Для объективной оценки качества строительных работ и успешной последующей эксплуатации ВОЛС строительные и обслуживающие организации должны располагать современным измерительным оборудованием, позволяющим проводить измерения с достоверными результатами.
Парк контрольно-измерительного оборудования многообразен и представлен отечественным и импортным оборудованием. Выбор требуемого измерительного оборудования зависит от конкретной задачи с учетом стоимости прибора (табл. 5).
Таблица 5. Сопоставление диагностических процедур и измерительных приборов.
ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ
Используется вместе с оптическим ваттметром или идентификатором волокон для проверки целостности сварных швов, определения общих оптических потерь и идентификации волокон. Примерная цена: 500-2500 $.
ИЗМЕРИТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ
Оптические измерители мощности (Optical Power Meter - ОРМ) используются для измерения оптической мощности сигнала, а также для измерения затухания в кабеле (рис.22). Эти измерители являются столь же распространенным прибором для инженеров, связанных с оптоволоконными системами, как мультиметр для инженеров-электронщиков.
Рис. 22. Оптический измеритель мощности "GN 6000"
Оптические измерители мощности обеспечивают как измерение кабельных линий, так и анализ работы терминального оборудования, передающего сигнал в оптическую линию.
В паре со стабилизированным источником сигнала OPM обеспечивает измерение затухания - основного параметра качества оптической линии. Особенно важным классом измерений для OPM является измерение параметров узлов оптической линии (участков кабеля, интерфейсов, сварочных узлов, аттенюаторов и т.д.).
Основными параметрами OPM являются:
Тип детектора;
Линейность усилителя;
Точность и график необходимой калибровки;
Динамический диапазон;
Точность и линейность работы;
Возможность поддержки различных оптических интерфейсов;
Примерная цена 400-1200 $.
АНАЛИЗАТОР ЗАТУХАНИЯ
Анализатор затухания, вносимого оптическим кабелем (Optical Loss Test Set - OLTS), представляет собой комбинацию оптического измерителя мощности и источника оптического сигнала (рис.23). Различают интегрированные и раздельные измерители потерь.
Рис. 23.
Интегрированные имеют источник сигнала и измеритель мощности в одном устройстве, а разделенные измерители представляют собой набор из источника сигнала и ОРМ. Соответственно, технические параметры анализаторов потерь содержат все перечисленные параметры для источников сигнала и оптических измерителей мощности.
Анализаторы потерь оптической мощности обеспечивают пошаговый анализ оптической линии передачи, включая участки кабеля, места соединений и сварок. Это в первую очередь касается раздельных эксплуатационных анализаторов потерь оптической мощности. В то же время интегрированные анализаторы потерь, которые обычно применяются для промышленного анализа, обладают повышенной функциональностью и точностью измерений. Например, многие двух-частотные анализаторы могут выполнять измерения на длинах волн 1310 и 1550 нм автоматически.
ДЕТЕКТОР ПОВРЕЖДЕНИЙ ВОЛОКНА
В сочетании с источником света используется для проверки целостности волокна и других задач. Легкий, ручной. Примерная цена: 600 $.
ИДЕНТИФИКАТОР ВОЛОКОН
Используется для определения прохождения излучения через оптическое волокно. Легкий, компактный, размером в три спичечных коробка, полевой прибор. С помощью этих приборов можно тестировать целостность волокна, проверять маркировку кабеля или подтверждать наличие или отсутствие сигнала перед изменением маршрута или техническим обслуживанием, вводить и выводить оптический сигнал через изгиб оптического волокна. Примерная цена: 1000-1200 $
ОПТИЧЕСКИЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ АТТЕНЮАТОР
Незаменим при определении коэффициента ошибок в цифровых системах. Используется совместно с оптическим ваттметром и измерителем КО. Легкий, ручной.
Примерная цена: 1000-3000 $.
ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ ОПО
Специально разработан для определения оптических потерь на отражение. В состав прибора входят калиброванный источник света, оптический ваттметр и другие специальные составные части. Прибор определяет ОПО более точно, чем обычный оптический рефлектометр. Примерная цена: 1500 - 5000$
ВОЛОКОННЫЙ ЛОКАТОР
Прибор обладает всеми возможностями оптического рефлектометра в части определения расстояния до места повреждения, отличается легкостью, компактностью, простотой в работе и предназначен для использования в полевых условиях.
Примерная цена: 2500-5000 $.
ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР
Оптические рефлектометры (Optical Time Domain Reflectometer - OTDR) являются наиболее полнофункциональным прибором для эксплуатационного анализа оптических кабельных сетей.
Рефлектометр представляет собой комбинацию импульсного генератора, разветвителя и измерителя сигнала и обеспечивает измерение отраженной мощности при организации измерений с одного конца. Рефлектометры действуют по принципу радара: в линию посылается импульс малой длительности, который распространяется по оптическому кабелю в соответствии с релеевским рассеянием и френелевским отражением на неоднородностях в оптическом кабеле (дефекты материала, сварки, соединители и т.д.). Управляющий процессор обеспечивает согласованную работу лазерного диода и электронного осциллографа, создавая возможность наблюдения потока обратного рассеяния полностью или по частям. Для ввода импульсов в волокно используются направленный ответвитель и оптический соединитель. Поток обратного рассеяния через оптический соединитель и направленный ответвитель поступает на высокочувствительный фотоприемник, где преобразуется в электрическое напряжение. Это напряжение подается на вход Y электронного осциллографа, вызывая соответствующее мощности потока обратного рассеяния отклонение луча осциллографа. Ось X осциллографа градуируется в единицах расстояния, а ось Y - в децибелах.
