Оптические измерительные приборы. Московский государственный университет печати Оптические приборы для измерения динамических характеристик

Оптико-механические измерительные приборы. Эти приборы находят широкое применение в измерительных лабораториях и в цехах для измерения размеров калибров, плоскопараллельных концевых мер длины, точных изделий, а также для настройки и проверки средств активного и пассивного контроля. Эти приборы основаны на сочетании оптических схем и механических передач. К оптико-механическим измерительным приборам относятся: пружинно-оптические измерительные головки (оптикаторы), оптиметры, ультраоптиметры, длиномеры, измерительные машины, интерферометры и ряд других приборов.

Рис. 2.25. Оптиметр: а - вертикальный; б - горизонтальный

Рис. 2.26. :

7 - окуляр; 2 - зеркало; 3 - трехгранная призма; 4 - стеклянная пластинка; 5- призма полного отражения; 6 - измерительный стержень; 7 - зеркало поворотное; в - объектив

Состоит из измерительной головки, называемой трубкой оптиметра, и вертикальной или горизонтальной стойки. В зависимости от вида стойки оптиметры подразделяют на вертикальные (например, ОВО-1, или ИКВ) (рис. 2.25, а) и горизонтальные (например, ОГО-1, или ИКГ) (рис. 2.25, б). Выпускают также горизонтальные и вертикальные проекционные оптиметры (ОГЭ-1 или ОВЭ-02). У последних отсчет результата измерения производится по шкале, проецируемой на экран. Вертикальные оптиметры предназначены для измерений наружных размеров деталей, а горизонтальные - для измерения как наружных, так и внутренних размеров.

В оптической схеме оптиметров использованы принципы автоколлимации и оптического рычага. Принцип действия трубки оптиметра показан на рис. 2.26. Лучи от источника света направляются зеркалом 2 в щель трубки и, преломляясь трехгранной призмой 3, проходят через шкалу, имеющую 200 делений, нанесенных на плоскость стеклянной пластинки 4. Пройдя шкалу, луч попадает на призму полного отражения 5 и, отразившись от нее под прямым углом, направляется на объектив 8 и зеркало поворотное 7. Качающееся зеркало пружиной прижимается к измерительному стержню 6. При перемещении стержня 6, опирающегося на измеряемую деталь, зеркало 7 поворачивается на угол а вокруг оси, проходящей через центр опорного шарика, что вызывает отклонение отраженных от зеркала 7 лучей на угол 2а. Отраженный пучок лучей объективом превращается в сходящийся пучок, который дает изображение шкалы. При этом шкала смещается в вертикальном направлении относительно неподвижного указателя на некоторую величину, пропорциональную измеряемому размеру. Изображение шкалы наблюдается в окуляр 1, как правило, одним глазом, что утомляет контролера. Для обеспечения отсчета на окуляр 1 надевают специальную проекционную насадку, на экране которой можно наблюдать изображение шкалы обоими глазами. Основные метрологические характеристики оптиметров см. в табл. 2.9.

(рис. 2.27, а) состоит из измерительной головки и вертикальной или горизонтальной стойки. Схема работы длиномера показана на рис. 2.27, б. Конструкция длиномера соответствует принципу Э.Аббе, т. е. основная шкала является продолжением измеряемой детали 3. В пиноли 5 закреплен измерительный наконечник 4, входящий в соприкосновение с измеряемой деталью 3. Сила тяжести пиноли 5 уравновешена противовесом 1, который перемещается внутри масляного демпфера 2. Пиноль 5 соединена с противовесом стальной лентой 9, перекинутой через блоки, причем измерительная сила длиномера определяется разностью масс пиноли 5 и противовеса 1. Эта сила регулируется с помощью грузовых шайб 8. Отсчеты по стеклянной шкале 6, освещаемой источником света S, производят с помощью отсчетного микроскопа 7 со спиральным нониусом.

В настоящее время все большее распространение получают длиномеры с цифровым отсчетом, на табло которых высвечивается непосредственно измеряемый размер.

Основные метрологические характеристики оптических длиномеров см. в табл. 2.9.

