Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

.pdf
Скачиваний:
183
Добавлен:
16.12.2021
Размер:
15.04 Mб
Скачать

207

4.4.5. Угловые измерения

Описание вида измерений

Физическая величина «плоский угол» используется для характеристики пространственной ориентации неподвижных и движущихся объектов. Воспроизвести единицу плоского угла – это значит получить истинное значение плоского угла, которое в качественном и количественномотношенииотражалобыпространственную ориентациюобъекта. Вреальныхусловияхистинноезначениезаменяютдействительнымзначениемугла, которое воспроизводитсяэкспериментальноинастолькоприближается к истинному, что для данной конкретной задачи может быть использовано вместо истинного значения.

В настоящее время в Международной системе единиц СИ единицей плоского угла принят радиан. Радиан определенкакцентральныйплоскийугол, образованный двумя радиусами окружности длиной 1 м, ограничивающими часть окружности длиной 1 м. Графически это определение представлено на рис. 1.

Рис. 1. Графическое представление определения единицы плоского угла – радиана

Историческая справка (история развития вида измерений)

Угловые измерения наряду с линейными являются наиболеераспространеннымииприменялисьещевдревние времена. Понятие градуса и появление первых инструментовдляизмеренияугловсвязываютсразвитием цивилизациивдревнемВавилоне, хотясамословоградус имеет латинское происхождение (от лат. gradus – «шаг, ступень»). Градусполучится, еслиразделитьокружность на360 частей. Древниевавилонянеделилина360 частей, т.к. вВавилонебылаприняташестидесятиричнаясистема исчисления. Более того, число 60 считалось священным. Поэтому все вычисления были связаны с числом 60 (календарь вавилонян включал 360 дней).

Кроме градуса, были введены такие единицы измерения, как минута (часть градуса) и секунда (часть минуты). Названия «минута» и «секунда» произошли от partes minutae primae и partes minutae sekundae, что в переводе означает «части меньшие первые» и «части меньшие вторые». В истории науки эти единицы измерения сохранились благодаря Клавдию Птолемею, жившему во II веке.

Уже гораздо позже было введено понятие «радиан». Первоеиспользованиерадиана вместоугловогоградуса обычноприписываютРоджеруКотсу, которыйсчиталэту единицуизмеренияугланаиболееестественной. Однако идеяизмерятьдлинудугирадиусомокружностииспользоваласьидругимиматематиками. Например, Аль-Каши использовал единицу измерения, названную им «часть диаметра», которая равнялась 1/60 радиана. Также им использовались и более мелкие производные единицы.

Развитие вида измерений в России

ВРоссии первые вещественные доказательства об использованиисредствизмеренийплоскогоуглаобнаружены при раскопках развалин Золотой Орды, когда был найден древний угломер-транспортир [1].

Втеорию угловых измерений значительный вклад внесли работы ученых Ф.Н. Красовского, А.С. Чеботарева, В.В. Данилова и С.В. Елисеева, а пионерами отечественного производства углоизмерительных приборовстализаводы«Геодезия» и«Геофизика». В1933 г. В.А. Баринов опубликовал исследование круговой машины, которое положило начало оценки метрологическихвозможностейгеометрическогометодаисредств обеспечения единства измерений [2].

В50-е гг. была завершена первая поверочная схема для угловых мер и угломерных приборов, во главе которой стоял эталонный метод воспроизведения единицы плоского угла с помощью многогранных призм и автоколлиматоров, разработанный Г.И. Стракуном.

Следуеттакжеотметитьсущественныйвкладвразвитиеметрологическихисследованийвпоследующиегоды таких ученых и специалистов, как: М.Г. Богуславский, А.Е. Синельников, В.Я. Эйдинов, Ю.В. Коломийцев, Д.И. Зорин, М.Л. Бржезинский, В.Т. Мартынов, Ю.М. Голубовский, И.П. Глаголев и др.

В70-х гг. в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (ВНИИМ) под руководством Ю.Н. Шестопалова был создан Государственный первичный эталон единицы плоского угла ГЭТ 22-80 (ГЭТ 22-80), который был утвержден Постановлением Госстандарта СССР от 25.12.1980 г. № 167. В состав ГЭТ 22-80 впервые был введен оригинальный фотоэлектрический интерферен-

ционный экзаменатор для воспроизведения единицы плоского угла в диапазоне ±7,5и ее передачи двум эталонным автоколлиматорам [3].

