ЧФ ПНИПУ. Лабораторные работы по физике

Министерство образования и науки российской федерации

Чайковский филиал

Федерального государственного бюджетного

Образовательного учреждения высшего профессионального образования

"Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

(ЧФ ПНИПУ)

Кафедра гуманитарных и естественнонаучных дисциплин

Лаборатория физики

Оптика

Лабораторная работа №6

“Определение шероховатости поверхности

с помощью микроинтерферометра МИИ-11”

2011

Цель работы: познакомиться с принципом действия и устройством МИИ-11. Изучение многолучевой интерференции, определение шероховатости поверхности.

Приборы и принадлежности: микроинтерферометр МИИ-11, исследуемые образцы.

Сведения из теории

Интерфенционный метод, с помощью которого возможно исследовать высоты поверхности порядка длины волны, имеет особое место в измерении шероховатости.

Отсутствие механического контакта при измерении, высокая чувствительность метода и использование длины волны в качестве масштаба интерференционного изображения профиля дают возможность применять микроинтерферометры в метрологической практике при проведении особо точных и аттестационных измерений и для измерения шероховатостей.

Принцип действия микроинтерферометра МИИ-11

1. Назначение.

Многолучевой микроинтерферометр МИИ-11 представляет собой микроскоп отраженного света, в предметной плоскости которого помещено интерференционное устройство, и предназначается для измерения толщин тонких пленок, малых линейных смещений и малых отступлений от идеальной плоскости по величине смещения или искривления интерференционных полос. С помощью микроинтерферометра могут быть измерены поверхности с коэффициентом отражения не ниже 0,3.

Микроинтерферометр МИИ-11 изготавливается для работы в условиях УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69, но при температуре воздуха (202)С.

2. Технические данные:

Пределы измерения, мкм от 1 до 0,120

Увеличение:

Микроинтерферометра 55

Окуляра 16

Линейное поле зрения, мм, не менее 2.8

Апертура объектива 0,1

Разрешающая способность 2,7

Коэффициенты отражения интерференционных пластинок:

R1 0,45

R2 0,65

R3 0,75

R4 0,90

Предметный столик:

пределы поворота от 0 до 180

пределы перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, мм,

не менее +5

Цена деления шкал барабанов микрометрических винтов, мм 0,01

Источники света – натриевая лампа ДНаС-18 и ртутная лампа ДРС-50.

Питание ламп осуществляется через пульт ПРЛ-6 от сети переменного тока напряжением 127/220 В.

3. Принцип действия и оптическая схема.

Оптическая схема микроинтерферометра показана на рис. 1. Светящееся тело лампы 1 проектируется коллектором 2 в отверстие диафрагмы 3, которая установлена в фокальной плоскости объектива 4 коллиматора.

С помощью зеркал 5,6 и призмы 7 обеспечивается компактность осветительной системы.

Параллельный пучок лучей после отражения от светоделительного слоя призмы-куба 8 направляется на исследуемую поверхность 9, в контакте с которой находится сменная интерференционная пластинка 10. На стороне пластинки 10, обращенной к исследуемой поверхности, нанесено многослойное светоделительное покрытие.

Рис. 1. Оптическая схема микроинтерферометра.

Интерференционная картина, возникающая в результате многократных отражений в воздушном клине между исследуемой поверхностью и интерференционной пластинкой, рассматривается в микроскоп, состоящий из объектива 11, призмы 12 и винтового окуляра 13.

Интерференционный светофильтр 14 включается в ход лучей при работе с лампой ДРС-50.

Принцип действия микроинтерферометра основан на интерференции света в пластинках при многократных отражениях.

При многолучевой интерференции распределение интенсивности света в интерференционной полосе подчиняется сложной закономерности и зависит в основном от коэффициентов отражения исследуемой поверхности (R_п) и интерференционной пластинки (R₀). От распределения интенсив­ности света в интерференционной полосе зависит точность установки нити перекрестия на центр полосы при измерениях. Более точная установка получается в тех случаях, когда полосы в поле зрения имеют вид узких линий на светлом фоне.