Оптический импульсный рефлектометр (OTDR) - это устройство, которое, на основе использования явления рассеяния света широко используется для измерения затухания в ОВ и их соединениях, длины ОВ или волоконно-оптических линий и расстояния до любого их участка.
Блок-схема типичного импульсного рефлектометра приведена на рис. 24.
Рис. 24.
Работа прибора основана на измерении мощности светового сигнала, рассеянного различными участками волоконно-оптической линии.
Световые импульсы относительно большой мощности от встроенного в импульсный оптический рефлектометр источника вводятся в волокно, а высокочувствительный приемник измеряет временную зависимость мощности светового сигнала, возвращающегося из тестируемого волокна обратно в рефлектометр.
Временная задержка сигнала равна удвоенному расстоянию до тестируемой области, деленному на групповую скорость света в волокне.
Мощность принимаемого сигнала определяется коэффициентом обратного рассеяния, мощностью тестирующего светового импульса, уменьшающейся по мере распространения света вперед, и затуханием рассеянного сигнала на своем пути назад. Следовательно, принимаемая мощность - это функция потерь на проход импульса до тестируемого участка волокна и обратно и коэффициента обратного рассеяния или отражения.
На участках однородного волокна, для которых вполне оправдано предположение о постоянстве коэффициента обратного рассеяния, импульсный рефлектометр можно использовать для измерения коэффициента затухания волокна и потерь на неоднородностях или элементах линии, а также для определения местоположения обрывов и соединений волокна и места установки разъемов. Кроме того? рефлектометр выдает графическое представление состояния тестируемого волокна. У него имеется и еще одно преимущество по сравнению с сочетанием источника света и ваттметра? или тестера для определения потерь: при использовании рефлектометра требуется доступ только к одному концу волокна.
В большинстве случаев рефлектометры используются для обнаружения повреждений в установленных кабелях и для оптимизации соединений. Однако они весьма полезны и при проверке оптических волокон и поиска в них производственных дефектов. В настоящее время ведется работа по улучшению разрешающей способности рефлектометров при работе на короткие расстояния (в сетях LAN) и выполнении новых задач? таких? как оценка значения потерь при отражении от разъемов.
Работа оптических рефлектометров.
Главной целью измерений, проводимых с использованием оптических рефлектометров, является определение импульсной характеристики тестируемого волокна. Как известно, импульсную передаточную характеристику исследуемого устройства можно получить в том случае, если на его вход подать бесконечно короткий импульс. Тестирующий импульс оптического рефлектометра имеет конечную длительность и, по этому, реальный временной отклик - рефлектограмма представляет собой свертку импульсной передаточной функции волокна с тестирующим импульсом.
Типичная рефлектограмма импульсного рефлектометра приведена на рис.25.
Рис. 25.
Вертикальная шкала определяет уровень рассеянного (отраженного) сигнала в логарифмических единицах. Горизонтальная ось соответствует расстоянию от рефлектометра до тестируемой области волокна.
По формуле Рэлея интенсивность рассеяния света обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Суммарные потери на Рэлеевское рассеяние количественно могут быть оценены по формуле:
ДБ/км, (61)
где К р - коэффициент рассеяния, для кварца равный 0,8 [(мкм4? дБ)/км];
Длина волны, мкм.
В ОВ рассеяние на частицах примеси может быть уменьшено практически до нуля, но рассеяние на «вмороженных» неоднородностях принципиально уменьшить нельзя, именно они определяют минимальную величину потерь на рассеяние.
На рис. 25 показаны, также, сигналы от разъемов, сварных соединений, механических соединений, потери на изгибах и трещинах и отражения от них.
Разъемы. Наличие разъема в волоконно-оптической линии приводит к появлению пика на рефлектограмме, обусловленного френелевским отражением на торцах соединяемых волокон? и снижением величины рассеянного сигнала сразу за ним из-за вносимых им потерь.
Сварные соединения. На сварных соединениях френелевское отражение отсутствует? так как сколотые торцы волокон сплавляются друг с другом. Однако на сварных соединениях потери все-таки есть. Хорошо сваренное соединение трудно "засечь"? так как потери на нем невелики и появляющаяся «ступенька» на рефлектограме очень мала. Наличие даже небольших признаков Френелевского отражения (пика на рефлектограмме) - верный признак того? что сварное соединение - очень низкого качества.
Потери на изгибах. Это просто потери в месте изгиба. Если такие потери локализованы? то их трудно отличить от потерь на сварные или механические соединения.
Повышение чувствительности импульсных оптических рефлектометров.
Измерение параметров волоконно-оптической линии возможно только в том случае, если мощность рассеянного сигнала, попадающего на детектор, превышает мощность шума, т.е. отношение сигнал/шум должно быть больше единицы. Мощность детектируемого сигнала определяется мощностью и энергией лазерного импульса, вводимого в волокно, и коэффициентом обратного рассеяния. Отметим,? что энергия светового импульса прямо пропорциональна его длительности. Поэтому? для увеличения дальности действия рефлектометра увеличивают длительность световых импульсов. Однако? чем больше длина импульса?, тем больший отрезок волокна он заполняет. При увеличении длины импульса увеличиваются и те участки волокна? которые попадают внутрь импульса и "просматривание" которых становится невозможным. Тем самым снижается разрешающая способность? рефлектометра. Для увеличения отношения "сигнал-шум" принимаемого сигнала? рефлектометр посылает множество импульсов? а затем усредняет данные об отраженных сигналах.
Мертвые зоны.
