто используют измерительные ножи.

    УИМ имеет диапазон измерений в продольном направлении 200 мм, в поперечном – 100 мм. Цена деления отсчетных линейных устройств 0,001 мм, угломерного устройства – 1".

    Изготавливают микроскопы с диапазоном измерений 500х200 мм. В некоторых микроскопах имеется проекционное устройство и цифровой отсчет размера. Микроскопы снабжаются различной оснасткой для проведения разнообразных измерений, поэтому они называются универсальными.

    Применение лазеров для линейных измерений. Использование лазеров, особенно газовых лазеров видимого диапазона, чрезвычайно расширило область применения оптических методов измерений расстояний и углов. Пространственная погрешность лазерного света позволяет коллимировать пучки с расходимостью, вызванной только дифракцией. Благодаря этому приборы с применением лазера обеспечивают угловую точность около 1 мкрад при работе на расстоянии порядка сотен метров.

    Благодаря высокой интенсивности лазерного излучения твизирование можно выполнять путем непосредственной посылки пучка света в заданном направлении, а интерферометрические измерения проводить в нормально освещенном помещении и даже на открытом воздухе.

    Одним из наиболее простых способов применения лазеров является техника визирования. Установив лазер, можно идти вдоль его условной «оптической струны, выверяя положение различных элементов контролируемой конструкции. Технику визирования широко применяют при сборке и монтаже самолетов, нефтехимического оборудования, кораблей, при нивелировании, проходке тоннелей, при строительстве больших сооружений.

    Наиболее распространенным методом измерения с помощью лазера является измерение длины с использованием обычной оптической интерференции для коротких дистанций и техники модулированного света – для длинных дистанций. Точность лазерных приборов определяется главным образом степенью стабилизации частоты применяемого лазера и реально может быть порядка 10 -9 – 10 -10 мм.

    С помощью лазеров можно осуществлять непрерывный интероферометрический контроль размеров деталей в производственном процессе. Лазерные интерферометры и цифровая техника сделали доступным контроль крупногабаритных изделий по отклонениям размеров, формы и расположения поверхностей.

    Одним из перспективных направлений развития техники линейных измерений является голографическая интерферометрия с использованием лазера.

    В лазерных интероферометах цехового назначения применяют лазерный измеритель перемещений ТПЛ-ЭОК1 с устройствами автоматического управления и ЭВМ. Прибор имеет кнопку установки нулевого положения, что дает возможность реализации измерений по методу сравнения с мерой. Прибор имеет стойку и измерительный столик, что позволяет проводить измерения как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

    6 СТАНДАРТИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ НОРМ ВЗАИМОЗАМЕНЕМОСТИ



     
    Статьи по теме:
    Как приготовить цесарку, чтобы она была мягкой и вкусной?
    Как приготовить цесарку, чтобы она была мягкой и вкусной?
    Цесарка вареная без костей и кожи – 75 г, шампиньоны или трюфели – 20 г, масло сливочное – 10 г, соус молочный – 100 г, соус белый с яичными желтками – 25 г, сыр – 10 г. Способ приготовления: Вареное мясо цесарки нарезать ломтиками, также нарезать шамп
    Шор-гогал Шор-гогал – рецепт приготовления азербайджанской кухни
    Шор-гогал Шор-гогал – рецепт приготовления азербайджанской кухни
    Азербайджанское блюдо шор-гогал – это уникальная национальная выпечка. Соленые пикантные булочки на Кавказе обязательно пекут на Новруз Байрам. Но что мешает взять и приготовить эти пироги просто так? Обычно булочки с ароматной и оригинальной начинкой под
    Ароматный хлеб с помидорами, базиликом и чесноком Хлеб с помидорами, базиликом и чесноком
    Ароматный хлеб с помидорами, базиликом и чесноком Хлеб с помидорами, базиликом и чесноком
    Если вы ведете неравный бой с лишними килограммами, пожалуйста, не читайте дальше и тем более не готовьте хлеб с помидорами, чесноком и базиликом, о котором я пишу ниже. В противном случае вы не сможете удержаться и съедите все, что испекли, а в последств
    Готовим ребрышки горячего копчения в маринаде
    Готовим ребрышки горячего копчения в маринаде
    Любые деликатесы из собственной домашней коптильни добавляют уважения в глазах гостей. Самым же популярным продуктом являются копчёные рёбрышки в домашних условиях. Для того чтобы, они получились вкусными и ароматными, необходимо знать, как коптить рёбрыш