При многолучевой интерференции в отраженном свете с применением лампы ДНаС-18 в поле зрения видны черные тонкие полосы на светло-желтом фоне; при работе с лампой ДРС-50 и светофильтром в поле зрения видны черные полосы на светло-зеленом фоне. При такой интерференционной картине глаз наблюдателя может заметить искривление или смещение интерференционных полос, равное 1/50 расстояния между полосами, что соответствует изменению исследуемой величины на 0,005 мкм (эта величина определяет чувствительность микроинтерферометра).

Для получения контрастных интерференционных полос в поле зрения многолучевого микроинтерферометра необходимы следующие условия:

1. Коэффициенты отражения R₀ и R_п должны быть как можно больше и равны между собой, т.е. R_п = R₀→1.

2. Пучок лучей, выходящий из осветительной системы, должен быть параллельным и падать на интерференционную пластинку по нормали.

3. Расстояние между поверхностями интерференционной пластинки и исследуемой детали должно быть минимальным, так как наилучшая контрастность интерференционных полос в поле зрения наблюдается при контакте поверхностей.

4. Свет должен быть строго монохроматическим.

Величина изгиба интерференционных полос или их смещения пропорциональна величине отклонения исследуемой поверхности от идеальной плоскости или величине уступа на исследуемой поверхности.

Измерение величины изгиба или смещения интерференционных полос (Н) производиться с помощью винтового окулярного микрометра.

Величина Н вычисляется по формуле: , где  – длина волны источника света, N – величина изгиба интерференционных полос в долях расстояния между полосами.

4. Конструкция.

Основными узлами микроинтерферометра являются основание 15 (рис. 2) с колонкой 16, предметный столик 17 и оптическая головка 18, на которой укреплены осветитель 19, винтовой окулярный микрометр 20, а также рукоятки управления.

Рис. 2. Внешний вид микроинтерферометра.

Перемещение столика в двух взаимно перпендикулярных направлениях производится с помощью микрометрических винтов 21; величина перемещения отсчитывается по шкалам барабанов винтов. Поворот столика вокруг вертикальной оси осуществляется от руки; стопорится столик винтом 22.

Поворотом маховичка 23 оптическая головка 18 может быть установлена на колонке 16 в любом положении и закреплена рукояткой 24.

Винтовой окулярный микрометр 20 и механизм 25 качания интерференционной пластинки 10 (см. рис. 1) установлены на подвижной части головки 18 (см. рис. 2).

Вращением барашка 26 интерференционная пластинка может быть наклонена относительно поверхности образца.

Фокусировка на исследуемую поверхность подвижной части головки, в которой расположены объектив и интерференционная пластинка, производится маховичком 27; фиксация осуществляется рукояткой 28.

Осветитель 19 с фонарем 29, в котором может быть установлена натриевая лампа ДНаС-18 или ртутная лампа ДРС-50, укреплен на корпусе головки. Лампы включаются в сеть через пульт 30 (ПРЛ-6), на передней стенке кожуха которого укреплены амперметр 31 и розетка 32 для включения ламп. Рядом на шасси 33 винтами 34 прикреплён автотрансформатор35, поворот рукоятки 36 кото­рого позволяет менять рабочий ток в лампе.

Освещенность и контрастность интерференционной картины при исследовании поверхностей с различными коэффициентами отражения регулируется изменением отверстия ирисовой диафрагмы, что осуществляется с помощью рукоятки 38.

Интерференционные пластинки в оправах – съемные. На оправах пластинок награвированы номера, соответствующие коэффициентам отражения. Пластинки с номерами 1,2,3 и 4 имеют коэффициенты отражения светоделительного слоя соответственно 0,45; 0,65; 0,75 и 0,90.

5. Методы работы.

При правильной настройке в поле зрения микроинтерферометра должны быть видны резкие черные полосы на желтом или зеленом фоне, которые в сильно увеличенном масштабе повторяют профиль исследуемой поверхности.