Считается, что мертвые зоны, обнаруживаемые на рефлектограмме, зависят от одного основного фактора - длительности импульса, проходящего по волокну. Так как она может быть выбрана, то каждому ее значению соответствует определенная мертвая зона. Следовательно, чем больше длина импульса, тем больше мертвая зона. Однако после установления определенной длительности импульса (для определенного волокна) становятся очевидны другие факторы. В частности, при конкретной длительности импульса мы можем столкнуться с различными мертвыми зонами для отражающих неоднородностей, зависящих от расстояния до точки отражения и интенсивности отраженного сигнала. Дело в том, что для того чтобы принимать отраженный сигнал, детектор рефлектометра должен обладать большой чувствительностью. При этом, когда на детектор приходит сильный сигнал (от точки с высокой отражательной способностью) происходит перегрузка детектора. Мертвые зоны всегда связаны с наличием отражений и вызваны насыщением детектора рефлектометра. В этом случае детектору потребуется определенное время для восстановления чувствительности после перегрузки, что приводит к потере информации. Как результат, определенный участок волокна исключается из процесса тестирования. При этом следует различать два типа мертвых зон (рис. 27):
1. Мертвая зона отражения - определяется расстоянием между началом отражения и точкой с уровнем - 1.5 дБ от вершины понижающегося отрезка кривой отражения, после чего следующие события легко идентифицировать.
2. Мертвая зона затухания - определяется расстоянием от начала отражения до точки, в которой произошло восстановление чувствительности приемника с погрешностью 0.5 дБ от установившейся рефлектограммы обратного рассеяния и зависит от длительности импульса, длины волны, коэффициента обратного рассеяния, коэффициента отражения и полосы пропускания.
Таким образом, понятие «мертвой зоны» заключается в количественном определении расстояния, на котором после сильного отражения происходит потеря данных.
Мертвая зона ослабления, как правило, указывается для наиболее коротких импульсов.
Рис. 26.
Рис. 27.
Лучшие оптические рефлектометры характеризуются большим динамическим диапазоном, кратным определением затухания, однокнопочным интерфейсом, упрощенной панелью управления, наличием дисплея, использованием “дальнобойной” оптики с высокой степенью разрешения, применением специального программного обеспечения, оборудованы дисководом для сохранения данных и принтером, для их распечатки, а также имеют возможность определения ОПО и сопоставления нескольких рефлектограмм. Выбирая рефлектометр, следует убедиться, что он может работать с одномодовоми или многомодовыми волокнами. Модульные оптические рефлектометры обладают большей гибкостью и могут быть сконфигурированы по-разному. Примерная цена: 10000-40000 $.
ИЗМЕРИТЕЛЬ ХРОМАТИЧЕСКОЙ ДИСПЕРСИИ.
Этот прибор, как следует из его названия, предназначен для измерений хроматической дисперсии волоконных световодов. Как правило, выполнен в лабораторном варианте для использования в закрытых помещениях. Различные методы измерения хроматической дисперсии подробно описаны в ITU.
Примерная цена, в зависимости от метода: 25000 - 120000$.
ИЗМЕРИТЕЛЬ ПМД.
Поляризационная модовая дисперсия волоконных световодов, как и хроматическая, ограничивает широкополосность волоконных световодов. Как правило, измеритель ПМД выполнен в лабораторном варианте для использования в закрытых помещениях. Различные методы измерения ПМД подробно описаны в ITU.
Примерная цена, в зависимости от метода: 40000 - 200000$.
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
Данная компьютеризированная система идеально подходит для автоматического управления работой целой волоконно-оптической сетью. Все задачи: монтаж, текущий уход, разрешение проблем, ремонт, могут быть быстро отслежены и проконтролированы с центральной станции. Любые обрывы и прочие неисправности в считанные минуты локализуются с точностью до нескольких метров. Примерная цена: свыше 100000 $.
БРИЛЛЮЭНОВСКИЙ ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР.
Этот прибор производит измерения не только рэлеевского рассеяния и френелевского отражения, как оптический рефлектометр, но и способен измерить сдвинутую по частоте относительно центральной волны излучения компоненту рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Способен различать напряженные участки волокна и оценивать степень их нагрузки. Может использоваться и как обычный рефлектометр. Примерная цена: 200000$
Важным достоинством волоконно-оптических линий связи является их потенциальная долговечность. Однако для обеспечения долголетней работы необходимы соответствующие условия и главное из них - отсутствие механических напряжений в волокне, которые могут возникать при нарушении технологий производства кабеля, его прокладки, при мерзлотных деформациях грунта, при ветровых нагрузках и обледенении подвесного кабеля, просадке грунта (особенно вблизи высотных зданий и мостов), при вибрациях кабеля, проложенного вблизи автомагистралей, при землетрясениях, прочих техногенных вмешательствах. Повышенное натяжение волокна в кабеле вызывает деградацию его прочностных характеристик, что в конце концов приводит к разрыву волокна. Даже незначительное увеличение натяжения волокна может привести к многократному уменьшению его срока службы. Время жизни волокна в нормальных условиях эксплуатации (при относительном удлинении волокна меньше 0,35 %) составляет 25 лет и более, в то время, как уже при относительном удлинении 0,5% разрыв волокна произойдет в течение 1 (одного)!!! года (рис. 28).
Рис. 28
Поэтому надежность волоконно-оптических линий связи невозможно оценить, не имея достоверной информации о натяжении волокна в кабеле. Обычные оптические рефлектометры не в состоянии определить степень натяжения волокна, поскольку величина оптических потерь при возникновении напряжений в волокне, как правило, остается в пределах нормы вплоть до момента наступления необратимых изменений в волокне. Бриллюэновский рефлектометр незаменим на предприятиях по производству оптического кабеля и для крупных операторов связи, масштабы сетей и объемы передачи данных которых делают вопросы качества и надежности связи определяющими.
