double arrow

Лазерные измерительные приборы и системы

3

3.1 Измерение расстояний и контроль размеров

Лазерные системы широко используют для определения расстояний на практике. Основные лазерные методы с указанием ряда областей, в которых эти методы находят применение, приведены в таблице 3.1

Точное измерение расстояний, не превышающих 100 м, внутри помещений обеспечивается интерферометрическими системами на основе гелий-неоновых лазеров. Такие системы пригодны для контроля размеров обрабатываемых деталей. В меньшей степени интерферометрические методы применимы для измерения расстояния свыше 100 м и для работы в полевых условиях. Часто используется телеметрический метод, основанный на модуляции светового пучка. Суть этого метода заключается в том, что на удаленный объект посылается модулированный световой пучок и затем принимается отраженный от объекта сигнал. Фаза модуляции отраженного сигнала сопоставляется с фазой излучаемого сигнала. Такой метод пригоден на расстояниях порядка нескольких сотен метров и применяется при топографической съемке.

В других областях, где важно обеспечить высокую скорость измерений (например, в дальнометрии) и допустима несколько меньшая точность, можно использовать методы, основанные на измерении времени распространения мощного светового импульса малой длительности от излучателя к мишени и обратно.

Таблица 3.1 – Лазерные методы измерения расстояний

Метод Типичный лазер Предельное расстояние Типичная точность Области применения
Интерферометрический     Телеметрический с модуляцией пучка   Модуляция добротности Гелий-неоновый     Гелий-неоновый, на основе арсенида галлия     Твердотельный с модуляцией добротности Метры (внутри помещения)   До нескольких километров     Километры Микрометр 10-6 10-5 Контроль станочного оборудования, сейсмология и геодезия, калибровка стандартов длины   Топографическая съемка     Военные дальномеры, слежение за искусственным спутником Земли

На рисунке 3.1 приведена схема светодальномера, который состоит из генератора Г1 гармонических колебаний, полупроводникового лазера Г, фотоприемника ФП и фазометра. Излучение лазера Г, модулированное по амплитуде, распространяется до уголкового отражателя УО, установленного на расстоянии Dx от дальномера.




Рисунок 3.1 – Схема фазового дальномера

Отраженное излучение возвращается к фотоприемнику ФП. Время распространения волны до отражателя и обратно составляет

t = 2Dxn/c,

где n – показатель преломления среды;

с – скорость света.

За это время фаза напряжения, питающего лазер, изменится на величину

φх = ωо∙t = ωо∙2Dx∙n/c,

где ωо – частота модуляции;

n – показатель преломления среды.

Сдвиг фаз φх измеряется с помощью фазометра.

Порог чувствительности современных промышленных высоко­частотных фазометров составляет около 0,1°, что при частоте модуляции fo = 10 МГц и
п ≈ 1 соответствует Dx min = 4 мм. Стабильность результатов измерения определяется стабильностью частоты модуляции и постоянством условий на пути светового потока.

3.2 Интерферометрические методы измерения расстояния

Основные преимущества применения лазеров для измерения расстояний интерферометрическими методами связаны с такими свойствами лазерного излучения, как большая интенсивность и высокая степень когерентности. Эти свойства позволяют проводить измерения на расстояниях, значительно превышающих те, которые доступны системам с обычными источниками света.

В большинстве интерферометрических систем используются гелий-неоновые лазеры, работающие на переходе с длиной волны 0,6328 мкм, что соответствует частоте 5–1014 Гц. Излучение лазера должно обладать следующими особенностями: излучение должно быть одночастотным и когерентным, поляризация излучения должна быть линейной, состав излучения должен быть одномодовым в отношении как поперечных мод, так и коаксиальных продольных мод.



В нестабилизированных лазерах возможны изменения частоты генерации в пределах ширины линии флюоресценции неона, составляющей 109 Гц. Это ограничивает относительную точность измерений (не лучше 2·10-6), поскольку генерация лазера может осуществляться на нескольких модах, лежащих в пределах ширины линии флюоресценции. Поэтому, чтобы использовать лазер для интерферометрических целей, его необходимо стабилизировать таким образом, чтобы частота генерации находилась в центре линии флюоресценции неона. В типичной конструкции, обеспечивающей стабильность частоты, в лазере применяются зеркала, жестко закрепленные на моноблоке из инвара, который обладает низким коэффициентом теплового расширения. Для обеспечения дополнительной тепловой стабильности лазер помещается в термостат с регулируемой температурой. При помощи сервопривода длина резонатора удерживается на уровне, соответствующем небольшому провалу в мощности генерации, который возникает в тех случаях, когда частота генерации находится в центре линии флюоресценции неона. Мощность выходного излучения лазера, работающего на одной продольной моде, изменяется при небольшом изменении длины его резонатора. При точной настройке частоты генерации на центр линии флюоресценции наблюдается небольшое снижение мощности излучения, которое получило название лэмбовского провала. Система сервоконтроля длины резонатора на основе пьезоэлектрических преобразователей позволяет стабилизировать частоту генерации в центре линии излучения. Степень достигаемой при этом стабильности частоты составляет 10-9.