Рис. 2.27. Оптический длиномер [а) и схема его работы (б) :

1 - противовес; 2 - масляный демпфер; 3 - измеряемая деталь; 4 - измерительный наконечник; 5 - пиноль; 6 - стеклянная шкала; 7 - отсчетный микроскоп; 8 - грузовые шайбы; 9 - стальная лента; S - источник света

Измерительные машины (одно-, двух- и трехкоординатные) предназначены для контроля сложных корпусных деталей, деталей значительных длин, измерения расстояний между осями отверстий, лежащих в одной или разных плоскостях, контроля параметров плоских профильных шаблонов в прямоугольных и полярных координатах. Двух- и трехкоординатные измерительные машины позволяют получать цифровой отсчет с автоматической выдачей результатов измерений на ЭВМ с последующим применением полученных программ в станках с ЧПУ для обработки аналогичных деталей (обработка по моделям). Более подробно измерительные машины рассмотрены в гл. 3.

Интерферометры относятся к весьма точным оптико-механическим приборам. Они применяются в основном для проверки концевых мер длины, размеров и формы особо точных изделий и основаны на использовании явления интерференции световых волн. Интерферометры для линейных измерений подразделяются на контактные (ИКПВ - вертикальные, ИКПГ - горизонтальные) и бесконтактные. Контактные интерферометры имеют одинаковые интерференционные трубки с возможностью регулирования цены деления от 0,05 до 0,2 мкм.

В трубке интерферометра (рис. 2.28) свет от лампы 1 направляется конденсором 2 через диафрагму 3 на разделительную полупрозрачную пластину 6.

Рис. 2.28. :

1 - лампа; 2 - конденсор; 3 - диафрагма; 4 - шторка; 5 - поворотное зеркало; 6 - полупрозрачная пластина; 7 - объектив; 8 - сетка; 9 - механизм перемещения окуляра; 10 - окуляр; 11 - компенсатор; 12 - зеркало; 13 - измерительный стержень; 14 - объект измерения

Часть лучей, пройдя через полупрозрачную пластину 6 и компенсатор 11, отразится от зеркала 12, закрепленного на верхнем конце измерительного стержня 13, и через компенсатор 11 вновь вернется к полупрозрачной пластине 6. Другая часть пучка света, отразившись от рабочей поверхности разделительной полупрозрачной пластины 6, попадает на поворотное зеркало 5 и после отражения также возвратится к полупрозрачной пластине 6. Рис. 2.29. Вертикальный контактный интерферометр:

Рис. 2.29. :

1 - кронштейн; 2 - кремальера; 3 - стойка; 4 - основание; 5 - винт; 6 - винт микроподачи; 7 - стол; 8 - теплозащитный экран; 9 - хомут трубки; 10 - трубка интерферометра

Таким образом, на рабочей поверхности полупрозрачной пластины 6 обе части пучка света интерферируют при небольшой разности хода. Объектив 7 проектирует интерференционную картину полос равной толщины в плоскость сетки 8. Интерференционные полосы и нанесенную на сетку шкалу наблюдают через окуляр 10.

Интерференционные полосы равной толщины образуются в результате поворота зеркала 5 на небольшой угол относительно поверхности зеркала 12. При освещении белым светом на фоне шкалы видна одна черная (ахроматическая) полоса и по обе стороны от нее несколько окрашенных полос убывающей интенсивности. Черная полоса служит указателем при отсчетах по шкале, имеющей по 50 делений в обе стороны от нуля, который смещается пропорционально перемещению измерительного стержня 13.

Вертикальный контактный интерферометр (рис. 2.29) имеет жесткое литое основание 4 и стойку 3. По направляющей стойки может перемещаться с помощью кремальеры 2 кронштейн 1, несущий трубку интерферометра 10. На хомуте трубки 9 закреплен теплозащитный экран 8. Стол 7 можно перемещать в вертикальном направлении винтом микроподачи 6 и стопорить в установленном положении винтом 5.

Основные метрологические характеристики интерферометров см. в табл. 2.9.

В последнее время отечественная промышленность стала выпускать бесконтактные лазерные интерферометры с цифровым отсчетом. Они позволяют измерять абсолютным методом детали больших размеров (до 60 м и более) с высокой производительностью и точностью. Цена деления таких приборов составляет от 0,1 до 0,01 мкм; погрешность измерения составляет 0,5 мкм на 1 м. Принципиальная схема одной из конструкций бесконтактного лазерного интерферометра представлена на рис. 2.30.