К рычажно-оптическим приборам относятся оптиметры и измерительные пружинно-оптические головки.
Оптиметры . Оптиметры разделяются на вертикальные (ОВО – с окуляром и ОВЭ с проекционным экраном) и горизонтальные (ОГО и ОГЭ). Последние применяются для измерения как наружных, так и внутренних размеров. Наиболее распространены вертикальные оптиметры (рис. 23,а ) с ценой деления 0,001 мм и погрешностью показаний ±0,0002 мм , применяемые для измерения наружных размеров (концевых мер, калибров-пробок и особо точных изделий).
Рис. 23. Вертикальный оптиметр(а), принцип действия
трубки оптиметр (б)
Основной отсчетной частью прибора является трубка оптиметра, построенная по рычажно-оптической схеме. Принцип действия трубки оптиметра показан на рис. 23, б. Лучи света 1 направляются зеркалом 2 в щель трубки и, преломляясь трехгранной призмой 3 , проходят через шкалу, нанесенную на пластинке 4 . Затем пучок лучей проходит через призму полного отражения 5 и, отразившись от нее под прямым углом, попадает в объектив 6 , а потом на зеркальце 7 . Зеркальце 7 пружиной 8 прижимается к измерительному стержню 9 , а при перемещении измерительного стержня зеркальце поворачивается вокруг оси, проходящей через центр шарика 10 . Угол поворота зеркальца зависит от наклона зеркальца 7 . На рис. 23, б показан ход одного падающего луча (сплошной линией) и отраженного (штрих - пунктирной линией). Угол между этими лучами равен 2 .
Отраженный пучок лучей объективом превращается в сходящийся пучок лучей, который дает изображение шкалы. Установка трубки прибора по блоку концевых мер заключается в совмещении нулевого штриха шкалы с неподвижным указателем. При перемещении из измерительного стержня на 1 мкм изображение шкалы смещается в поле зрения на 1 деление по отношению к неподвижному указателю.
Измерительные пружинно-оптический головки . Эти приборы имеют сокращенное название – оптикаторы. В них используется пружинный принцип действия микрокатора, только к завитой спиральной пружине прикреплена не стрелка, а зеркальце, на которое падает луч света и отражается на стеклянную шкалу, где появляется изображение указательного штриха. Выпускаемые пружинно-оптические головки, обозначаемые ОП, имеют присоединительный диаметр 28 мм и предназначены для точных линейных измерений при закреплении в стойках тяжелого тина. Измерительные головки имеют поворот шкалы для точной настройки на размер и указатели поля допуска в виде цветных шторок на пути светового луча (зайчика) окрашивающих его в зеленый или красный цвет. Пружинно-оптические головки выпускаются долемикронные (модели 01П, 02П и 05П) и микронные (П1, П2 и П5) с увеличенным интервалом между делениями шкалы для облегчения отсчета.
Пневматические длиномеры низкого и высокого давления .
Работа пневматических измерительных приборов – длиномеров основана на свойстве истечения воздуха с постоянным давлением из небольшого отверстия, называемого соплом. Шкалы пневматических приборов градуируют не в единицах давления, а в линейных единицах (например, в мкм ). Такая градуировка позволяет непосредственно отсчитывать отклонения размеров проверяемых деталей от размера образцовой детали или меры, по которым настроен прибор и определять отклонения от правильной геометрической формы изделий. На заводах применяют два вида приборов: приборы низкого давления, основанные на изменении давления воздуха (рис. 24,а ), и поплавковые (ротаметры), основанные на изменении расхода воздуха (рис. 24,б ).
Рис. 24. Пневматические длиномеры:
а – с жидкостным регулятором давления; б – поплавковый прибор;
в – пробка в отверстии (разрез)
Приборы низкого давления выпускаются с двумя и большим количеством шкал для одновременного или раздельного измерения двух и более размеров. На рис. 24,а показан прибор с двумя отсечными шкалами и измерительной пробкой с образцовым кольцом для установки прибора на нуль. Пределы измерения можно менять от 0,02 до 0,20 мм , так как они зависят от размеров сопл, которые применяются в приборе. При пределе измерения 0,02 мм предельная погрешность показаний равна 0,0005 мм , а при наибольшем пределе измерения 0,20 мм погрешность соответственно равна 0,005 мм.
Наиболее распространены поплавковые пневматические длиномеры (рис. 24,б).
Принцип действия этих приборов основан на изменении расхода воздушного потока в конической стеклянной трубке. Воздух от источника питания с давлением 300-600 кПа (3-6 кгс/см 2 ) проходит через отстойник, фильтр и редукционный стабилизатор 1, выравнивающий давление воздуха, затем поступает в коническую стеклянную трубку 2. рабочее давление воздуха может колебаться от 70 до 200 кПа (от 0,7 до 2 кгс/см 2 ). При настройке прибора добиваются, чтобы металлический легкий поплавок 3 (масса менее 1 г ) находился во взвешенном состоянии на отметке 0 шкалы 4 . при измерении деталей в зависимости от изменения зазора (рис. 24, в ) между выходным соплом и поверхностью измеряемого изделия (см. рис. 24,б ) меняется расход воздуха, а следовательно, и положение поплавка устанавливается относительно отметок шкалы 4. при большом зазоре расход воздуха больше, и поплавок 3 поднимается, при меньшем зазоре расход меньше, и поплавок опускается. Цена деления зависит от градуировки и настройки прибора и может быть равна 1-2 мкм и даже долям микрометра.