Величина, измеряемая интерферометрическими приборами, является длиной оптического пути, которая отличается от геометрической длины множителем, равным показателю преломления воздуха. Для того чтобы обеспечить высокую точность измерения, следует вводить соответствующую поправку на величину показателя преломления. Изменения показателя преломления зачастую являются фактором, ограничивающим точность измерения длины. Показатель преломления сухого воздуха, содержащего 0,03 % СО2, при температуре 15 °С и давлении 760 мм рт. ст. на длине волны гелий-неонового лазера (0,63299138 мкм в вакууме) составляет ndry = 1,0002765. Поправки, связанные с изменением влажности, температуры и давления, определяются по формуле

,

где f — парциальное давление водяного пара при температуре Т, °С и полном атмосферном давлении Р, мм рт. ст.

В большинстве случаев эффекты, связанные с изменением концент­рации СО2, малы, но в ряде случаев при высоком содержании СО2 они могут приводить к заметной погрешности измерения.

Отметим, что при повышении давления на 1 мм рт. ст. показатель преломления увеличивается на 0,36·10-6 стандартного значения. Увеличение температуры на 1 °С вызывает уменьшение показателя преломления на 0,96·10-6, а повышение парциального давления водяного пара на 1 мм рт. ст. снижает показатель преломления на 0,06–10-6 стандартного значения. При соответствующем приближении указанные поправки могут учитываться независимо.

При пересчете измеренной длины оптического пути в геометрическую длину необходимо учесть перечисленные поправки. В системах, в которых предусмотрено автоматическое измерение изменений давления, температуры и влажности окружающего воздуха, определяются величины соответствующих поправок и воспроизводится откорректированный результат измерения. Кроме того, следует контролировать температуру движущейся детали и приводить результаты к нормальной температуре.

Практически все схемы лазерных интерферометров строятся по оптической схеме интерферометра Майкельсона, который изображен на рисунке 3.2.

1 – лазер; 2 коллиматор; 3 - светоделительный элемент; 4 - опорный уголковый отражатель; 5 - измерительный отражатель; 6 - оптические клинья; 7 - интерференционные полосы

Рисунок 3.2 – Оптическая схема лазерного интерферометра

Излучении лазера 1 через коллиматор 2 проходит к светоделительному элементу 3, где делится на две равные части. Одна часть отражается от светоделительного элемента и направляется к опорному отражателю 4, вновь проходит к светоделительному элементу в точку рекомбенации «а». Вторая часть пучка проходит светоделительный элемент и направляется к измерительному отражателю 5, отражается от него и возвращается к светоделительному элементы в точку «а». В точке «а» пучки интернируют между собой, образуя волновой фронт в виде интерференционной картины 7. Ширину и направление интерференционных полос регулируют оптическими клиньями 6.

Амплитуда светового излучения зависит от относительной фазы опорного и измерительных пучков, которая, в свою очередь, определяется разностью оптических путей, пройденных этими пучками. Разность фаз определяется выражением

Δ = 2 k·s·cos Θ,

где k – коэффициент равный 2π/λ;

λ – длина волны;

s – разность оптических путей;

Θ – угол между направлением наблюдения и общей осью обоих пучков.

Перемещение измерительного преобразователя приводит к смещению интерференционных полос. При смещении на λ/2 полная разность оптических путей изменяется на λ. Этим объясняется наличие множителя 2 в формуле. Соответственно изменение фазы световой волны составляет 2π, т. е. вся система интерференционных полос смещается на один период. Если поставить фотопреобразователь перед интерференционными полосами, то получим периодические сигналы, подсчитав количество периодов которых, можно и вычислить перемещение измерительного преобразователя.

Но для определения направления перемещения интерференционных полос необходимо получить как минимум два сигнала сдвинутые по фазе на 90 о.

Для этого необходимо использовать как минимум два фотоприемника. Схема такого устройства приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Схема получения сигналов со сдвигом фаз с помощью призмы и
диафрагм

Интерференционная картина при помощи призмы делится на две части. Диафрагмами вырезаются соответствующие части одной и той же картины, но с условием, чтобы получит сигналы, сдвинутые по фазе на 90о.

Для получения подобных сигналов можно использовать волоконно-оптический преобразователь (рисунок 3.4). При такой схеме преобразования и разделения сигналов чувствительность лазерного преобразователя составляет 0,087 мкм.