Рис. 2.30. :

1 - источник лазерного луча; 2 - неподвижное зеркало; 3 - пластина; 4 - V-образный рефлектор; 5 - основание рефлектора; 6 - измерительный стол; 7 - основание измерительного стола; 8 - неподвижное зеркало; 9- приемник; 10 - основание; 11 - показывающий прибор; 12 - корпус

Поступающий от источника лазерного луча 1 пучок света полупрозрачной пластиной 3 делится на два потока. Один направляется на неподвижное зеркало 2 и, отразившись от него, возвращается к пластине 3. Другой, проходящий сквозь пластину 3, попадает на неподвижное зеркало 8. Отразившись от неподвижного зеркала 8 и V-образного рефлектора 4, пучок возвращается к пластине 3, где интерферирует с первым пучком.

При помощи лазерных интерферометров проверяют двух- или трехкоординатные измерительные машины, микроскопы, прецизионные станки и другие точные механизмы.

Оптические измерительные приборы .

Эти приборы нашли применение в измерительных лабораториях для абсолютных и относительных измерений бесконтактным методом различных изделий сложного профиля (резьб, шаблонов, кулачков, фасонных режущих инструментов) и малых габаритных размеров, для точных измерений длин, углов, радиусов. Эти приборы построены на оптических схемах. К наиболее распространенным оптическим измерительным приборам относятся: микроскопы (инструментальный, универсальный, проекционный), проекторы, оптические длиномеры и угломеры, делительные головки, столы и др.

Инструментальные и универсальные микроскопы предназначены для абсолютных измерений углов и длин различных деталей в прямоугольных и полярных координатах. В соответствии с ГОСТ 8074-82 выпускают микроскопы с микрометрическими измерителями двух типов: типа А - без наклона головки и типа Б - с наклоном головки. У микроскопов ИМ 100x50, А; ИМ 150x50, Б предусмотрен отсчет по шкалам микрометрических головок 25 мм и применение концевых мер длины, тогда, как микроскопы ИМЦ 100x50, А; ИМЦ 150x50, А; ИМ 150x50, Б; ИМЦЛ 160x80, Б оснащены цифровым отсчетом.

Универсальные измерительные микроскопы отличаются от инструментальных большим диапазоном измерений и повышенной точностью. В них вместо микрометрических измерителей применены миллиметровые шкалы с отсчетными спиральными микроскопами.

Основные метрологические характеристики указанных микроскопов представлены в табл. 2.10.

Рис. 2.31. Микроскоп инструментальный модели ММИ [а], его отсчетное устройство (б), оптическая схема микроскопа [в) :

1 - визирный микроскоп; 2 - стойка; 3 - винт; 4 - лампа подсветки; 5 и 12 - маховики; 6 и 8 - микрометрические винты; 7 - основание; 9 - измерительный стол; 10 - шариковые направляющие; 11- объектив; 13 - кронштейн; 14 - кольцо; 15 - тубус; I - миллиметровая шкала; II - круговая шкала

Несмотря на конструктивные различия инструментальных и универсальных микроскопов принципиальная схема измерения во всех микроскопах общая - визирование различных точек контролируемой детали, перемещаемых для этого по взаимно перпендикулярным направлениям, и измерение этих перемещений посредством отсчетных устройств. Для обеспечения лучшего визирования микроскопы снабжают сменными объективами различной степени увеличения.

В качестве примера рассмотрим конструкцию (рис. 2.31, а) и принцип измерения микроскопа инструментального модели ММИ. На массивном чугунном основании 7 в двух взаимно перпендикулярных направлениях на шариковых направляющих 10 перемещается измерительный стол 9 с помощью микрометрических винтов 6 и 8. Для отсчета перемещений на гильзе, скрепленной с метрической гайкой, имеется миллиметровая шкала I (рис. 2.31, б), а на барабане, связанном с микрометрическим винтом, - круговая шкала II с 200 делениями (на рис. 2.31, б показание микрометра равно 29,025). Объектив 11 с тубусом 15 установлен на кронштейне 13, который перемещается в вертикальном направлении по стойке 2. Стойка 2 с помощью маховика 5 может наклоняться у микроскопов типа Б в обе стороны для установки микроскопа под углом подъема измеряемой резьбы. Имеется лампа подсветки 4. Маховик 12, перемещающий кронштейн 13, служит для фокусировки микроскопа, причем установленное положение фиксируется винтом 3. Для точного фокусирования микроскопа вращают рифленое кольцо 14, при этом тубус 15 смещается по цилиндрическим направляющим кронштейна. К верхней части тубуса крепится сменная угломерная окулярная головка с визирным микроскопом 1 и отсчетным устройством.