На момент создания эталон ГЭТ 22-80 полностью обеспечивалпотребностипромышленности. Основными эталоннымисредстваминатотмоментбылимногозначные угловые меры, а также визуальные и фотоэлектрические автоколлиматоры.

Внастоящее время, в связи с бурным развитием новых измерительных технологий и технологий в приборостроительной отрасли, основанных на применении цифровыхилазерныхметодов, появилисьвысокоточные средстваизмеренийплоскогоугла. Ктакимсредствамизмерений можно отнести угловые энкодеры и датчики на ихоснове, лазерныеицифровыегониометры, цифровые

 

 

 

 

 

 

 

 

 

208

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

автоколлиматоры, цифровыетахеометры, теодолиты, тре-

 

– передача единицы плоского угла динамическим

керы и т. д. Точность измерения углов перечисленными

средствам измерения угла.

устройствами составляет десятые и даже несколько со-

 

Ученым хранителем ГЭТ 22-2014 является Чекирда

тыхдолейсекунды. Такжепоявилисьуглоизмерительные

Константин Владимирович.

приборы и устройства, работающие только в динамике

 

 

 

или требующие контроля метрологических характери-

 

Основные направления развития

стик как в статике, так и в динамике.

 

 

В2014 г. наосноветеоретическихиэксперименталь-

 

 

 

ных работ, выполненных во ВНИИМ под руководством

 

Применение современных средств измерений пло-

К.В. Чекирды, былозавершеносозданиеновогоГосудар-

скогоуглавызываетнеобходимостьповышениякачества

ственного первичного эталона единицы плоского угла

измерений, повышенияпроизводительностиповерочных

ГЭТ 22-2014 (ГЭТ 22-2014), в состав которого вошел

икалибровочныхработ. ВнедрениеГЭТ22-2014 иновой

болееточныйинтерференционныйэкзаменатор, работа-

государственнойповерочнойсхемыпозволилометроло-

ющий в диапазоне ±1200а также комплекс эталонных

гически обеспечить на более высоком уровне решение

установок, благодаря которым удалось решить такие

задачтакихприоритетныхнаправленийразвитиянауки,

актуальные задачи, как:

технологий и техники РФ, как «Транспортные, авиаци-

 

– автоматизация процесса управления иизмерения в

онные и космические системы», «Рациональное приро-

соответствииссовременнымразвитиемвычислительной

допользование», «Перспективные вооружения, военная

техники;

и специальная техника», и критических технологий:

 

– передача единицы плоского угла многозначным

«Технологиисозданияновыхпоколенийракетно-косми-

и однозначным мерам плоского угла, а также датчикам

ческой, авиационной и морской техники», «Технологии

угла;

создания интеллектуальных систем навигации и управ-

 

– передача единицы плоского угла средствам из-

ления», «Базовые и критические военные, специальные

мерений, применяемым в геодезии, картографии и т.п.;

и промышленные технологии».

 

 

 

 

Т.П. Акимова, Г.И. Лейбенгардт,

 

 

 

 

К.В. Чекирда, В.Л. Шур

4.4.6. Государственный первичный эталон единицы плоского угла ГЭТ 22-2014

Принцип действия

где λ – длина волны излучения лазера,

 

δ – ширина интерференционной полосы.

Принцип работы ГЭТ 22-2014 основывается на вос-

На рис. 1 представлена схема ИЭ.

произведении единицы плоского угла интерференцион-

Излучение частотно-стабилизированного He-Ne ла-

ным методом [4]. Воспроизведение единицы плоского

зерафокусируетсямикрообъективом2 навращающейся

угла осуществляется с помощью интерференционного

рассеиватель 3. Фокус объектива 6 находится на рас-

экзаменатора (ИЭ) по формуле

сеивающей поверхности 3, и таким образом параллель-

ϕ = arcsin λ ,

ный световой пучок направляется в интерферометр 7.