Перед измерением диаметров отверстий с помощью пневматического прибора пробку специальной конструкции вводят в образцовое кольцо и, регулируя подачу воздуха с помощью винта 5, устанавливают поплавок 3 в трубке 2 в нулевое положение. Если размер отверстия проверяемой детали будет отличаться от размера образцового кольца или блока из плиток, поплавок покажет отклонение от размера.
Повертывая пробку в проверяемом отверстии на 90, 180 и 270° в одном и разных сечениях по оси детали, можно определить отклонения деталей от правильной геометрической формы.
Пневматические приборы особенно незаменимы при определении диаметров и отклонений формы у отверстий, особенно глубоких и несквозных, а также отверстий небольшого диаметра.
Калибры
При массовом выпуске изделий, когда на заводе ежедневно вынуждены измерять детали по одному и тому же размеру, широко применяются инструменты жесткой конструкции – предельные калибры (рис. 25): пробки для контроля отверстий (рис. 25,а,б ) и скобы для контроля валов (рис. 25,в,г ). Калибры не имеют отсчетных устройств для определения размеров, с их помощью можно только установить, выполнен ли действительный размер детали в пределах допуска или нет. Для этого калибры изготавливают по предельным размерам проверяемой детали. Одна сторона пробки (удлиненная) будет иметь номинальный размер и называться проход ной ПР, а другая сторона пробки (укороченная) будет иметь номинальный размер наибольшего отверстия. Эта сторона пробки называется непроходной и обозначается НЕ, она может входить только в деталь, имеющую завышенный размер отверстия. Такие детали бракуются.
Процесс контроля деталей заключается в простой сортировке их с помощью двух предельных калибров на три группы: годные детали, размер которых находится в пределах допускаемого (ПР проходит; а НЕ не проходит); брак исправимый, когда размер вала больше допустимого, а размер отверстия меньше допустимого (ПР не проходит); брак неисправимый, когда размер у вала занижен, а у отверстия завышен (НЕ проходит).
Калибры, которыми пользуются рабочие и контролеры ОТК для проверки деталей, называются рабочими калибрами; их типы, размеры и технические условия стандартизованы.
Рис. 25. Калибры.
а – двухсторонняя пробка, б – односторонняя пробка, в – двухсторонняя скоба,
г – предельная регулируемая скоба
Калибры для отверстий до 50 мм изготавливают в виде полных пробок (рис.25,а ), для отверстий свыше 50 до 100 мм могут применяться как полные пробки, так и неполные (рис. 25,б ), а свыше 100 мм – только неполные. Для больших размеров свыше 360 мм вместо пробок применяют сферические нутромеры.
Калибры-скобы для валов чаще всего применяют односторонние предельные целые или двусторонние листовые (рис. 25,в ). Для валов с размерами от 100 до 360 мм применяют односторонние предельные скобы со вставными губками (рис. 25,г ). На калибры наносятся следующие обозначения (маркировка): номинальный размер контролируемой детали, обозначение поля допуска детали и класса точности (квалитета), цифровые величины предельных отклонений детали в миллиметрах, обозначение сторон калибра – проходная ПР и непроходная НЕ, товарный знак завода-изготовителя. Для проходных калибров в стандартах предусмотрены допуски на изготовление и износ, а на непроходные - только допуски на изготовление. Стандартные отклонения на изготовление и износ калибров отсчитываются от предельных размеров валов и отверстий; для проходных скоб – от наибольшего предельного размера вала, а для проходных пробок от наименьшего предельного размера отверстия; для непроходных калибров, наоборот – от наименьшего размера вала и наибольшего размера отверстия.
СТ СЭВ 157-75, «Калибры гладкие для размеров до 500 мм . Допуски», предусматривает особый порядок определения предельных (исполнительных) размеров проходных калибров, Z и Z 1 – это отклонения середины поля допуска на изготовление проходных калибров (Z для отверстия и Z 1 для вала) относительно наименьшего размера отверстия и наибольшего предельного размера вала ; Н и Н 1 – допуски на изготовление проходных и непроходных калибров (для отверстия Н и вала Н 1 ); Y и Y 1 – допустимые выходы изношенного калибра за границу поля допуска (отверстия Y и вала Y 1 ).
Для калибров с размерами более 180 мм предусмотрены еще величины компенсаций погрешности контроля калибрами, обозначаемые для отверстий и для вала.
Из их числа наиболее распространены оптиметры вертикальные и горизонтальные. Эти приборы используют для относительных измерений с применением блоков концевых мер длины.
Измерительное устройство - трубка оптиметра, основанная на сочетании принципа автоколлимации с качающимся зеркалом.
В основу принципа автоколлимации положено свойство объектива превращать пучок расходящихся лучей в пучок параллельных лучей, а затем собирать этот пучок, отраженный плоским зеркалом, в том же фокусе объектива.
Рис. 6.12. Ход лучей в оптической системе: а - при расположении на главной оптической оси; б - при смещении источника света относительно главной оптической оси; в - при отражении от плоскости зеркала, расположенного под углом
Если источник света О (рис. 6.12, а) находится в фокусе объектива, то луч, совпадающий с главной оптической осью, пройдет объектив без преломления, а остальные лучи после преломления в объективе пройдут параллельно главной оптической оси. Встретив на пути зеркальную плоскость, перпендикулярную к главной оптической оси, лучи отразятся от нее и вновь соберутся в фокусе объектива О.