Оптическая схема микроскопа представлена на рис. 2.31, в. Измеряемая деталь АБ рассматривается через объектив ОБ микроскопа. Изображение детали АБ получается действительным, обратным и увеличенным.

Глаз наблюдателя через окуляр ОК видит мнимое, обратное и еще раз увеличенное окуляром изображение детали А2Б2.

Проекторы предназначены для контроля или измерения деталей сложного контура. Проектор состоит из объектива, дающего увеличенное изображение контролируемого изделия, и экрана, на котором оно рассматривается или сравнивается с сетками или предельными контурами. Проекторы бывают с экранами, работающими в проходящем и отраженном свете. Основные метрологические характеристики этих приборов представлены в табл. 2.11.

Оптические делительные головки (рис. 2.32, а, б) служат для измерения углов, а также для разметки и нанесения делений на деталях при обработке. Прибор состоит из корпуса 8, внутри которого в подшипниках помещен шпиндель 9, отсчетного микроскопа 11 с нониусами, переднего центра 6 для установки детали, задней бабки 12 и станины 13. Поворот шпинделя отсчитывается предварительно по шкале 14, а. точно - по стеклянной шкале с помощью отсчетного микроскопа, которая жестко закреплена на шпинделе (рис. 2.32, в). Ось шпинделя может быть установлена в любое положение в пределах между горизонталью и вертикалью. Отсчет углов в этом случае ведут по шкале 14. Основные метрологические характеристики оптических делительных головок типа ОДГЭ см. в табл. 2.11.

Оптические круглые столы предназначены для точных угловых измерений или поворотов на требуемые углы деталей, которые из-за Своей массы, формы и размеров не могут быть установлены в центрах или на оправках оптической делительной головки. Оптические круглые столы могут применяться также для точной разметки деталей по окружности или как точное приспособление для обработки деталей в полярной системе координат.

Для измерения наружных и внутренних углов применяют различные оптические угломеры . Величина отсчета по шкале равна 10", а допустимая погрешность ±5".

Наиболее точными угломерными приборами являются приборы, основанные на применении автоколлимационных зрительных труб. Одним из представителей таких приборов является автоколлиматор .

Он предназначен для измерения углов, измерения прямолинейности и плоскостности направляющих, а также для определения взаимного углового расположения осей и плоскостей изделий в пространстве. Кроме визуальных автоколлиматоров бывают автоколлиматоры с фотоэлектрической регистрацией результатов, например автоколлиматор АФ-2, предназначенный для измерения угловых перемещений с точностью 1",

Автоколлиматоры с фотоэлектрической регистрацией по сравнению с визуальными обеспечивают более высокую точность и скорость измерений. Основные характеристики некоторых автоколлиматоров см. в табл. 2.11.

Рис. 2.32. Оптическая делительная головка (а), ее схема (б) и стеклянная шкала (в] :

1 - тубус; 2 - лампа подсветки; 3, 4 и 74 - шкалы; 5 - поводок; В - передний центр; 7 - червячное колесо; 8- корпус; 9 - шпиндель; 10 - полусфера; 11 - микроскоп; 12 - задняя бабка; 13 - станина

В последнее время в условиях возрастающей сложности контролируемых изделий находят все более широкое применение измерительные двухкоординатные системы. Они позволяют без переустановки изделия проводить более сложные измерения его угловых и линейных размеров в прямоугольной системе координат. К этим приборам относятся измерительные микроскопы, измерительные проекторы и измерительные двухкоординатные машины.

Измерительные двухкоординатные машины (ИДМ) появились как результат естественного развития измерительных микроскопов и проекторов. Мерами в них служат штриховые или концевые меры длины, а также прецизионные измерительные винты. Эти машины характеризуются использованием высокоточных оснований, опор, направляющих и приводов для перемещения стола с изделием или измерительной головки. Результаты измерений в современных ИДМ выводятся на ЭВМ, чем достигается значительное повышение производительности измерений.