2δ

Интерферометр7 состоитизсветоделительногозеркала

Рис. 1. Схема ИЭ

1 – He-Ne лазер, 2 – микрообъектив, 3 – рассеиватель, 4 – полупрозрачное зеркало, 5 – цифровая видеокамера, 6 – объектив, 7 – интерферометр,

8 – светоделительное зеркало, 9 – поворотное зеркало, 10 – диафрагма

209

Рис. 2. Оптическая схема НИ

8 иотражающегозеркала9 ипредставляетсобоймодифицированныймноголучевойотражающийинтерферометр Физо. Изменяя угол наклона зеркала 9 относительно зеркала 8, изменяются ширина и количество интерференционных полос в поле зрения, ограниченном диафрагмой 10.

Отраженнаяинтерференционнаякартинаспомощью полупрозрачного зеркала 4 проецируется на цифровую видеокамеру 5.

Ширина δ интерференционной полосы и, соответственно, количествоинтерференционныхполосm вполе зрения, ограниченном диафрагмой 10, зависят от угла поворота φ зеркала 9 относительно зеркала 8.

С помощью ИЭ единица плоского угла передается автоколлиматорам.

В состав ГЭТ 22-2014 вошли три высокоточных цифровых автоколлиматора, откалиброванных на ИЭ, и измерительный поворотный стол на базе абсолютных угловых энкодеров для обеспечения передачи единицы плоского угла многозначным и однозначным мерам плоского угла, а также датчикам угла, работающим в статическом режиме. Определение углов правильных многогранных призм производится путем решения системы уравнений, составленных на основе результатов совокупных измерений трех автоколлиматоров.

Передача единицы плоского угла средствам измерений, применяемым в геодезии, проводится методом прямыхизмерений(геодезическиебазисы) илиметодом сличения (тахеометры, теодолиты, лазерные трекеры, сканирующие лазерные системы и пр.) с помощью углоизмерительного комплекса, вошедшего в состав ГЭТ 22-2014.

Воспроизведение единицы плоского угла в динамическом режиме осуществляется с помощью стенда углоизмерительного. Основустендауглоизмерительного представляет динамический поворотный стол, включающийдвекоаксиальнорасположенныеаэростатические опоры – наружную и внутреннюю.

Передачаединицыплоскогоуглавдинамическомрежиме призмам многогранным ипрочим мерам плоского угла (регулярным и нерегулярным) осуществляется с помощью интерференционного нуль-индикатора.

Интерференционный нуль-индикатор (НИ) предназначен для определения в динамике момента про-

странственного совпадения двух угловых направлений: направлениянаобъект(нормаликотражающейповерхности объекта) и опорного направления (визирной оси НИ) в горизонтальной или вертикальной плоскостях. Его использование обусловлено особенностями передачи единицы плоского угла в динамике, где не работают традиционные системы считывания и синхронизации, применяемые при статических измерениях.

Оптическая схема НИ представлена на рис. 2. НИ представляетсобойдвухлучевойинтерферометрТвайма- на-Грина со светоделительной призмой типа бипризмы Довеиинтегральнойрегистрациейинтерференционной картины фотоприемником.

Приугловомперемещенииконтролируемогозеркала относительно нормального положения с выхода фотоприемного устройства НИ снимается импульс, форма которого может быть описана выражением

U (α ) = U0 (α )[1+ sin(4πα d / λ ) cos(4πα h / λ )], 4πα d / λ

где U0 (α) – величина напряжения пьедестала импульса,

λ – длина волны, d – ширина пучка,

h – расстояние между центрами пучков.

Таким образом, форма выходного сигнала определяется широким пьедесталом и узким интерференционнымимпульсом. Минимумэлектрическогоимпульса соответствует моменту совпадения визирной оси НИ с нормальюкотражающейповерхностиконтролируемого зеркала.