Если источник света О расположен не в фокусе объектива, а в фокальной плоскости на расстоянии а от главной оптической оси (рис. 6.12, б ), то параллельные лучи, выйдя из объектива и встретив на своем пути зеркало, расположенное под углом 90° к главной оптической оси, отразятся от него под углом у к этой оси, пройдут через объектив и сойдутся в точке О", симметричной точке О.
Если же источник света расположен в фокусе объектива, но зеркальная плоскость находится под углом а к главной оптической оси (рис. 6.12, в), то лучи, отразившись, пройдут под углом 2сх к главной оптической оси и, преломившись в объективе, сойдутся в точке Оотстоящей от точки О на расстоянии t = Ftg2a.
В конструкции трубки оптиметра используют все описанные схемы.
Рис. 6.13.
- 1 - шкала; 2 - призма; 3 - зеркало; 4 - призма; 5 - объектив;
- 6 - зеркало; 7 - неподвижная опора; 8 - измерительный стержень
Оптическая схема трубки оптиметра показана на рис. 6.13.
Лучи света от источника направляются осветительным зеркалом 3 и призмой 2 на шкалу 1, на которой нанесено ±100 делений с интервалом с = 0,08 мм, расположенную в общей фокальной плоскости объектива 5 и окуляра. Пройдя через шкалу, лучи попадают в призму 4 и, преломившись под углом 90°, проходят через объектив 5. Выйдя из объектива параллельным пучком, лучи отразятся от зеркала 6 и возвратятся в фокальную плоскость объектива со смещением в горизонтальном направлении относительно главной оптической оси. Горизонтальное смещение используют для того, чтобы наблюдать изображение шкалы отдельно от самой шкалы. Зеркало 6 имеет три точки опоры: две неподвижные 7 и одну подвижную - измерительный стержень 8.
Перемещение измерительного стержня 8 на величину S вызовет поворот зеркала 6 на угол а, что повлечет за собой поворот отраженных от зеркала лучей на угол 2а. При этом изображение шкалы в общем случае переместится в вертикальном направлении относительно неподвижного индекса на величину t. В оптиметре используется оптический рычаг, малым плечом которого является расстояние а от точки опоры качающего зеркала 6 до оси измерительного стержня 8, большим - фокусное расстояние объектива F. Особенность оптического рычага - передаточное отношение равно удвоенному отношению его плеч:
где S - перемещение измерительного стержня, равное atgcx.
У оптиметра F = 200 мм и плечо а = 5 мм. Если принять из-за малости углов tg2a = 2а и tga = а, то
т.е. при перемещении измерительного стержня на 1 мкм изображение шкалы переместится на интервал деления (с = 80). Величина k = 80 - собственное передаточное отношение рычажно-оптической системы оптиметра. Общее передаточное отношение оптиметра при 12-крат- ном увеличении окуляра
Предназначен для измерения линейных и угловых размеров методом непосредственной оценки.
В современной практике измерения чаще всего применяют микроскоп малой модели типа ИТ и большой модели БМИ.
Рис. 6.14.
- 1 - основание; 2 - микрометрический винт поперечного перемещения; 3 - винт поворота стола; 4 - рамка с центрами; 5 - центр; 6 - тубус;
- 7 - съемная окулярная головка; 8 - винт (маховичок); 9 - колонка; 10 - стопорный винт; 11 - ось вращения колонки; 12 - осветительное устройство; 13 - винт наклона колонки; 14 - микрометрический винт продольного перемещения; 15 - стол; 16 - рукоятка
Видимый интервал деления с" собственно составит 960 мкм. Следовательно, цена деления оптиметра
Инструментальный микроскоп малой модели (рис. 6.14) состоит из основания прибора 1, колонки 9, съемной окулярной головки 7, тубуса 6, передвигающегося вверх и вниз по колонке 9, стола 15, имеющего поперечное и продольное перемещение с помощью микрометрических винтов 2 и 14 соответственно и осветительного устройства 12.
Колонка 9 может поворачиваться вокруг горизонтальной оси 11 с помощью винтов 13, отклоняясь от вертикального положения в обе стороны на 10°. Грубое перемещение тубуса по колонке проводится от руки. Он фиксируется в любом положении стопорным винтом 10. Для точной установки по высоте служит маховичок 8.
Продольное и поперечное перемещение стола отсчитывают по шкалам микрометрического винта, аналогичного микрометру. Предел измерения по микровинтам - 25 мм. Предел измерения в продольном направлении можно увеличить, перемещая стол рукояткой 16, дополнительно на 50 мм за счет блока концевых мер, устанавливаемого между специальными упорами. Пределы измерения по угловой шкале 0-360°.
На столе микроскопа помещается рамка 4 с центрами 5 для установки цилиндрических деталей с центровыми отверстиями. Для измерения бесцентровых деталей рамка снимается, и тогда применяется V-образная призма. Плоские детали устанавливают непосредственно на столе, который может в незначительных пределах поворачиваться вокруг оси винтом 3 в основном при настройке прибора.
В инструментальном микроскопе применяется съемная универсальная окулярная головка 7, имеющая два окуляра - визуальный Б и отсчета угловых величин А. В окуляре Б наблюдаются изображение теневого контура измеряемого объекта и штриховая сетка, нанесенная на стеклянном диске, который вращается при помощи специального маховика. Угол поворота штриховой сетки отсчитывается по шкалам (видимым в окуляре А): подвижной градусной и неподвижной минутной с ценой деления 1 минута.
Интерферометры, основанные на использовании явления интерференции световых волн, подразделяют на контактные и бесконтактные, вертикальные и горизонтальные.