Основные метрологические характеристики оптико-механических двухкоординатных машин, их преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.12.

Оптические приборы для измерения параметров шероховатости поверхности (ГОСТ 9847 - 79) основаны на принципе одновременного преобразования профиля поверхности и предназначены для измерения параметров Rmax; Rz; S по ГОСТ 2789-73. Стандартом устанавливаются следующие типы приборов: ПТС - приборы теневого сечения; ПСС - приборы светового сечения; МОМ - микроскопы однообъективные муаровые; МИИ - микроскопы интерференционные, действие которых основано на двухлучевой интерференции света; МПИ - микроскопы-профилометры интерференционные, действие которых основано на интерференции света с образованием полос равного хроматического порядка.

Рис. 2.33. :
а - оптическим методом светового сечения; б - с помощью двухлучевого интерферометра; в - рефлектометрическим методом; 1 - фотоприемник (окуляр); 2 - линза; 3 - объект измерения; 4 - объектив; 5 - осветитель

Диапазоны измерений параметров шероховатости для указанных типов приборов следующие: ПТС - Rz\ S - 0,2... 1,6 мм; Rmax-40...320 мкм; МИИ - Rz; Rmax - 0,05…0,8 мкм; S - 0,002…0,05 мм; ПСС - Rz\ Rmax - 0,5 ...40 мкм; S - 0,002 ...0,5 мм; МПИ - Rz\ Rmax - 0,05…0,8 мкм; MOM - Rz\ Rmax - 0,8...40 мкм; S- 0,0005... 0,5 мм.

Оптический метод светового сечения (рис. 2.33, а) позволяет наблюдать в окуляр 1 сильно увеличенный профиль неровностей и, измеряя их с помощью шкал окулярного микрометра, определять Ra и Rz.

С помощью двухлучевого интерферометра (рис. 2.33, б) измеряют разность длин путей двух пучков света, отраженных от разных участков исследуемой поверхности.

Оптический прибор, построенный по схеме, изображенной на рис. 2.33, в, реализует рефлектометрический метод измерения и автоматизирует процесс измерения, обеспечивая получение интегрального значения высоты неровностей.

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

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.

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 называетсяспектрофотометром иликвантометром.

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. 8.1не 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, напримерсахариметры.

Рефрактометры - 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.

Гониометры - 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, снабженныеокуляр-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.

Оптический измерительный прибор

в машиностроении, средство измерения, в котором визирование (совмещение границ контролируемого размера с визирной линией, перекрестием и т.п.) или определение размера осуществляется с помощью устройства с оптическим принципом действия. Различают три группы О. и. п.: приборы с оптическим способом визирования и механическим (или др., но не оптическим) способом отсчёта перемещения; приборы с оптическим способом визирования и отсчёта перемещения; приборы, имеющие механический контакт с измеряемым объектом, с оптическим способом определения перемещения точек контакта.

Из приборов первой группы распространение получили проекторы для измерения и контроля деталей, имеющих сложный контур, небольшие размеры (например, шаблоны, детали часового механизма и т.п.). В машиностроении применяются проекторы с увеличением 10, 20, 50, 100 и 200, имеющие размер экрана от 350 до 800 мм по диаметру или по одной из сторон. Т. н. проекционные насадки устанавливают на микроскопах, металлообрабатывающих станках, различных приборах. Инструментальные микроскопы (рис. 1 ) наиболее часто используют для измерения параметров резьбы. Большие модели инструментальных микроскопов обычно снабжаются проекционным экраном или бинокулярной головкой для удобства визирования.

Наиболее распространённый прибор второй группы - универсальный измерительный микроскоп УИМ, в котором измеряемая деталь перемещается на продольной каретке, а головной микроскоп - на поперечной. Визирование границ проверяемых поверхностей осуществляется с помощью головного микроскопа, контролируемый размер (величина перемещения детали) определяется по шкале обычно с помощью отсчётных микроскопов. В некоторых моделях УИМ применено проекционно-отсчётное устройство. К этой же группе приборов относится Компаратор интерференционный .