Метрологические и технические характеристики, состав эталона

В состав ГЭТ 22-2014 входят следующие установки, обеспечивающие воспроизведение и передачу единицы плоского угла:

экзаменатор интерференционный, № 01-2014;

автоколлиматор цифровой, № VNIIM01;

автоколлиматор цифровой, № VNIIM02;

автоколлиматор цифровой, № VNIIM03;

стол измерительный поворотный, № 01-2013;

210

Рис. 3. Экзаменатор интерференционный, стол измерительный поворотный и автоколлиматоры цифровые

Рис. 4. Правильные многогранные меры плоского угла (призмы), комплекс углоизмерительный и стенд углоизмерительный

призма 24-гранная, № 13;

призма 72-гранная, № 1;

комплекс углоизмерительный, № 01-2014;

стенд углоизмерительный, № 01-2013. ВнешнийвидГЭТ22-2014 представленнарис. 3, 4.

МетрологическиехарактеристикиГЭТ22-2014 пред-

ставлены в таблице 1.

Назначение и область применения

ГЭТ 22-2014 предназначен для воспроизведения и передачи единицы плоского угла в целях обеспечения единства измерений в различных технологиях и производствах, включаястанкостроение, авиаисудостроение, оптическое, электромеханическое и навигационное приборостроение, атомнуюикосмическуюпромышленность, геодезию, картографию, научные исследования, астрономию и др.

Эталонныеирабочиесредстваизмеренийвключают мерыплоскогоугла, оптическиеполигоны, гониометры, угломеры, синусные линейки, углоизмерительные, делительные приборы, делительные головки, квадранты, экзаменаторы, автоколлиматоры, интерференционные угломеры, уровни, измерителипрямолинейности, преобразователиугла, тахеометры, теодолиты, координатно-из- мерительныемашины, лазерныесканирующиесистемы.

Необходимостьвысокоточныхизмеренийплоскогоугла определяетсязапросамиотечественнойпромышленности,

выпускающей как прецизионные преобразователи угла, такивысокоточныеизмерительныесистемынаихоснове.

Основные научные результаты, уникальность и преимущество

Основные достижения, которых удалось добиться в результатесовершенствованияипримененияпервичного эталона: точность воспроизведения единицы плоского угла теперь практически не уступает зарубежным аналогам, возможность передачи единицы вторичным и разряднымэталонамобеспеченавболееширокомдиапазоне, такжерасширенаноменклатурасредствизмерений, которым осуществляется передача единицы плоского угла, в том числе средствам измерений, работающих в динамическом режиме.

Сравнение метрологических характеристик ГЭТ 222014 с зарубежными аналогами приведено в таблице 2.

Международное сотрудничество. Сличения

Проведены сличения национальных эталонов при помощи24-граннойпризмы, входящейвсоставГЭТ222014, в рамках СООМЕТ.L-K3 [5]. Страны-участницы: Россия, Республика Беларусь, Украина.

В 2015 г. ГЭТ 22-2014 в соответствии с календарным планом примет участие в сличениях националь-

 

 

 

 

 

 

211

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1. Метрологические характеристики ГЭТ 22-2014

 

 

 

 

 

Характеристика

 

 

 

Значение

 

 

 

 

 

Статический режим

 

 

 

 

 

 

 

Диапазон измерений плоского угла

 

 

 

0–360°

 

 

 

 

 

Стандартная неопределенность:

 

 

 

0,005

по типу А

 

 

 

по типу В

 

 

 

0,006

суммарная неопределенность

 

 

 

0,008

расширенная неопределенность (k=2)

 

 

 

0,016

 

 

 

 

 

СКО передачи единицы плоского угла (при n=10)

 

 

 

0,01–0,03

 

 

 

 

 

СКО передачи единицы плоского угла с помощью стола измерительного поворотного

 

0,1

(при n=10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СКО передачи единицы плоского угла с помощью комплекса углоизмерительного

 

0,2

(при n=10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Динамический режим

 

 

 

 

 

 

 

Диапазон измерений плоского угла при угловом перемещении с частотой (0,01–2) Гц

 

0–360°

 

 

 

 

 

Стандартная неопределенность:

 

 

 

0,01

по типу А

 

 

 

по типу В

 

 

 

0,021

суммарная неопределенность

 

 

 

0,023

расширенная неопределенность (k=2)

 

 

 

0,046

 

 

 

 

 

СКО передачи единицы плоского угла (при n=16)

 

 

 

0,01–0,03

 

 

 

 

 

Таблица 2. Сравнение ГЭТ 22-2014 с зарубежными аналогами

 

 