Контактные интерферометры выпускают с переменной ценой деления от 0,05 до 0,2 мкм. Перед измерением прибор настраивают на цену деления г. Для этого задают цену деления произвольным количеством полос К в монохроматическом свете и определяют количество делений шкалы т, в которые надо уложить К полос, чтобы получить заданную цену деления. Рекомендуется при цене деления 0,05; 0,1 и 0,2 мкм выбирать число К = 8; 16 и 32 соответственно:
где X - длина световой волны (обычно замаркирована на интерферометре).
Применяют интерферометры в основном для поверки концевых мер и для точных измерений.
Рис. 6.15.
- 1 - лампа; 2 - конденсор; 3 - диафрагма; 4 - светофильтр;
- 5 - зеркало; 6 - пластина; 7 - объектив; 8 - полость сетки;
- 9 и 10 - окуляр; 11 - компесатор; 12 - зеркало
Оптическая схема трубки интерферометра показана на рис. 6.15. Свет от лампы 1 направляют конденсором 2 через диафрагму 3 на полупрозрачную разделительную пластину 6. Часть света пройдет через пластину 6, компенсатор 11 на зеркало 12 и, отразившись от зеркала, вернется снова на пластину 6. Другая часть пучка света направится на зеркало 5 и после отражения тоже возвратится к пластине. Встретившись на пластине 6, обе части пучка света интерферируют при небольшой разности хода. Объектив 7 проецирует в полость сетки 8 интерференционные полосы, которые вместе с нанесенной на сетке шкалой наблюдаются через систему окуляра 9 и 10. При включении светофильтра 4 наблюдается интерференционная картина, черная полоса которой служит указателем при отсчете по шкале.
Средства измерения с оптическим и оптико-механическим преобразованием
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Средства измерения с оптическим и оптико-механическим преобразованием |
| Рубрика (тематическая категория) | Образование |
Оптико-механические измерительные приборы находят широкое применение в измерительных лабораториях и цехах для измерения 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 др.
Оптиметр (ГОСТ 5405-75) состоит из измерительной головки 1, называемой трубкой оптиметра, и стоек (вертикальной 2 или горизонтальной 3). Учитывая зависимость отвида стойки оптиметры подразделяют на вертикальные (к примеру, ОВО-1 или ИКВ) и горизонтальные (к примеру, ОГО-1 или ИКГ).
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.
Трубка оптиметра действует следующим образом. Лучи от источника света направляются зеркалом в щель трубки и, преломившись в трехгранной призме , проходят через шкалу, нанесенную на плоскость стеклянной пластины и имеющую 200 делений. Пройдя через шкалу, луч попадает на призму полного отражения и, отразившись от нее под прямым углом, направляется на объектив и зеркало. Качающееся зеркало пружиной прижимается к измерительному стержню. При перемещении измерительного стержня, опирающегося на измеряемую деталь, зеркало поворачивается на угол вокруг оси, проходящей через центр опорного шарика, что вызывает отклонение отраженных от зеркала лучей на угол, в 2 раза больший первоначального. Рассеянный 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. Контролер наблюдает изображение шкалы в окуляр, как правило, одним глазом, отчего сильно утомляется. Для удобства отсчета на окуляр надевают специальную проекционную насадку, на экране которой можно наблюдать изображение шкалы обоими глазами.
Рис. 14. Оптиметр
Оптические измерительные приборы нашли применение в измерительных лабораториях для абсолютных и относительных измерений бесконтактным методом деталей сложного профиля (резьб, шаблонов, кулачков, фасонных режущих инструментов), для точных измерений длин, углов, радиусов. Эти приборы построены на оптических схемах. Наиболее распространенными из них являются: 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 типов: типа А - без наклона головки и типа Б - с наклоном головки. У микроскопов ИМ 100х50, А и ИМ 150х50, Б предусмотрена возможность отсчета показаний по шкалам микрометрических головок и применения концевых мер длины, тогда как микроскопы ИМЦ 100х500, А; ИМЦ 150х50, А; ИМЦ 150х50, Б; ИМЦЛ 160х80, Б оснащены цифровым отсчетным устройством.
Универсальные измерительные микроскопы (ГОСТ 14968-69) отличаются от инструментальных большим диапазоном измерений и повышенной точностью. В них вместо микрометрических измерителей применены миллиметровые шкалы с отсчетными спиральными микроскопами.
Несмотря на конструктивные различия инструментальных и универсальных микроскопов, принципиальная схема измерения у них общая - визирование различных точек контролируемой детали, перемещаемых для этого по взаимно перпендикулярным направлениям, и измерение этих перемещений посредством отсчетных устройств. Для обеспечения хорошего визирования микроскопы снабжают сменными объективами различной степени увеличения.
В качестве примера рассмотрим конструкцию и принцип измерения микроскопа ММИ (рис. 15). Измеряемая деталь АБ рассматривается через объектив ОБ микроскопа. Изображение детали А1Б1 получается действительным, обратным и увеличенным.
Глаз наблюдателя через окуляр ОК видит мнимое, обратное и еще раз увеличенное окуляром изображение детали А2Б2.
Рис. 15. Инструментальный микроскоп ММИ
На массивном чугунном основании 1 в двух взаимно перпендикулярных направлениях на шариковых направляющих с помощью микрометрических винтов 2, 1 4 перемещается измерительный стол 3 с направляющими 4. Важно заметить, что для снятия отсчета величины перемещения стола на гильзе, скрепленной с метрической гайкой, имеется миллиметровая шкала I , а на барабане, связанном с микрометрическим винтом, - круговая шкала II со 100 делениями (на рисунке показание микрометра равно 29,025). Объектив 5 с тубусом установлен на кронштейне 7, который перемещается в вертикальном направлении по стойке 11. У микроскопов типа Б стойка с помощью маховика 13 может наклоняться в обе стороны, что позволяет установить микроскоп, под углом, равным углу подъема измеряемой резьбы. Маховик 6, перемещающий кронштейн 7, служит для фокусировки микроскопа, причем установленное положение фиксируется винтом 12. Для точного фокусирования микроскопа вращают рифленое кольцо 8, при этом тубус смещается по цилиндрическим направляющим кронштейна. К верхней части тубуса крепится сменная угломерная окулярная головка с визирным 10 и отсчетным 9 микроскопами.
