49

ВСТУП

Для вимірювання лінійних розмірів у системі СІ прийняті такі одиниці вимірювань: метр (м), міліметр (мм), мікрометр (мкм).

Метр — одна із семи базових одиниць Міжнародної системи. Через нього визначаються багато похідних одиниць. Оскільки точність будь-яких вимірювань не може бути вищою, ніж точність визначення одиниці, розробка методів точного вимірювання значення метра має важливе значення для розвитку науки й техніки.

Міліметр (від мілі і метр) — одиниця вимірювання відстані дорівнює 1/1000 метра.

Мікрометр або мікрон (мкм, µm, мк, µ) — одиниця виміру довжини в системі СІ, дорівнює 10⁻⁶ метра.

Товщиноміри  - це вимірювальний прилад, що дозволяє з високою точністю виміряти товщину шару покриття.

Товщиноміри використовуються під час проведення контрольно-вимірювальних робіт, не руйнуючи покриття, і набувають останнім часом все більшої популярності. Окрім визначення товщини металевих виробів та їх елементів (для цього зазвичай  використовуються ультразвукові товщиноміри), товщиноміри також вимірюють товщину й інших покриттів - фарби, епоксидної смоли, оксидної плівки на внутрішніх поверхнях труб тощо (для таких покриттів використовують вихрострумові товщиноміри). Дані прилади допоможуть також визначити товщину алюмінієвих і титанових конструкційних сплавів, пластмас, кераміки, скла.

Метою даної курсової роботи є розробити структурну схему приладу вимірювання товщини. В якості сенсора використати ємнісний вимірювальний перетворювач, а вторинним приладом – цифровий вимірювач параметрів електричного кола. В результаті необхідно отримати рівняння перетворення і похибки квантування.

1 Огляд первинних перетворювачів товщини

1. Вимірювання товщини шару покриття

Залежно від характеру покриття, фізичних властивостей матеріалу деталі та її покриття, необхідної точності, умов роботи тощо використовують найрізноманітніші методи вимірювань. Всі ці методи можуть бути розділені на дві великі групи: з руйну­ванням покриття та без його руйнування. Найбільшу групу серед методів так званого неруйнівного контролю становлять електрофізичні методи, а також методи, основані на використанні відмінностей у фізичних властивостях деталі та її покриття. Серед них: вихрострумові, індуктивні, магнітометричні, радіаційні, індукційні, ємнісні методи.

Основним видом механічного вимірювача малих товщин є мікрометр. При більших товщинах використовуються також і інші механічні методи, наприклад, за допомогою зважування можна визначати товщину рівномірного покриття з відомою густиною.

Магнітні перетворювачі товщини використовуються у випадку різного виду магнітної проникності покриття і підкладки, наприклад для вимірювання немагнітних покриттів на феромагнітному матеріалі. Вони складаються з котушок, розташованих на розімкнутих П- або Ш-подібних феромагнітних сердечниках. Полюси сердечника притискаються до покриття, товщина якого вимірюється. Зміна товщини приводить до зміни магнітного опору перетворю-вача і його індуктивності або взаємоіндуктивності.

Для визначення товщини покриття електричними методами, можуть бути використані: діелектрична міцність, ємність, опір плівки.

Резистивний метод. Вимір опору плівки - проста операція, що може бути використана для визначення товщини провідних плівок на непровідних підкладках і для напівпровідникових епітаксійних шарів.

Ємнісний метод. Може бути застосований для визначення товщин діелектричних плівок, нанесених на провідні підкладки. Вимірювана ємність обернено пропорційна товщині плівки, прямо пропорційна діелектричній постійній плівки і площі електрода (не враховуючи крайові ефекти).

Радіаційні методи засновані на вимірюванні характеристик відбитого, пропущеного або емітованого плівкою випромінювання.

Іонізаційні. Джерело випромінювання й іонізаційний перетворювач можуть бути розташовані як по різні сторони вимірюваного покриття, так і по один бік від нього. В обох випадках зі зміною товщини змінюється інтенсивність випромінювання, пропущеного/відбитого покриттям.

Рентгенографічні. Бувають двох видів: метод поглинання, заснований на вимірі ослаблення в плівці пучка рентгенівських променів; метод емісії ґрунтується на збудженні матеріалу плівки джерелом високої енергії.