 

Национальный метрологический институт

 

Расширенная неопределенность

(страна)

 

воспроизведения единицы плоского угла

 

 

 

 

ВНИИМ (РФ)

 

 

0,016 (0,02)

 

 

 

 

PTB (Германия)

 

 

0,01

 

 

 

 

NMIJ (Япония)

 

 

0,01

 

 

 

 

LNE-INM (Франция)

 

 

0,1

 

 

 

 

NIST (США)

 

 

0,1

 

 

 

 

NPL (Великобритания)

 

 

0,03

 

 

 

 

METAS (Швейцария)

 

 

0,01

 

 

 

 

 

ных эталонов при помощи автоколлиматора в рамках

EURАMET.L-K3.2009 [6]. Лаборатория-пилот – PTB (Германия). Измерения будут проводиться в диапазоне ±1000с шагом 10 (или кратно) и в диапазоне ±10с шагом 0,1(или кратно).

Литература

1.Шостин Н.А. Очерки по истории русской метрологии. – М.: Издательство стандартов, 1975.

2.ЕлисеевС.В. Геодезическоеинструментирование. – М.: Геодезиздат, 1952.

3.Шестопалов Ю.Н., Мартынов В.Т., Брда В.А. Новый государственныйпервичныйэталонединицыплоскогоугла. Исследования в области линейных и угловых измерений. – Л.: Энергоатомиздат, 1983.

4.Чекирда К.В., Шур В.Л., Лукин А.Я. и др. Исследова-

ние углового экзаменатора с расширенным диапазоном на основе интерферометра Физо // Измерительная техника. – 2015. – № 12.

5.Key Comparison CCL-K3. Calibration of angle standards. Report – Final. 2007.

6.EURAMET Project 870 (EURAMET.L-K3.1). Final report. 2010.

Т.П. Акимова, Г.И. Лейбенгардт, К.В. Чекирда, В.Л. Шур

212

4.4.7. Измерения параметров шероховатости поверхности

Описание вида измерений

Шероховатостькаксвойствореальнойнегладкойповерхности проявляется через совокупность отдельных неровностей, образующих шероховатую поверхность. Параметрышероховатостиявляютсяфизическимивеличинами, определяющими шероховатость, и составляют метрологическую основу соответствующей области измерений.

Физическая величина – длина; единица измерений м (мкм, нм).

ПостандартуГОСТ25142-82 (сизм.) «Шероховатость поверхности. Термины и определения» даются следующие основные термины и определения:

а) параметры шероховатости, связанные с высотными свойствами неровностей:

базовая линия – линия заданной геометрической формы, определенным образом проведенная относительнопрофиляислужащаядляоценкигеометрических параметров поверхности;

базовая длина l – длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности (рис. 1);

длина оценки L – длина, на которой оцениваются значения параметров шероховатости. Она может содержать одну или несколько базовых длин;

средняя линия профиля – базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонения профиля до этой линии минимально;

высота наибольшего выступа профиля Rp – расстояние от средней линии до высшей точки профиля в пределах базовой линии (рис. 1);

глубина наибольшей впадины профиля Rv – расстояние от низшей точки профиля до средней линии в пределах базовой длины (рис. 1);

полная высота неровностей профиля Rmax – сумма высотынаибольшеговыступапрофиляRp иглубинынаибольшейвпадиныпрофиляRv впределахдлиныоценкиL;

наибольшая высота профиля Rz – сумма высоты наибольшеговыступапрофиляRp иглубинынаибольшей впадиныпрофиляRv впределахбазовойдлиныl (рис. 1);

среднее арифметическое отклонение профиля

Ra – среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины (рис. 2)

l

 

 

 

 

n

 

 

 

 

Ra =1l 0

 

y(x)

 

dx ;

Ra = 1n i=1

 

yi

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) параметры шероховатости, связанные со свойствами неровностей в направлении длины профиля:

среднийшагнеровностейпрофиляSm – этосреднее значениешаганеровностейпрофилявпределахбазовой длины;

среднийшагместныхвыступовпрофиляS – среднее значениешаговместныхвыступовпрофиля, находящихся в пределах базовой длины;

параметры Sm и S характеризуют взаимное расположение вершин профиля и точек пересечения профиля со средней линией, анализ их соотношения для реальной поверхности позволяет решать задачу определения длины измерения для обеспечения заданной точности измерения параметров шероховатости;

в) параметры шероховатости, связанные с формой неровностей профиля:

относительнаяопорнаядлинапрофиляtp – отношение опорной длины профиля к базовой длине

tp =ηlp ,

гдеη p – опорнаядлинапрофиля– суммадлинотрезков, отсекаемыхназаданномуровневматериалепрофилялинией, эквидистантнойсреднейлиниивпределахбазовойдлины.

