ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.12.2021
Просмотров: 221
Скачиваний: 3
Вимірювання геометричних розмірів
У класифікації фізичних величин за їх фізичними властивостями (прийнятій, зокрема, в Міжнародній системі одиниць) одну із величин становлять величини простору та часу, до якої належать геометричні розміри, час та параметри руху.
Час є однією із семи основних одиниць СІ. Час, як і простір, - це одна із форм існування матерії. Вони нерозривно пов'язані між собою, характеризуючи, зокрема, параметри руху матерії, тобто динаміку матерії в просторі та в часі.
Геометричні розміри - це широка група понять лінійних та кутових розмірів, площі та об'єму.
Своєю чергою, до лінійних розмірів належить довжина, товщина (грубизна) покрить, відстань між об'єктами, рівень, шорсткуватість (нерівність) поверхні тощо.
Головними кутовими розмірами є плоский та тілесний кути.
Лінійні та кутові переміщення, швидкості та прискорення характеризують просторово-часовий стан об'єктів (матерії) одного щодо іншого, прийнятого за нерухомий. Одним із різновидів параметрів руху є витрати рідких чи газоподібних речовин.
Вимірювання лінійних і кутових розмірів необхідні та поширені в різних галузях науки і техніки, зокрема в машино- та приладобудуванні, де вони досягають 80% від усіх вимірювань. Вимірювання лінійних та кутових розмірів можна поділити на такі групи:
- вимірювання лінійних розмірів у діапазоні від часток мкм до кількох десятків метрів та кутових розмірів — від 0,1° до 360° (вимірювання розмірів деталей, відхилення розміру деталі від заданого значення, вимірювання параметрів шорсткості поверхні, товщини покриттів);
- вимірювання розмірів від часток метра до сотень метрів при визначенні рівня рідких та сипучих речовин у резервуарах та свердловинах, рівня пального в баках транспортних засобів;
- визначення координат об'єктів та відстаней між ними, зокрема космічних, що перебувають на відстанях від одиниць міліметра до мільйонів кілометрів.
Донедавна для вимірювань геометричних розмірів застосовували здебільшого прилади, що працюють на основі аналогового принципу, тобто візуальний сигнал вимірювальної інформації подається за допомогою вказівника (стрілки) або шкали. Покази аналогових приладів є функцією вимірюваної величини та, як правило, складаються з вимірювального кола, вимірювального механізму та показуючого пристрою (шкали).
Контактні та безконтактні основні електричні методики залежно від принципу вимірювального перетворення поділяють на електромеханічні, електрофізичні та спектрометричні (хвильові).
Електромеханічні методи вимірювань широко застосовуються для вимірювання розмірів деталей та шорсткості поверхні (контактні штангенциркулі, мікрометри), рівня (поплавкові та буйкові рівнеміри). Так, наприклад, принцип роботи поплавкових рівнемірів оснований на відстежуванні рівня рідини за допомогою поплавка. Поплавок, маючи значно меншу, ніж рідина, питому густину, завжди перебуває на її поверхні і пересувається з переміщенням вимірюваного рівня рідини. Переміщення поплавка перетворюється на вихідний сигнал відлікових пристроїв, що може здійснюватись як за допомогою звичайних механічних пристроїв, так і з перетворенням переміщення на електричний сигнал за допомогою різних вимірювальних перетворювачів.
Електрофізичні методи вимірювань ґрунтуються на використанні відмінностей фізичних властивостей речовин, що перебувають у діапазоні меж вимірюваного розміру. Для вимірювань лінійних та кутових розмірів використовують методики і прилади, основані на електричних, магнітних, теплових та інших відмінностях.
Спектрометричні методи і відповідні засоби вимірювань залежно від довжин, хвилі випромінювання, що використовується при вимірюванні, поділяють на звукові, ультразвукові, радіохвильові, надвисокочастотні, оптичні (лазерні). Зважаючи на фізичні явища, які використовуються при вимірюванні, спектрометричні методи класифікують як локаційні, інтерферометричні, рефрактометричні тощо. Для реалізації локаційного методу використовують усі види випромінювань, з яких найпоширенішими є методи і засоби радіолокалізації, оптичної та акустичної локалізації. У локалізаційних засобах джерело випромінювання та приймач знаходяться на одній межі вимірюваного розміру, а на іншій — спеціальний відбивач, замість якого іноді використовується межа об'єкта, відстань до якого визначається. Радіолокаційний та оптичний локаційні методи застосовуються для вимірювань великих відстаней — від десятків та сотень метрів до багатьох мільйонів кілометрів.
Швидкість поширення звукових
та ультразвукових коливань в повітрі
становить 333 м/с, в морській воді — 1500
м/с, а в металах 3000—10 000 м/с, тобто на 4—6
порядків менша за швидкість електромагнітних
коливань,
що дає змогу використовувати акустичну
локацію для вимірювань малих відстаней.
