Лекция № 4 Принципы измерения линейных размеров.

Нониус. Оптические методы измерения линейных размеров. Оптические микроскопы. Лазерные интерферометрические измерители перемещений

Линейные измерения, по-видимому, самые древние, которые стало производить человечество Для их выполнения существует множество инструментов – линейки, рулетки, штангенциркули, измерительные микроскопы, оптические и радио- дальномеры и т.п. Если производятся измерения с помощью линейки и показания считываются со шкалы непосредственно глазом, то погрешность определения линейного размера составляет 0, 5 мм, то-есть половину деления миллиметровой шкалы. Для увеличения точности считывания показаний со шкалы пользуются нониусом. Нониусом называется вспомогательная шкала, с помощью которой производят отсчёт долей делений основной шкалы измерительных приборов.

Рис. Пример линейного нониуса

На практике встречаются линейный и поперечный нониусы. На рисунке приведены примеры линейного нониуса на шкале измерений длин и углов. На нижнем рисунке приведен микрометр, в котором использован поперечный нониус на микрометрическом винте. Видно, что цена деления нониуса равна 0, 01 миллиметра, так как при полном

обороте (на 100 делений шкалы нониуса) линейное перемещение составляет один миллиметр. Микрометрические винты широко используются в измерительных микроскопах. Современные микрометры оборудованы электронным цифровым табло и позволяют измерять размеры с разрешением 1 мкм.

На практике применяются три способа измерений линейных размеров с помощью оптических микроскопов. В первом способе подлежащий измерению объект помещается на предметный столик, который перемещается в двух направлениях микрометрическим винтом. Наблюдая объект в микроскоп, перемещают столик и наводят его на края объекта. Размер определяют как разность показаний микрометрического винта.

Второй способ состоит в том, что определяется размер изображения объекта по координатной сетке или по шкале, нанесенной на окуляре микроскопа. Размер объекта определяется с учётом коэффициента увеличения микроскопа.

Третий способ заключается в помещении на предметном столике рядом с объектом тест-объекта с микронной шкалой. При этом сравниваются изображения объекта и шкалы, сделанные с одинаковым увеличением. Знание величины коэффициента увеличения при этом не нужно.

На рисунке приведена оптическая схема инструментального микроскопа

Необходимость в измерении малых размеров с помощью микроскопа возникает при измерении твёрдости материалов. Есть ряд методов определения твёрдости (по Бринеллю, по Виккерсу, по Роквеллу), в которых твёрдое тело – индентор – вдавливается в испытываемый образец материала с известной силой. Для определения твёрдости измеряется площадь отпечатка или его глубина.

Для измерения больших расстояний применяются различные методы дальнометрии. В зависимости от вида излучения используются оптическое излучение, и тогда это метод светодальнометрии, или излучение радиочастотного диапазона. В обоих случаях используется распространение излучения до объекта и назад. В импульсной дальнометрии измеряется время распространения короткого импульса излучения до объекта и назад. Расстояние до объекта определяется по формуле

, где с – скорость распространения излучения. Точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса до объекта и обратно. Чем короче импульс, тем лучше. Сущность импульсного метода состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По интервалу времени определяется расстояние до объекта. Дальность измерения до 20 км при энергии в импульсе ~ 0, 3 Дж. При точности регистрации времени 10 нс и скорости распространения синала с = 3·10⁸ м/с погрешность измерения расстояния составляет 3 м

В фазовой дальнометрии используется измерение фазы колебаний отражённого от объекта непрерывного излучения. Для этого излучение модулируется по синусоидальному закону с помощью модулятора (электрооптического кристалла, изменяющего свои параметры под воздействием электрического сигнала). Обычно используют синусоидальный сигнал с частотой 10...150 МГц (измерительная частота). Отраженное излучение попадает в приемную оптику и фотоприемник, где выделяется модулирующий сигнал. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза отраженного сигнала относительно фазы сигнала в модуляторе. Измеряя разность фаз, определяют расстояние до объекта. Раньше в качестве источника излучения использовались лампы накаливания. В настоящее время удобным источником излучения является лазер, так как он даёт хорошо сформированный и мало расходящийся пучок излучения. Это очень удобный способ измерения расстояния до искусственных спутников Земли. При этом на спутнике устанавливается уголковый отражатель излучения, чтобы увеличить мощность отражённого сигнала.

Для повышения точности измерений линейных размеров используется явление интерференции когерентных пучков света. Напомним, что когерентными называются пучки, имеющие одинаковые частоты колебаний и постоянную разность фаз.

Лазерное излучение в высокой степени монохроматичное, и луч лазера обладает большой пространственной когерентностью. На рисунке показана схема лазерного интерференционного измерителя расстояний. В его основу положена схема интерферометра Майкельсона. Лазерное излучение выходит из лазера 1 и попадает на светоделитель 2, в качестве которого используется полупрозрачное зеркало. Один луч идёт к измерительному отражателю 4, закреплённому на объекте, перемещение которого измеряется. Другой луч идёт к неподвижному зеркалу 3и отражается от него. Это опорное плечо интерферометра. Оба луча встречаются на фотоприёмнике 5, и здесь интерферируют. Если они приходят с разностью фаз, равной N·2π, где N - целое число, то сигнал с фотоприёмника максимален. По мере движения объекта разность фаз изменяется и сигнал с фотоприёмника меняется как показано на рисунке справа. Счётчик в блоке обработки сигнала 6 считает число максимумов сигнала. Каждое изменение N на единицу означает перемещение объекта на расстояние, равное длине волны излучения лазера. Такие измерители в состоянии измерять расстояния до 50 м с точностью, грубо говоря, длины волны, то-есть ~0, 5 мкм. Они применяются при производстве наукоёмкой продукции, при сборке секций космических аппаратов и ракет и т.д.