Рис. 1

Рис. 2

213

Историческая справка (история развития вида измерений)

Шероховатость поверхности стала объектом измерений, а также национальной и международной стандартизации, в связи с интенсивным развитием машиностроения и приборостроения. В 1910–1930 гг. опробованы методы микроскопического анализа неровностей поверхности. На производстве в этот период доминировали органолептические методы контроля, визуальноесравнениесобразцом, сравнениеспомощью луп, на ощупь ногтем и т.п.

В30-егг. предложениреализованвдвойноммикроскопе метод светового сечения (акад. В.П. Линник), метод микроинтерференции и основанные на нем микроинтерферометры, сочетающиесхемымикроскопа

иинтерферометра Майкельсона. В этот же период появились основанные на щуповом методе электромеханические профилометры. С 40-х гг. начинается выпуск большогочислаприборов, основанныхнапрофильном методе, развитие и распространение которых в значительной мере предопределило развитие метрологии и стандартизации в области измерения шероховатости поверхностей.

В1946 г. на Международной ассамблее по стандартизации было решено создать Технический комитет по качеству обработанных поверхностей, а ведение Секретариата этого комитета было возложено на СССР, как признание мирового лидерства советской научной школы качества поверхности. Научные достижения в

СССРвэтомвидеизмеренийсвязаны, впервуюочередь, с именами таких ученых, как акад. Ю.В. Линник, проф. П.Е. Дьяченко (автор первого ГОСТ «Шероховатость поверхности»), проф. И.В. Дунин-Барковский, проф. А.Н. Карташова, В.А. Егоров, Ю.Р. Витенберг, А.П. Хусу, Я.А. Рудзит, В.С. Лукьянов.

Развитиеработвобластиметрологиишероховатости поверхностивоВНИИМСвозглавилосновательнаучной школыметрологиикачестваповерхностейВ.С. Лукьянов, пришедший в институт в 1962 г. и возглавлявший это направление до 1995 г. За эти годы ВНИИМС стал центром эталонов и головной организацией Госстандарта в данномвидеизмерений. ЕмубылопорученоведениеСекретариата Технического комитета ИСО по метрологии качестваповерхностей. Работы, включавшиевсеаспекты метрологии качества поверхностей, выполнялись большимколлективомученыхиспециалистов, средикоторых особыйвкладвнеслиГ.Н. Самбурская, Н.А. Табачникова, О.К. Комаровский, В.Г. Лысенко.

Развитие вида измерений в России

Сегодня реальный сектор экономики располагает огромным количеством сложных дорогостоящих средств измерений параметров шероховатости, которыми оснащены ведущие высокотехнологичные отрасли промышленности: космической, авиационной, автомобильной, атомной, прецизионного машиностроения, судостроения, топливно-энергетического комплекса, микроэлектронной, медицинской, обороннойидругих. Этотысячипредприятий реальногосектораэкономики. Атакжецентрыметрологии истандартизации(ЦСМ). Встранезадействованыдесятки тысячсредствизмеренийпараметровшероховатости.

Основные направления развития

Данный вид измерений интенсивно развивается в сторону расширения диапазона измерений, увеличения номенклатурыизмеряемыхпараметров, повышенияточности, степени автоматизации и производительности.