Оптические линейки (ГОСТ 24703-81) предназначены для определения отклонений от прямолинейности и плоскостности поверочных линеек, плит, а также направляющих поверхностей станков, образующих валов.
Принципиальная схема оптической линейки представлена на рис. 16.
Прибор основан на измерении отклонений точек контролируемой поверхности от воображаемой прямой - оптической оси. Линейка 5 (тонкостенная труба с оптической системой) устанавливается на двух опорах 4. Она имеет сквозной шлиц, вдоль которого перемещается измерительная каретка 3 с щупом 2, касающимся контролируемой поверхности. Для определения отклонений точек поверхности крайне важно совмещать видимые на экране визирный штрих 7 и бифиляр б и снимать отсчеты по барабану микрометра 1. Оптические линейки могут иметь регистрирующее устройство в виде профилографа, позволяющего графически воспроизводить на бумаге профиль контролируемой поверхности.
Рис. 16. Оптическая линейка.
Средства измерения с оптическим и оптико-механическим преобразованием - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Средства измерения с оптическим и оптико-механическим преобразованием" 2017, 2018.
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.
Наименование и тип прибора | Цена деления шкалы, мкм | Пределы измерений по шкале, мкм | Пределы допускаемой погрешности на любом участке шкалы в пределах 100 делений, мкм | Наибольшее измерительное усилие (колебание измерительного усилия), Н | Вариация показаний, мкм |
Оптикаторы ГОСТ 28798-90: | |||||
Улътраоптиметры ИКП-2 | |||||
Оптические длиномеры: | |||||
Интерферометр мод. 264 (вертикальный) | 1,5 ± 0,10 (0,02) | ||||
1,5 ± 0,10 (0,02) | |||||
1,5 ± 0,10 (0,02) |
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
Тип микроскопа | Верхние пределы измерений, мм | Диапазон измерений плоских углов, | Линейное увеличение объективов визирного микроскопа | Цена деления шкалы барабанов микрометрических головок, мм | Цена деления шкалы наклона линии центров | Максимальный диаметр проверяемого изделия, мм | Цена деления шкалы угломерной головки | Предел основной допускаемой погрешности микроскопа в диапазоне измерений, мкм |
|
в продольном направлении | в поперечном направлении |
||||||||
1; 3; 5; 10; 20; 40х | |||||||||
ИМЦ 100x50, А | 1; 3; 5; 10; 20; 40х | 0...25 мм ± 3 мкм |
|||||||
1; 3; 5; 10; 20; 40х | 0...50 мм ± 5 мкм |
||||||||
ИМЦ 150x50, А | 1; 1,5; 3,0; 5,0х | 0... 100 мм ± 6 мкм |
|||||||
1; 1,5; 3,0; 5,0х | |||||||||
ИМЦЛ 160x80, Б | |||||||||
10; 15; 30; 50х | |||||||||
10; 15; 30; 50х | |||||||||
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.
Наименование и тип прибора | Цена деления основной шкалы (нониуса) | Цена деления отсчетного устройства | Увеличение отсчетного микроскопа | Поле зрения | Пределы показаний шкалы | Пределы измерений прибором | Предельные погрешности прибора (отсчетного устройства) |
Проекторы измерительные (ГОСТ 19795-82): | Линейной: | Дискретного цифрового отсчета: | В продольном | ||||
0 ... 100 мм, в | |||||||
поперечном | |||||||
вертикальном | |||||||
Оптические делительные головки (ТУ 3.3.199 - 80): | Основного лимба | ||||||
±(1 + sina/2) ± |
|||||||
± (2 + 2pisina/2) |
|||||||
±(5 / 5pisina/2) |
|||||||
Оптический угломер | Минутной шкалы 5" | ||||||
Автоколлиматоры визуальные (ТУ 3.3.1495 - 84): | Минутной: | Секундной шкалы: | Предел разрешающей способности | ||||
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.
Тип прибора | Пределы измерений, мм | Погршность измерения | Инерционность, с | Преимущества | Недостатки | Область применения |
Измеритель ный микроскоп | х = 0...70 у = 0...50 | 1 мкм; 10 мкм; 6" | Легко переоснащаемый визуальный измерительный микроскоп для работы в проходящем и отраженном свете | Небольшое поле зрения (от 2... до 6 мм) в зависимости от увеличения | Лаборатории и производство, линейные и угловые измерения наружных и внутренних размеров |
|
Инструментальный проекционный микроскоп | х= 0...150 у = 0...75 | Можно вести наблюдения либо через окуляр, либо по экрану проектора как в отраженном, так и в проходящем свете | Дороже измерительного микроскопа | Измерительные лаборатории, измерение калибров, резьб, зубчатых колес, шаблонов, изделий сложной формы |
||
Универсальный измерительный микроскоп | х = 0...200 у = 0...100 | 0,2 мкм; 1 мкм; 30" | Высокая точность, удобство контроля резьбовых калибров-пробок, легкая переоснащаемость | Большие масса и габаритные размеры, настольный прибор | Измерительные лаборатории, линейноугловые измерения наружных и внутренних размеров |
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.