Вона застосовується у твердих, рідких
та газоподібних середовищах для
вимірювань розмірів і відстаней від
одиниць міліметрів до кількох кілометрів,
тобто в діапазоні, в якому застосування
радіо- та оптичної локації ускладнене
через необхідність вимірювати дуже
малі часові інтервали (10 -9 — 10-11 с).
За допомогою оптичної локації та лазерів відстань від Землі до відбивачів, установлених на Місяці, була визначена з точністю до 2—6 см, тобто з похибкою, меншою за 2 • 10 -8 %.
3. Измерение геометрических характеристик объектов
В настоящее время диапазон измеряемых размеров и расстояний простирается от нанометров и практически до бесконечности с относительной погрешностью до 7 10− %. При этом в качестве первичных преобразователей применяют аналоговые устройства реостатного типа ( 1 10− %), емкостные ( 3 10− %), индуктивные ( 4 10− %), а также цифровые, например, с использованием лазера ( 6 10− %), радиодальномеры и т.п. При цифровой обработке сигналов обеспечивается повышенная точность и автоматизация измерений, возможность математической обработки результатов, хранение информации.
В настоящее время для технических измерений применяют традиционный измерительный инструмент (штангельциркули, микрометры, угломеры и т.п.) дополнительно оборудованные преобразователями в электрический выходной сигнал с дальнейшей обработкой и выдачей информации в цифровом виде. Для этой цели все шире применяют оптические системы снятия размеров.
Важным элементом измерительных устройств является устройство анализа изображения. Для двухкоординатных ИП применяют телевизионные камеры в сочетании с позиционируемым координатным столом и ЭВМ. Это позволяет производить автоматизацию измерительного процесса. Обработку результатов, вывод данных.
Достоинства таких систем:
• Бесконтактный метод измерения
• Высокое быстродействие
• Возможность измерения движущихся объектов
• Высокая разрешающая способность
В качестве оптоэлектронных преобразователей используют фотодиодные матрицы, сканисторы, ПЗС-приборы и т.п. В процессе измерения изделие зондируется одним или несколькими источниками света. При этом используют отраженный или проходящий свет, эффекты отражения, дифракции, теневой метод. При теневом методе край изделия проецируется на чувствительном элементе (ЧЭ). При смещении края тени формируется сигнал рассогласования и обрабатывается (время измерения - 3 10− с., разрешающая способность - 6 10− м). Для труднодоступных мест используют модули из волоконной оптики.
3.1 Оптическая система измерения геометрических размеров объектов
Рис. 3.1 Устройство для измерения линейных размеров проката: 1 – Окно, 2 – Объектив, 3 – Видеокамера, 4 – Корректор, 5 – Защитный кожух, 6 – Подвеска видеокамеры 7 – Координатный стол, 8 – Блок видеоконтроллера и схем согласования, 9 – Подвеска пирометра, 10 – Пирометр, 11 – Датчик температуры, 12 – Кабель, 13 – Блок управления и индикации, 14 – Дисплей, 15 – Системный блок, 16 – Стабилизатор, 17 – Клавиатура, 18 – Цифровой индикатор, 19 – Выносной блок индикации и управления, 20 – Охладитель и кондиционер, 21 – Контроллер охладителя и кондиционера.
Достоинства:
• одновременная выдача результатов измерения ширины горячего
проката с пересчетом на холодный прокат;
• автоматическая диагностика системы;
• автоматическая калибровка системы;
• измерения температуры проката;
• архивирование и вывод результатов измерения за смену, сутки, месяц и т.д. на дисплей и печать.
При использовании метода триангуляции с помощью лазера и оптических устройств получают световое пятно, которое отражается на датчике.
Изменение размеров изделия приводит к смещению изображения светового пятна на ЧЭ датчика. Диаметр светового пятна может составлять 6 10− м.
При использовании явления дифракции света (метод отбрасывания тени) получают максимальное разрешение. При прохождении когерентного монохроматического луча через щель за ней образуется пространственное перераспределение интенсивности света. Расстояние между максимумами является функцией ряда факторов, в том числе и ширины щели.
Дифракционная картина подается на оптико-электронный преобразователь (ОЭП), сигналы которого анализируются с помощью ЭВМ.
С помощью многокоординатных измерительных приборов можно контролировать и геометрическую форму объекта (устанавливают отклонения от заданной формы). Для этого устройство оснащается дополнительными элементами захвата и подачи объекта, смены датчиков и т.п.
Например, трехкоординатные измерительные приборы состоят из станины и трех направляющих, по которым перемещаются зонды. Зонды могут быть механическими, резистивными, используется лазер.
3.2 Приборы для измерения и контроля качества поверхности
Качество поверхности изделия является одной из важных характеристик и осуществляется способами:
• визуально (вызывает быструю утомляемость оператора) ;
• с помощью профилометров (требуются большие затраты времени, нее
дает общей оценки качества поверхности);
• с помощью специальных оптических средств (повышается
быстродействие).