Оптичні. Для методів контролю товщини плівок можна використати ряд оптичних явищ: інтерференцію, поглинання, пропускання, відбиття світла. Вибір конкретного явища для вимірювання визначається типом підкладки й матеріалом плівки.

Вимірювання товщини шару покриття вихрострумовим способом може бути застосоване для вимірювань товщини нанесених на неферомагнітні (кольорові) метали ізоляційних покрить. За способом перетворення товщини у вихідний сигнал розрізняють генераторні (взаємоіндуктивні) та параметричні (індуктивні) вихрострумові перетворю­вачі. В індуктивних вихрострумових перетворювачах змінне електромагнітне поле, створюване вимірювальною котушкою, В_х наводить у поверхневому шарі деталі із елек­тропровідного матеріалу вихрові струми. Поле вихрових струмів, взаємодіючи з полем котушки, приводить до зміни її індуктивності L (та відповідно повного електричного опору), які є мірою вимірюваної товщини. Цей спосіб при його надзвичайній простоті є недосконалим і не застосовується.

У реальних засобах вимірювань товщини вихрострумовим методом використо­вують звичайно частотний спосіб отримання вимірювальної інформації. Вимірювальна котушка вмикається в LC-контур генератора високої частоти. Залежно від товщини по­криття, а також від інтенсивності взаємодії поля вихрових струмів з вимірювальною котушкою більшою або меншою мірою змінюється індуктивність вимірювальної котуш­ки і тим самим вихідна частота/_х вимірювального автогенератора, значення якої набли­жено може бути розраховано як

де C₀ - ємність резонансного контуру;

І₀ та R₀ - відповідно індуктивність та активний опір вихрострумового перетворювача за відсутності досліджуваного об'єкта;

L_вн та R_вн - внесені індуктивність та активний опір, зумовлені впливом вихрових струмів у дослід­жуваному об'єкті.

Найдосконалішою є двогенераторна схема (з вимірювальним та опорним генера­торами) з формуванням вихідного сигналу у вигляді різниці частот. За такою структурою побудований вихрострумовий вимірювач товщини покрить типу "Радон", призначений для вимірювань товщини діелектричних покрить, нанесених на струмопровідну основу плоскої, випуклої та увігнутої форм і товщини виробів із діелектрику, які під час їх дослідження ставлять на струмопровідну основу. Прилад має діапазон вимірювань 0...10мм та граничну похибку, яка не перевищує 1%.

Для вимірювань товщини покрить на феромагнітних деталях можна застосовувати індуктивний метод. Схема представлена на рис. 1.1. Первинним перетворювачем такого засобу буде індуктивний перетворювач, повний електричний опір чи індуктивність вимірювальної обмотки якого буде функцією товщини покриття:

де R₀ - омічний опір обмотки;

x_м та R_м - реактивна та активна складові комплексного магнітного опору магнітопроводу;

- магнітний опір досліджуваного покриття (між полюсами магнітопроводу та поверхнею феромагнітного тіла деталі).

Рисунок 1.1 – Схема індуктивного товщиноміра

Враховуючи, що магнітний опір магнітопроводу значно менший від магнітного опору покриття, еквівалентна індуктивність може бути записана як

де w - кількість витків вимірювальної обмотки;

S_м - площа перерізу магнітопроводу;

δ – товщина шару покриття.

Вимірювальні кола індуктивних вимірювачів товщини покрить можуть бути най­різноманітнішими.

Здебільшого застосовують мостові методи вимірювань з використанням робочого індуктивного перетворювача, що розміщений на деталі з покриттям, та ідентичного ро­бочому компенсаційного перетворювача, розміщеного на аналогічній деталі без покриття. Використання компенсаційного перетворювача, увімкненого у сусіднє плече моста, дає змогу усунути вплив зовнішніх чинників, зокрема температури, на результат вимірювань.

У мостовій схемі (рис. 1.2) індикатором вимірюваної величини є магнітоелектричний мілівольтметр, увімкнений до виходу фазочутливої кільцевої схеми випрям­лення. Резистор R_р змінного опору призначений для встановлення нульового показу мілі­вольтметра при нульовому чи заданому значенні вимірюваної товщини.

