3.3.4. Оптико-механические приборы для измерения длин

Оптико-механические методы измерения широко распространены благодаря универсальности и высокой точности. Приборы, построенные на использовании этих методов, расширяют оптические возможности человеческого глаза, позволяют получить увеличенные изображения, измеряемых объектов и повышают точность отсчета. Увеличение, создаваемое оптическим прибором, характеризуется отношением угла зрения, под которым видят изображение предмета при помощи прибора, к углу зрения, под которым видят предмет невооруженным глазом на расстоянии нормального зрения.

Разрешающая способностьоптических приборов во много раз выше, чем у невооруженного глаза человека. Мерой разрешающей способности (силы) является наименьшее расстояние между двумя точками (линиями), которые еще могут быть различимыми. В объективах разрешающую способность принято определять числом линий на длину 1 мм. Для определения предела разрешения применяются тест-объекты и штриховые меры. На разрешающую способность влияют аберрация линз, дифракция от краев диафрагм, контраст полос и т.д.

Работа оптических приборов зависит от качества изготовления сложных оптических устройств, тщательности их настройки. Поэтому они, как правило, дорогие, а их эксплуатация не отличается простотой: точные измерения требуют большой аккуратности и занимают обычно много времени.

Оптико-механические методы измерений разделяются на контактныеибесконтактные. При контактных измерениях длин измерительный наконечник прибора контактирует с измеряемым изделием. Такие измерения могут быть сравнительные и непосредственные. При бесконтактных измерениях производится сравнение изображения измеряемого объекта в приборе с измерительной шкалой.

Оптико-механические приборы разнообразны по принципу действия и конструктивному выполнению. К таким приборам относятся рычажно-оптические, проекционные и измерительные – микроскопы и машины, длиномеры, интерференционные приборы. Повышение точности отсчета и измерений этих приборов достигается либо сочетанием механических передаточных механизмов с оптическим автоколлимационным устройством (оптиметры), либо благодаря значительному увеличению измеряемых объектов или шкал (микроскопы, проекторы и др.), либо измерением параметров интерференционных картин.

В рычажно-оптических приборах (оптиметр, микролюкс, оптотест и др.) используется оптический рычаг, принцип действия которого поясняет рис. 9: размерhпредмета будет иметь изображение с размеромHпри оптическом рычаге с плечамиа иb, т.е.Н=hb/a. Удлинение большого плечаb оптического рычага можно произвести в небольшом пространстве повторными отражениями от зеркал.

Рис. 9. Схема, поясняющая принцип оптического рычага

Рис. 10. Схема автоколлимации:

а – шкала смещена относительно главной оптической оси; б – зеркальная плоскость расположена под углом к главной оптической оси

Автоколлимационное устройство содержит объектив и расположенное на некотором расстоянии от него зеркало. Принцип его работы основан на том, что лучи от источника света, находящегося в фокусе, вышедшие из объектива параллельным пучком, отразившись от зеркала, перпендикулярного главной оптической оси, вновь собираются в фокусе объектива. Если точка О не совпадает с фокусом объектива, но расположена в фокальной плоскости на расстоянииа от главной оптической оси (рис. 10,а), то лучи после прохождения через объектив, отражения от зеркала и возвращения через объектив соберутся в точкеО', симметричной точкеО. Таким образом, можно получить в окрестности точкиО'перевернутое изображение шкалы, расположенной в фокальной плоскости в окрестности точки О. Это изображение не сдвигается, при параллельном смещении зеркала. Если же источник светаО расположен в фокусе объектива, а плоскость зеркала повернется на угол(рис. 10,б), то лучи, отразившись, пойдут под углом 2к главной оптической оси и, преломившись в объективе, сойдутся в точке0₁, отстоящей от точки0 на расстоянии.

Рис. 11. Схема оптиметра с проекционным отсчетом

Воптиметрахиспользуется принцип автоколлимации, оптического и механического рычага. Механическая часть прибора преобразует перемещение измерительного стержня в угловое перемещение зеркала, а оптическая его система (трубка) создает изображение шкалы, которое смещается относительно его исходного положения в зависимости от угла поворота зеркала. Схема оптиметра с проекционным отсчетом изображена на рис. 11. Лучи света от лампы накаливания1через конденсатор2, теплофильтр3, линзу4 и призму5освещают шкалу и индекс, нанесенные фотографированием на стеклянной плоскопараллельной пластине6, расположенной в фокальной плоскости объектива7. Пройдя плоскопараллельную пластину6 и отразившись от зеркала8, лучи попадают в объектив7; выйдя из объектива параллельным пучком и отразившись от зеркала9, они попадают на качающееся зеркало10, связанное с измерительным стержнем прибора. Отразившись от качающегося зеркала10, лучи возвращаются к плоскопараллельной пластине6, на которой получается изображение шкалы в плоскости индекса. Совмещенное изображение шкалы и индекса проектируется объективом11через систему зеркал12, 13,14на экран15. По креплению трубки в стойке оптиметры делятся навертикальные(рис. 12,а) – для наружных измерений игоризонтальные(рис. 12,б) – для наружных и внутренних измерений. Вертикальный оптиметр с проекционным отсчетом представлен на рис. 12,в. Он состоит из основания, колонки, предметного стола, измерительной трубки с оптической системой, осветителя.

Положение предметного стола относительно измерительного наконечника может изменяться с помощью маховичков. На передней стенке корпуса измерительной трубки расположен экран, защищенный от бокового света блендой. При измерении размеров предметов различной формы (меры, шарики, тонкие ленты, пленки и т.д.) на предметный стол устанавливают разные вспомогательные приспособления. Цена деления шкалы оптиметров (ГОСТ 5405) 1 мкм (или 0,2 мкм); пределы измерений по шкале ±0,1 мм; пределы измерения у вертикальных оптиметров – до 200 мм, а у горизонтальных – до 500 мм; предельные погрешности составляют от нескольких десятых до нескольких сотых микрометров.

Оптикаторы– контактные рычажно-индикаторные приборы со световым отсчетом. Они содержат пружинный передаточный механизм микрокатора, совмещенный с увеличивающей оптической передачей – вместо стрелки5(см. рис. 8) на пружине 4укреплено зеркало, отражающее световое пятно с указательным штрихом на шкалу.

Оптикаторы (ГОСТ 10593) выпускаются с ценой деления 0,1; 0,2; 0,5 мкм; с пределами измерений по шкале соответственно ±0,012; ±0,025 и ±0,05 мм; предельная погрешность (зависит от измеряемых размеров) колеблется от ±0,25 до ±3,5 мкм.

Микролюкс, микрозил и оптотесявляются разновидностями оптикомеханических приборов, в которых используются механические и оптические рычаги в сочетании с качающимся зеркалом или указателем.

Рис. 12. Оптиметры:

а – вертикальный; б – горизонтальный