Темным полосам соответствует разность хода между интерферирующими лучами, равная /2, 3/2, 5/2,…; светлым (максимумам) 0, , 2, 3,… В том случае, когда на исследуемой поверхности имеется царапина – результат обработки, – то интерференционные полосы искривляются (рис. 3).

Действительно, если глубина царапины в данном месте численно равна /2, то оптическая разность хода измениться на длину волны света , так как свет проходит эту царапину дважды. При этом в данном месте интерференционная полоса искривляется, и если интерференционные полосы расположены перпендикулярно линиям обработки, то величина искривления будет равна величине интервала между интерференционными полосами h₀. Если глубина царапины больше /2, то и волна искривления будет больше h₀. Так как величина искривления интерференционных полос пропорциональна глубине царапин, то искривление интерференционных полос проверяют в увеличенном виде профиль исследуемой поверхности, т.е. сечение плоскостью, перпендикулярной линиям обработки.

Установим связь между величиной микронеровности h, измеренной в делениях окулярной шкалы, и величиной ее, выраженной в мкм. Так как глубина неровности, равная по величине /2, вызывает искривление полос, равное величине интервала между интерференционными полосами h₀, то величина микронеровности H найдется следующим образом: , откуда , где h – величина микронеровности, измеренная в делениях окулярной шкалы микроинтерферометра; h₀ – величина интервала между интерференционными полосами;  – длина волны, мкм.

Микронеровности или шероховатости, есть совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующими рельеф поверхности изделий. От шероховатости поверхностного слоя зависят эксплуатационные качества в долговечность деталей и узлов. Шероховатость поверхности рассматривается в пределах некоторого участка L, называемого базовой длиной, величина которой зависит от состояния поверхности, и чем грубее поверхность, тем больше базовая длина. По ГОСТу 2789-59 шероховатость поверхности оценивается двумя основными категориями – R_d и R_z·R_d –среднее арифметическое отклонение профиля, т.е. среднее значение расстояний Y₁, Y₂, Y₃ ,…,Y_n – точек измеряемого профиля до средней линии, проведенных через равные участки – L (рис. 4).

Д ругой критерий R_z называется высотой неровностей. Он представляет собой среднее расстояние между находящимися в пределах базовой длины пятью высшими точками выступов и пятью низшими точками впадин, измеренное по линии, параллельной средней линии.

Для вычисления его поступают следующим образом. На интерференционной полосе в пределах базовой длины (рис. 5) измеряют значения пяти наибольших выступов (h₁, h₃, h₅, h₇, h₉) и пяти низших точек впадин (h₂, h₄, h₆, h₈, h₁₀). Для этого визирную линию перекрестия окулярного микрометра, параллельную интерференционным полосам, устанавливают последовательно в точках 1, 3, 5, 7, 9 (рис. 5) и 2, 4, 6, 8, 10. Получив соответствующие значения h₁, находят высоту неровностей

Для классов 1-5 и 13-14 оценку рекомендуется производить по критерию R_z, а для классов 6-12 по критерию R_x.

Настройка микроинтерферометра и измерение высоты микронеровности

1. Включите микроинтерферометр через пульт ПРЛ-6 в сеть переменного тока. Яркость горения лампы отрегулируйте рукояткой автотрансформатора; при этом помните, что рабочий ток, идущий на лампу, не должен превышать 1 А.

2. Установите в гнездо до упора интерференционную пластинку в оправе (проверьте, пластинка должна быть уже установлена). При выборе интерференционной пластинки необходимо учитывать, что доведенные металлические поверхности имеют коэффициент отражения в пределах от 0,30 до 0,60, поэтому при измерении высоты уступов или отступлений от плоскости на металлических деталях следует применять интерференционную пластинку "1" и реже – пластинку "2".

3. Установите на столик микроинтерферометра проверяемую деталь исследуемой поверхностью к интерференционной пластинке.

4. Отпустите с помощью маховичка 23 (рис. 2) оптическую головку 18 так, чтобы между интерференционной пластинкой и исследуемой поверхностью остался зазор около 1мм, после чего зажмите рукоятку 24.