Рисунок 3.4 – Схема получения сигналов со сдвигом фаз с помощью волоконно-оптического преобразователя

Структурная схема лазерного интерферометра представлена на
рисунке3.5

ФП- фотопреобразователь; Ус – усилитель; Ф –формирователь; НПК -устройство направление-перемещение-код; СЧ – реверсивный счетчик; СУ –согласующее устройство; ВУ - вычислительное устройство; ЦИ - цифровая индикация

3.5 – Структурная схема лазерного интерферометра

С волоконно-оптических преобразователей световой поток попадает на фотопреобразователи, где преобразуется в периодические электрические сигналы с формой, близкой к синусоидальной. Далее сигналы с помощью формирователей преобразуются в прямоугольные импульсы с той же частотой. Две серии импульсных сигналов со сдвигом фаз в 90о поступают на устройство, определяющее направление перемещения интерференционных полос, которое кроме счетных импульсов формируют сигналы, управляющие реверсивным счетчиком. Счетчик импульсов работает в режиме суммирования, когда интерференционные полосы перемещаются в одну сторону (измерительный преобразователь перемещается от светоделительного элемента), и в режиме вычитания, когда полосы перемещаются в обратную сторону (измерительный преобразователь перемещается к светоделительному элементу).

Подсчитанные импульсы через устройство согласования поступают в вычислительное устройство, где количество импульсов преобразуется в перемещение измерительного преобразователя, выраженное в миллиметрах. Результат перемещения отображается на цифровой индикации.

Интерферометры могут быть использованы для измерения углов с высокой точностью. Схема такого интерферометра представлена на рисунке 3.6.

1 – лазер; 2 – коллиматор; 3 – оптические клинья; 4 – поворотное зеркало; 5 – измерительные отражатели; 6 – оптические клинья; 7 – интерференционная картина; 8 – измерительная каретка

Рисунок 3.6– Схема использования лазерного интерферометра для измерения углов

Принцип действия и устройство аналогичны приведенным на рисунке 3.2 с той разницей, что измерительный и опорный отражатель расположен на одной каретке. Наклон каретки приводит к изменению разности хода лучей в ветвях интерферометра, которое измеряется системой. Зная базовое расстояние L и расстояние между опорами В, можно определить угол наклона и таким образом измерить непараллельность направляющей, по которой катится каретка.

Интерферометр может быть использован и для измерения неплоскостности. Схема такой установки приведена на рисунке 3.7.

1 – лазер; 2 - коллиматор; 3 – оптический клин; 4 – объект контроля; 5 - интерференционная картина; ΔХ – величина неплоскостности

Рисунок 3.7 – Схема интерферометрической установки для измерения неплоскостности

3.3 Погрешности лазерных интерферометров

Рассмотрим теперь некоторые источники погрешности при измерении расстояний методом лазерной интерферометрии.

Рассмотрим сначала погрешности, обусловленные точностью контрольно-измерительной аппаратуры. Интерферометрические системы измерения расстояний выпускаются серийно и в принципе позволяют осуществить измерения с точностью до доли длины световой волны. Указанная в паспорте точность некоторых приборов составляет 10-6 измеряемого расстояния плюс или минус одна интерференционная полоса. Относительная точность, равная 10-6, обусловлена преобразователями и поправками, введенными для коррекции воздействия окружающей среды, а погрешность, составляющая одну интерференционную полосу, характеризует собственное разрешение системы счета интерференционных полос. Для большинства систем отсчет одной полосы соответствует 1/4 длины волны (т. е. примерно 1,6-10-5 см). Однако для ряда приборов такой отсчет может соответствовать величине, соответствующей 1/32 длины волны
(т. е. 2–10-6 см). Промышленные приборы предназначены для измерения расстояний до 60 м и используются либо внутри помещений, либо в вакуумированных объемах.

В таблице 3.2 приведены погрешности, связанные с изменениями показателя преломления атмосферы и температуры рабочих материалов. Эти погрешности часто автоматически компенсируются и включаются в приводимую в паспорте точность. Другие погрешности связаны с особенностями механической настройки измерительной схемы.

Таблица 3.2 – Погрешности измерения некомпенсированным интерферометром,
обусловленные изменениями параметров атмосферы и температуры исследуемого тела

Параметры Отклонение от стандартного значения Погрешность
Атмосферное давление, мм рт. ст. Температура атмосферы, °С Относительная влажность, мм рт. ст. парциального давления Температура исследуемого тела, °С           0,36·10-6 0,96·10-6 0,06·10-6   DmKm
Dm – измеряемое расстояние; Km – коэффициент теплового расширения

Интерферометрическая система измеряет смещение в направлении распространения лазерного пучка. Если же направление движения не совпадает с осью пучка, то в результате появляется погрешность, называемая «косинусовой». Так, если ось пучка составляет с направлением движения угол a, то измеренная величина расстояния Dmсвязана с фактически пройденным расстоянием Dαследующим соотношением:

Dab= Dm ·cos α ≈ d2/2Dm ,

где d – величина бокового смещения на расстоянии Dm.