Рисунок 1.2 – Мостова схема індуктивного товщиноміра

Похибка вимірювання товщини покриття з використанням індуктивних перетворювачів лежить у межах 10%.

Із неруйнівних методів зупинимось ще на методі, основаному на використанні взаємоіндуктивних перетворювачів, вихідним інформативним параметром яким є ЕРС, наведена у вимірювальній обмотці (рис. 1.3)

де w₁ та w₂ - кількість витків намагнічу вальної та вимірювальної обмоток;

І₁ - намагнічувальний струм;

S - площа перерізу магнітопроводу;

δ - товщина покриття;

- комплексний магнітний опір магнітопроводу

Рисунок 1.3 – Вимірювач товщини гальванічного покриття

На базі такого методу побудовані прилади для вимірювань товщини покриття в межах до 3 мм з похибкою 10... 15 %.

Серед методів руйнівного контролю найпоширенішим є хімічний метод, - основа­ний на усуненні покриття за допомогою спеціальних хімічних реактивів. За цим мето­дом мірою товщини покриття може бути час усунення покриття або його маса чи різни­ця між масою покритої деталі та масою деталі після усунення покриття.

Електромеханічні методи широко застосовуються для вимірювань розмірів деталей та шорсткуватості поверхні (контактні штангенциркулі., мікрометри, профілометри), для вимірювань рівня (поплавкові та буйкові рівнеміри). Для вимірювань відстаней, пройдених транспортними засобами, широко використовують спосіб обкочування.

В контактних мікрометрах та профілометрах координати досліджуваного об'єкта попередньо перетворюються в лінійне переміщення голкоподібного щупа, а згодом в електричний сигнал за допомогою індуктивних, взаємоіндуктивних чи ємнісних перетворювачів.

Рисунок 1.4 - Схема ємнісного профілометра

Рисунок 1.4 пояснює принцип дії вимірювача малих розмірів на основі ємнісного перетворювача, який є елементом LС - контура кварцового генератора. Ємнісний перетворювач має нерухомий електрод 1, напилений на полірований скляний стержень 2, та рухомий електрод З, механічно з'єднаний з голкоподібним щупом 4, закріпленим в корпусі за допомогою плоских пружин 5. Ємнісний перетворювач за допомогою кабеля з'єднаний з кварцовим генератором, вихідна частота якого є функцією ємностіміж рухомим та нерухомим електродами. Частотата частотавід опорного генератора частоти подаються на вхід змішувача, вихідна частота якого. Виміряна частотоміром частотавідповідатиме значенню вимірюваного розміру.

Враховуючи, що

(1.5)

а при

(1.6)

матимемо

(1.7)

За наведеною схемою будуються мікрометри з порогом чутливості в частки мкм та діапазоном вимірювань 0,1….1 мм. Такий мікрометр може використовуватись для вимірювань параметрів шорсткуватості. Однак у цьому випадку можуть виникати значні похибки через деяку нелінійність в перетворенні реального профілю шорсткуватої поверхні в лінійне переміщення щупа. Виникають також похибки через відривання щупа в деяких точках профілю поверхні та внаслідок деформації (пружної та пластичної) досліджуваної поверхні під дією сили з боку щупа. Ці похибки визначаються зусиллям, що створюється щупом.

Це зусилля загалом не є сталим і може змінюватись залежно від інерційності перетворювача, радіуса щупа, властивостей матеріалу та характера профілю досліджуваної поверхні. В цьому відношенні перевагу має віброконтактний метод, оснований на перетворенні в електричний сигнал коливань вібруючого щупа.

Електрофізичні методи застосовують звичайно у вимірювачах товщини шару покриттів та тонких листових виробів [1].

2. Товщиноміри покриттів

Товщиноміри використовуються під час проведення контрольно-вимірювальних робіт, не руйнуючи покриття, і набувають останнім часом все більшої популярності. Окрім визначення товщини металевих виробів та їх елементів (для цього зазвичай  використовуються ультразвукові товщиноміри), товщиноміри також вимірюють товщину й інших покриттів – фарби, епоксидної смоли, оксидної плівки на внутрішніх поверхнях труб тощо (для таких покриттів використовують вихрострумові товщиноміри). Ці надпотрібні у кожному домі прилади допоможуть також визначити товщину алюмінієвих і титанових конструкційних сплавів, пластмас, кераміки, скла [2].