5. Переместите микроскоп с помощью маховичка 27 вниз до соприкосновения интерференционных пластинки с исследуемой поверхностью; момент контакта поверхностей определяется появлением интерференционных полос в поле зрения.

6. Установите нужную ширину полос с помощью барашка 26.

7. При правильной настройке в поле зрения микроинтерферометра должна быть видны резкие черные полосы, которые в сильно увеличенном масштабе повторяют профиль исследуемой поверхности. С помощью столика разверните исследуемую поверхность так, чтобы интерференционные полосы располагались перпендикулярно следам обработки.

8. Повернуть окулярный микрометр таким образом, чтобы одна из нитей перекре6стия совпала с направлением интерференционных полос, а другая – с направлением штрихов на исследуемой поверхности. Закрепите окулярный микрометр зажимным винтом.

9. Измерить величину интервала h₀ между средними интерференционными полосами в делениях окулярной шкалы. Для этого вращением барабана на окулярном микрометре совместить горизонтальную нить перекрестия с серединой какой-либо темной интерференционной полосы и произвести отсчет N₁: целые единицы – по шкале в окуляре (положение двух параллельных линий), десятые и сотые – по барабану. Затем совместить эту же нить перекрестия с серединой какой-либо другой темной полосы и произвести второй отсчет N₂. При этом необходимо заметить число интервалов между полосами

Определить h₀ в делениях шкалы:

Измерения проделать еще несколько раз и определить h_0ср.

10. Измерить высоту микронеровностей H в делениях окулярной шкалы

Для этого, взяв из таблицы 1 более грубых классов чистоты поверхности (10 – 12 класс) базовую длину L = 0,25 мм, определить какому участку в поле зрения соответствует эта базовая длина. Для этого линию пересечения шкалы окулярного микрометра, параллельную линиям обработки, поставить на какие либо характерные искривления интерференционных полос в нижней части поля зрения. Переместить деталь вместе со столиком от себя на величину базовой длины (L = 0,25 мм) с помощью микрометрического винта отсчитывая ее величину по шкале винта. При этом заметить в окуляр, на какое расстояние переместится поле зрения. На этом расстоянии L замерить значение 5 выступов и 5 впадин. Для чего необходимо линию перекрестия, параллельную интерференционным полосам (т.е. перпендикулярную линиям обработки) последовательно установить в точках 1, 2, 3…, 10, снимая при этом отсчет по окулярной шкале и микрометрическому винту окулярного микрометра. Данные занести в табл. 2.

Например, если двойной визирный штрих при установлении линии перекрестия в точке 1 находился между 4 и 5 делениями окулярной шкалы, а показания микрометрического винта 42, то значения h равно 4,42.

11. Высоту микронеровности Н (в мкм) определить по формуле:

где λ = 0,592 мкм.

12. Повторить измерения Н для других участков исследуемой поверхности.

13. Из трех значений Н выбрать наибольшее и по табл. 1. определить класс частоты поверхности.

14. Записать вывод.

Таблица 1

Классы	Высота неровностей, мкм	Базовая длина, мм
10	От 0,4 до 0,8
11	От 0,2 до 0,4	0,25
12	От 0,1 до 0,2
13	От 0,05 до 0,1	0,8
14	До 0,06

Таблица 2

№ изм

N1

N2

n

n0

h1

h3

h5

h7

h9

h

H0

Н

h2

h4

h6

h8

h10

1 участок

2 участок

3 участок

Контрольные вопросы

1. Что такое интерференция?

2. Что такое когерентность?

3. Оптическая схема и устройство интерферометра.

4. Условия искривления интерференционных полос в поле зрения интерферометра.

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. пособие в 5-ти кн. - М.: ООО Изд-во «Астрель»; ООО «Изд-во АСТ», 2002.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие.-7-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2003.

3. Ремизов А.Н. Курс физики: учебник для вузов. - М.: Дрофа, 2002.

4. Костко О.К. Физика для строительных и архитектурных вузов: учеб. пособие. - Ростов н/Д.: Феникс, 2004.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Оптика. Лабораторная работа № 6 стр. 8