Исследуют и измеряют качество шероховатости поверхности, трещины, сколы, раковины и т.п. По результатам измерений производят выбраковку
изделий с использованием программных средств распознавания образов дефектов, информация одновременно выдается на монитор. Оператор может сканировать поверхность, визуально наблюдать и оценивать размер дефекта, производить измерения в режиме диалога, производить распечатку результатов и т.п. Применяют метод «светового сечения», с помощью пучка световодов, применяют методы голографической интерферометрии.
Пример практической реализации устройства (оптическая линейка ИС-36М), предназначенного для измерения отклонений от прямолинейности.
Назначение устройства
Оптическая линейка ИС-36М предназначается для измерения отклонений от прямолинейности и плоскостности рабочих поверхностей поверочных линеек длиной 500 мм и выше всех классов; плит всех классов точности и типоразмеров; поверхностей направляющих станков, образующих валов длиной свыше 1000 мм и т.п. Поверхности длиной свыше 1600 мм поверяют шаговым методом. Прибор предназначен для работы в лабораторных и цеховых условиях при температуре 20±5°C и при относительной влажности воздуха не ниже 80%.
Технические характеристики устройства
1. Пределы измеряемых отклонений поверхности от прямолинейности и
плоскостности, мм:
а) по отсчетному устройству ±0,4
б) графическим устройством ±0,1
2. Пределы длин измеряемых поверхностей, мм 200-1600
3. Цена деления шкалы отсчетного устройства, мм 0,001
4. Общее увеличение прибора, крат. 30
5. Пределы допускаемой погрешности прибора, мм ±(0,001+0,01h)
где h - измеряемое отклонение в мм
6. Масштабы регистрации:
вертикальный 500
горизонтальный 1
7. Измерительное усилие наконечника каретки не более, Н 7 (700гс)
8. Габаритные размеры прибора, не более длина, мм 2220
Принцип действия и схема прибора В основу прибора положен принцип, позволяющий измерить отклонение от прямолинейности поверяемой поверхности относительно нематермальной прямой - оптической оси прибора.
3.3 Измерение толщины изделия, слоя покрытия
Измерять толщину материала приходится практически везде: при производстве изделий, при контроле их качества, при проведении разнообразных исследований и т.п.
Для этой цели применяют различные методы:
• магнитные методы (по магнитному сопротивлению цепи);
• с помощью ультразвука (на отраженном сигнале);
• пневматические методы (обдувается потоком воздуха, измеряется
скорость потока);
• микроволновые методы (на принципе интерферометра);
• оптико-электронные методы;
• триангуляционный метод;
• метод с использованием инфракрасного излучения.
Для этих целей кроме рассмотренных методов используют также метод ионизирующего излучения. В основе данного метода лежит сравнение интенсивностей падающего, отраженного или проходящего излучений.
Коэффициент поглощения относят к плотности материала изделия с учетом типа излучателя. Интенсивность отражательного излучения зависит от атомной массы вещества и толщины изделия. Данный метод используют в тех случаях, когда возможен доступ к изделию только с одной стороны.
Используют все виды излучения. Для тарировки прибора имеются контрольные образцы. На результаты измерений влияют различные факторы: температура, наличие примесей.
Рис. 3.2 Схема ионизационного толщиномера:
1,6 – источники рабочего и компенсационного излучения; 3,4 – ионизационные камеры; 5 – диафрагма; 7 – следящее устройство; 8 – усилитель; 9 – преобразователь; 10 – резистор.
При измерении толщины слоя покрытия используют методы:
• ионизирующего излучения;
• инфракрасное излучение (на отраженном сигнале);
• вихревые токи;
• механические методы (ролик);
• радиоволновые устройства.
Рис. 3.3 Схема прибора для измерения толщины гальванических покрытий: 1 — испытуемая деталь
3.4 Емкостные методы и средства измерения толщины пленок
Детекторы толщины пленок бывают механическими, оптическими, электромагнитными и емкостными. Оптические методы могут применяться только с прозрачными и полупрозрачными пленками. Плоские электроды, имитирующие конденсатор с параллельными пластинами, позволяют получать большие изменения выходного сигнала. Для обеспечения точности измерений эти пластины должны быть строго параллельны исследуемой пленке.
Рис. 3.4 Емкостной датчик толщины диэлектрической пленки.
На рис 3.4. представлена конструкция датчика со сферическим электродом, используемым для измерения толщины пленки. Для уменьшения краевых эффектов шарик помещен в активный экран, помогающий направлять электрическое поле через диэлектрическую пленку на подложку.
1.1 Потенциометрические датчики положения и перемещения объектов
Датчики положения и перемещения часто реализуются на основе линейных или поворотных потенциометров. Принцип действия таких устройств основан на реализации зависимости сопротивления резистора от положения токосъемного элемента.
Рис. 1.2 Потенциометрические датчики положения и перемещения объектов.
Потенциометрический датчик имеет недостаток, обусловленный неравномерностью выходного напряжения проволочного переменного резистора. Энергия, затраченная на перемещение ползунка, выделяется в виде тепла.