2.4.5. Интерферометры
Устройства, в которых для измерений использовано явление интерференции света, относятся к наиболее точным. Их применяют для аттестации концевых мер, калибров и образцовых деталей. В сочетании с лазерными источниками света они позволяют регистрировать изменение длины до 10-13 м.
Промышленные интерферометры имеют окулярное, экранное или цифровое отсчетное устройство.
Интерферометры выпускают в виде двух модификаций - для вертикальных (мод. 264) и горизонтальных (мод. 273) измерений. Контактные интерферометры имеют переменную цену деления (от 0,05 до 0,2 мкм) и основаны на схеме Майкельсона (рис. 2.11).
В таких интерферометрах свет от источника 2 через конденсор 3 и светофильтр 4 падает на полупрозрачную разделительную пластину 5 откуда часть лучей попадает на зеркало 8, закрепленное на пиноли с измерительным наконечником, а часть через компенсирующую пластину 6 на индикаторное зеркало 1. Отраженные от обоих зеркал лучи света образуют в объективе 7 интерференционную картину с полосами равной толщины.
При освещении белым светом в голе зрения окуляра возникает центральная черная и боковые окрашенные полосы убывающей интенсивности (рис. 2.12, а). При вводе светофильтра 4 (см. рис. 2.11), создающего монохроматическое освещение, в поле зрения окуляр; возникают полосы одинаковой интенсивности, расстояние между которыми соответствует половине световой волны светофильтра. При окулярных и экранных отсчётах по черной полосе определяю положение измерительного наконечника, а по монохроматическим полосам - цену деления шкалы интерферометра с помощью формулы
c = 0,5k/m (2.6)
где k - число интерференционных полос, укладывающихся в m делениях шкалы.
Вертикальный контактный интерферометр (рис. 2.12, б) с окулярным отсчётным устройством 7 имеет стойку 1, по которой с помощью кремальеры 8 можно предварительно регулировать положения кронштейна с трубкой. Дополнительно более точное регулирование выполняют, перемещая стол 4 микрометрическим винтом 3 со стопором 2 и сдвигая шкалу трубки винтом 6 в пределах 10 делений. Для исключения теплового воздействия оператора на измеряемые детали Д предусмотрен теплозащитный экран 5. Диапазон измерений подобных приборов 0 - 150 мм. Наличие экранов в контактных интерферометрах значительно облегчает их использование. Предельная погрешность показаний , мкм, зависит от числа делений и шкалы, отсчитанных от нулевого штриха, цены деления шкалы с в мкм, и погрешности измерения длины световой волны по аттестату ( 0,002 мкм)
= (0,03 + 1,5 nc /).
В интерференционных устройствах с цифровой шкалой (см. рис. 5.11) в качестве воспринимающего элемента отсчетного устройства служит фотоумножитель ФЭУ, сигнал с которого через преобразователь П и усилители У1 и У2 подается через демодуляторы Д1 и Д2 на нуль-органы НО1 и НО2. Шаговый распределитель ШР выполнен в виде делителя напряжения. Зеркало 1, закрепленное на подвижных пластинах отсчётного пьезоэлектрического преобразователя, от источника переменного напряжения У, приводится в колебательное движение с амплитудой А = /8. Тогда на вход фотоэлемента ФЭУ подается переменный сигнал с рядом гармонических составляющих. При взаимном смещении зеркал 1 и 8 в местах экстремумов освещенности, расположенных одно от другого на расстоянии /4, сигнал первой гармоники становится равным нулю. Эти точки принимают за начало отсчета шкалы интерферометра. Дополнительное смещение зеркала 8 при измерениях определяют с помощью шагового распределителя ШР. Поскольку при дополнительных отклонениях напряжение на выходе демодулятора не равно нулю и нуль-орган показывает отклонение системы из нулевого положения, компенсирующее напряжение шагового распределителя служит мерой дополнительного смещения. Перемещение регистрируется блоком индикации (см. рис. 5.10).
Расширению производственных возможностей интерферометров (увеличению точности и диапазона измерений, скорости отсчета, нечувствительности к вибрациям, шуму, внешнему освещению и т. п.) способствует использование в качестве источников света лазеров. Это объясняется тем, что лазер обладает высокой монохроматичностью, малой расходимостью луча и большой интенсивностью светового потока. На основе лазеров созданы точные современные средства для измерения длин, скоростей, ускорений и оптических характеристик различных сред. Лазерные интерферометры применяют для измерения линейных перемещений до 1 м. В качестве источника монохроматического измерения в них используют гелий-неоновый лазер, стабилизированный по провалу Лэмба. Их применяют в отсчетных устройствах (рис. 2.13). координатно-измерительных машин, измерительных микроскопов, прецизионных станков и др. Внедрение лазерной интерферометрии позволяет, например, при изготовлении сверхминиатюрных интегральных радиоэлектронных схем в десятки раз уменьшить габариты вычислительных машин, ускорить точность поверки штриховых мер в 500 раз, повысить разрешающую способность до 10-6 мкм при контроле размеров до 10 м и т. д.
При нивелировании направляющих крупногабаритных станков обеспечивается точность 2 мкм на 1 м длины (до нескольких десятков метров), а лазерный зенит-центр, например, позволяет контролировать вертикальность оси Останкинской телебашни с точностью до 6 мм.