С.Ю. Золотаревский, Н.А.Табачникова, Н.В. Иванникова, Е.А. Милованова

Рис. 3. Отрасли промышленности, в которых применяются измерения параметров шероховатости поверхности

214

4.4.8. Государственный специальный первичный эталон единицы длины в области измерений параметров Rmax, Rz в диапазоне от 0,001 до 3000 мкм и Ra

в диапазоне от 0,001 до 750 мкм ГЭТ 113-2014

Принцип действия

Государственный первичный специальный эталон единицы длины в области измерений параметров шероховатости Rmax, Rz в диапазоне от 0,001 до 3000 мкм и Ra в диапазоне от 0,001 до 750 мкм состоит из комплекса средств измерений.

Принцип работы модернизированного прецизионного метрологического сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) нанометрового диапазона НаноСкан-3Di производства ФГБНУ «ТИСНУМ» (г. Троицк)

Измерение рельефа поверхности осуществляется путем построчного сканирования участка поверхности

сзаписью сигнала обратной связи. Две величины используются в качестве измеряемого сигнала: амплитуда A и частота F колебаний зонда. Обратная связь поддерживает постоянными заданное значение величин А и F. Для перемещения зонда используются прецизионный пьезокерамическийнанопозиционер, накоторыйпоцепи обратной связи подается сигнал. Профиль поверхности получаетсяпосредствомрегистрацииэтихперемещений

спомощью лазерного интерферометра.

R = λ2 (N + 2δπ )

R– текущее перемещение;

λ– длина волны лазера;

N– целоечислопериодовинтерференционнойполосы; δ – текущий фазовый сдвиг.

Принцип работы модернизированного автоматизированного интерференционного микроскопа МИА-М1 производства ОАО «ЛОМО» (г. Санкт-Петербург)

Принцип действия микроскопа основан на интерференции световых пучков лазерного излучения, отраженныхотопорногозеркалаиповерхностиизмеряемого изделия. Основоймикроскопаявляетсямикроинтерферометр, построенный по схеме интерферометра Линника. Для расширения диапазона и повышения точности измеренийреализованметоддискретногофазовогосдвига при помощи управляемого от компьютера зеркала на пьезоэлементе (пьезозеркала), встроенного в опорное плечо микроинтерферометра. Интерференционные картиныприразличныхположенияхпьезозеркаларегистрируютсяспомощьювстроенной цифровойвидеокамеры, оцифровываютсяипередаютсявперсональныйкомпьютер(ПК), гдепроизводитсяихавтоматическаяобработка.

В результате обработки восстанавливается оптическая разность хода, соответствующая измеряемому профилю поверхности.

Результаты измерений, в виде профилей исследуемых объектов (графиков сечений), псевдоцветовых карт и текстовой информации, отображаются на экране компьютера.

H (x, y) = 4λπ Φ(x, y)

H(x,y) – высота профиля;

λ – длина волны источника излучения; Φ(x,y) – значение фазы.

Рис. 1. Схема модернизированного прецизионного метрологического сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) нанометрового диапазона НаноСкан-3Di

215

Принцип работы модернизированного профилометра на базе контактного прибора Talystep фирмы Taylor Hobson Ltd. (Великобритания)

Действиедатчикаоснованонапринципеощупывания неровностей исследуемой поверхности алмазной иглой щупа. Перемещения щупа через рычаг передаются ферритовому сердечнику, который изменяя свое положение относительнокатушек, вызываетизменениенапряжения надиагоналиизмерительногомоста, вкоторомрасположены эти катушки. В дальнейшем происходит усиление полученного сигнала и его преобразование в цифровой вид при помощи электронного блока.

Напряжение uH небаланса измерительного моста связаноспоперечнымперемещениемh щупаследующим соотношением:

Рис. 2. Схема модернизированного автоматизированного интерференционного микроскопа МИА-М1

uH =

2 jωk0 (r + jωL)uï h

,

4(r + jωL)2 (l 2

l h) + ω2

k 2h2

 

 

 

0

 

 

l

2 l h

 

b

b

 

 

 

b

b

ω – круговая частота напряжения питания; k0 = 4π 109W 2S

(W – число витков катушки, S – сечение сердечника и воздушного зазора в м);

r – активная составляющая комплексного сопротивления каждой катушки;

L – индуктивность каждой катушки; un напряжение питания моста;

h – изменениевоздушногозазора, отвечающеевысоте неровностей в м;

lb – длина средней магнитной линии в воздушном зазоре в м.