Приборы третьей группы применяют для сравнения измеряемых линейных величин с мерами или шкалами. Их объединяют обычно под общим назв. Компаратор ы. К этой группе приборов относятся Оптиметр , Оптикатор , Измерительная машина , контактный интерферометр, оптический длиномер и др. В контактном интерферометре (разработан впервые И. Т. Уверским в 1947 на заводе «Калибр» в Москве) используется интерферометр Майкельсона (см. в ст. Интерферометр), подвижное зеркало которого жестко связано с измерительным стержнем. Перемещение стержня при измерении вызывает пропорциональное перемещение интерференционные полос, которое отсчитывается по шкале. Эти приборы (горизонтального и вертикального типа) наиболее часто применяют для относительных измерений длин концевых мер (См. Концевые меры) при их аттестации. В оптическом длиномере (длиномер Аббе) вместе с измерительным стержнем (рис. 2 )перемещается отсчётная шкала. При измерении абсолютным методом размер, равный перемещению шкалы, определяется через окуляр или на проекционном устройстве с помощью нониуса.

Перспективным направлением в разработке новых типов О. и. п. является оснащение их электронными отсчитывающими устройствами, позволяющими упростить отсчёт показаний и визирование, получать показания, усреднённые или обработанные по определённым зависимостям, и т.п.

Лит.: Справочник по технике линейных измерений, пер. с нем., М., 1959; Оптические приборы для измерения линейных и угловых величин в машиностроении, М., 1964.

Н. Н. Марков.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Оптический измерительный прибор" в других словарях:

прибор - прибор: Комплект изделий различного функционального назначения одного типа, например: ложка, вилка, нож столовый, объединенных общим художественно конструкторским решением, предназначенных для сервировки стола. Источник: ГОСТ Р 51687 2000:… …

- (от греч. optós видимый и...метр (См. ...метр)) прибор для измерения линейных размеров (относительным методом), преобразовательным элементом в котором служит рычажно оптический механизм. Рычажной передачей является в механизме качающееся… …

В технике, обобщённое название группы средств, применяемых для измерения и контроля линейных и угловых размеров деталей и готовых изделий. Технические средства с нормированными метрологическими параметрами или свойствами, предназначенные… … Большая советская энциклопедия

Резьбоизмерительные приборы, средства измерения и контроля резьбы (См. Резьба). Различают Р. и. для комплексного контроля и для измерения отдельных параметров; наружной и внутренней резьб; цилиндрической и конической резьб; ходовых винтов … Большая советская энциклопедия

Оптим етр, опт иметр м. Оптический измерительный прибор для особо точного измерения линейных размеров. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

интерферометр - а, м. interféromètre m., нем. Interferometer. спец. Оптический измерительный прибор, основанный на явлении интерференции. БАС 1. Интерферометрический ая, ое. Интерферомтерические измерения. БАС 1. Лекс. БСЭ 1: интерферометры; БСЭ 2:… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

РМ 4-239-91: Системы автоматизации. Словарь-справочник по терминам. Пособие к СНиП 3.05.07-85 - Терминология РМ 4 239 91: Системы автоматизации. Словарь справочник по терминам. Пособие к СНиП 3.05.07 85: 4.2. АВТОМАТИЗАЦИЯ 1. Внедрение автоматических средств для реализации процессов СТИСО 2382/1 Определения термина из разных документов:… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ 24453-80: Измерения параметров и характеристик лазерного излучения. Термины, определения и буквенные обозначения величин - Терминология ГОСТ 24453 80: Измерения параметров и характеристик лазерного излучения. Термины, определения и буквенные обозначения величин оригинал документа: 121. Абсолютная спектральная характеристика чувствительности средства измерений… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ 15528-86: Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа. Термины и определения - Терминология ГОСТ 15528 86: Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа. Термины и определения оригинал документа: 26. Акустический преобразователь расхода D. Akustischer Durch flußgeber E. Acoustic flow transducer F … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ 22267-76: Станки металлорежущие. Схемы и способы измерений геометрических параметров - Терминология ГОСТ 22267 76: Станки металлорежущие. Схемы и способы измерений геометрических параметров оригинал документа: 25.1. Ме тоды измерения Метод 1 при помощи прибора для измерения длин при прямолинейном движении рабочего органа. Метод 2… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

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.