Рис. 3. Схема модернизированного профилометра на базе контактного прибора Talystep

0,2·10-3 мкм 0,2·10-3 мкм 1,5·10-3 мкм 4,0·10-2 мкм
1,4·10-3 мкм

216

Рис. 4. Схема модернизированного профилометра на базе контактного прибора Form Talysurf

Принцип работы модернизированного профилометра на базе контактного прибора

Form Talysurf фирмы Taylor Hobson Ltd. (Великобритания)

Действиедатчикаоснованонапринципеощупывания неровностей исследуемой поверхности алмазной иглой щупа. Перемещения щупа через рычаг передаются трип- пель-призме, черезкоторуюпроходитизмерительныйлуч в схеме измерения интерферометра Майкельсона. Луч лазераразделяетсянадваприпомощиделительногокуба. Один направляется на референтное зеркало С, второй на триппель-призму D и, отражаясь от зеркала Е, возвращаетсячерезтужепризмунадиагональделительногокуба, на которой приопределенных условиях интерферирует с отраженнымотреферентногозеркалабазовымлучом. Интерференционная картина воспринимается фотодиодами и проходит обработку (оцифровку) в электронном блоке.

Таким образом, поперечное перемещение щупа преобразуется в изменение выходного сигнала интерферометра при движении отражателя:

I (t) = A0 + A cos[ϕ0 ±(4π / λ ) h(t)],

где A0 = const,

A – амплитуда выходного сигнала, ϕ0 – начальная фаза сигнала, λ – длина волны лазерного источника.

Метрологические и технические характеристики, состав эталона

Государственный первичный специальный эталон единицы длины в области измерений параметров шероховатости Rmax, Rz в диапазоне от 0,001 до 3000 мкм и Ra в диапазоне от 0,001 до 750 мкм состоит из комплекса следующих средств измерений:

модернизированного прецизионного метрологического сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) нанометрового диапазона НаноСкан-3Di (рис. 5): в диапазоне 0,001–50 мкм;

модернизированного автоматизированного интерференционного микроскопа МИА-М1 (рис. 6): в диапазоне 0,0015–3 мкм;

модернизированного профилометра на базе контактного прибора Talystep (рис. 7): в диапазоне

0,025–0,1 мкм;

модернизированного профилометра на базе контактного прибора Form Talysurf (рис. 8): в диапазоне

1,0–3000 мкм.

Диапазонзначенийдлины, вкоторомвоспроизводится единица, составляет от 0,001 до 3000 мкм.

Первичный специальный эталон в комплексе обеспечивает воспроизведение единицы длины в области измерений параметров шероховатости:

Rmax и Rz в диапазоне 0,001÷50 мкм; Ra от 0,001÷12,5 мкмсосреднимквадратическимотклонением

результата измерений S, не превышающим 0,0002 мкм при 20 независимых наблюдениях и неисключенной систематической погрешностью θ, не превышающей

0,0014 мкм;

– Rmax и Rz в диапазоне 0,0015÷3 мкм; Ra от 0,001÷0,75 мкмсосреднимквадратическимотклонением

результата измерений S, не превышающим 0,0002 мкм при 20 независимых наблюдениях и неисключенной систематической погрешностью θ, не превышающей

0,0013 мкм;

– Rmax и Rz в диапазоне 0,025÷0,1 мкм; Ra от 0,006÷0,025 мкм со средним квадратическим отклоне-

нием результата измерений S, не превышающим 0,0015 мкмпри20 независимыхнаблюденияхинеисключенной систематической погрешностью θ, не превышающей

0,0012 мкм;

– Rmax и Rz в диапазоне 1÷3000 мкм; Ra от 0,4÷750 мкм – со средним квадратическим отклонени-

ем результата измерений, не превышающим 0,04 мкм при 20 независимых наблюдениях и неисключенной систематической погрешностью θ, не превышающей

0,013 мкм;

Стандартная неопределенность: оцененная по типу А, uA:

– в диапазоне 0,001÷50 мкм

– в диапазоне 0,0015÷3 мкм

– в диапазоне 0,025÷0,1 мкм

– в диапазоне 1÷3000 мкм оцененная по типу В, uB:

– в диапазоне 0,001÷50 мкм