Так, например, если при измерении расстояния, равного 3 м, угол между осью пучка и направлением движения станка составляет 0,1°, то косинусовая погрешность будет ≈ 5 мкм.

В тех случаях, когда перемещение детали станка превыша­ет 1 м, величину косинусовой погрешности можно снизить путем настройки лазера на максимальный уровень сигнала, отвечающего заданному перемещению. Также можно использовать центрующий приемник для того, чтобы выставить ось пучка в направлении движения станка.

Погрешность смещения возникает в тех случаях, когда пучок не находится на одной линии с направлением перемещения резца исследуемого станка (рисунок 3.8).

А – Расстояние между резцом и измерителем; Θ – угол наклона суппорта; D – величина смещения;
d – погрешность смещения

Рисунок 3.8 - Схема возникновения погрешности смещения

Эта погрешность возникает при любом повороте относительно оси, нормальной к плоскости смещения. Повороты обусловлены искривлением направляющих станка, возникновением температурных градиентов, загрязнением и износом станка и т. п. Величина погрешности смещения определяется следующей формулой:

d = A·sin Θ,

где А – расстояние между измерителем и резцом;

Θ – угол наклона суппорта.

Следует отметить, что величина погрешности смещения не зависит от измеряемого расстояния. При угле наклона Θ = 0,1° и смещении, равном 254 мм, погрешность смещения составляет ~ 43 мкм. Последнюю можно уменьшить путем устранения смещения исследуемого объекта относительно лазерного пучка (если это возможно) и измерения перемещения объекта в направлении оси измерительной системы. В этом случае также может оказаться полезным применение центрующего приемника, с помощью которого непосредственно определяется величина отклонения.

Установочная погрешность (или мертвый ход системы) возникает вследствие того, что в лазерном интерферометре отсчет измеряемого расстояния производится от произвольно установленного положения. Допустим, что нулевой отсчет интерферометра установлен для случая, когда мишень находилась на расстоянии D1 от интерферометра, а затем переместим мишень на расстояние D2. При этом учитывается поправка на показатель преломления атмосферы

на трассе длиной D2.Фактически же пучок проходит расстояние, равное D1+ D2,и на протяжении всей трассы на него влияют изменения показателя преломления среды. Величина установочной погрешности пропорциональна заданному расстоянию и амплитуде изменения показателя преломления. Аналогичные соображения можно высказать в отношении компенсации изменений температуры материала.

Установочную погрешность определяют с помощью следующего выражения:

Ер = D1[0,96·10-6 ·ΔT – 0,36·10-6 ·ΔP + Km·ΔTm],

где D1– заданное расстояние (между интерферометром и исходным положением мишени, выбранным за начало отсчета);

ΔT – изменение температуры воздуха за время измерения;

ΔР – изменение давления воздуха за это же время;

Кm коэф­фициент теплового расширения рабочего материала;

ΔТm изменение температуры этого материала за время измерения.

Из приведенного выражения вытекает, что установочная погрешность возникает и в интерферометрах, у которых полностью скомпенсированы изменения показателя преломления атмосферы и частично изменения температуры. Компенсации установочной погрешности можно добиться путем условного принятия заданного начала отсчета с последующей корректировкой. Величина указанной погрешности может быть сведена к минимуму также за счет приближения (в предела к возможного) оптических элементов интерферометра к исходному положению исследуемого движущегося объекта.

В качестве примера можно привести следующие данные: при исходном расстоянии 30 см до обрабатываемой детали из углеродистой стали с коэффициентом теплового расширения Кт10·10-6 см/(см·°С); при изменении температуры детали на 1 °С и при постоянстве давления и температуры атмосферы установочная погрешность составляет 3·10-4 см.

При оценке точности измерений следует учесть все источники погрешности, перечисленные в таблице 3.3. Обычно представляется удобным составить перечень возможных источников погрешности, рассчитать уровень каждого из них, а затем просуммировать полученные данные и определить ожидаемую полную погрешность. В различных ситуациях преобладающим может оказаться любой из перечисленных в таблице 3.3 источников погрешности. Для того чтобы понять предел достижимой точности при проведении прецизионных измерений, следует определить вклады всех источников погрешности.

Таблица 3.3 - Источники погрешности

Источник Типичное значение
Инструментальная погрешность   Атмосферная погрешность     Погрешность, обусловленная температурой исследуемого тела   «Косинусовая» погрешность   Погрешность смещения   Установочная погрешность 10-6 ± одна полоса   Учитывается в погрешности компенсирующей аппаратуры     То же   d2·2Dm   A sinΘ   D1[0,96·10-6·ΔT - 0,36·10-6·ΔР+ +КтΔТт]

Методы лазерной интерферометрии могут быть применены в следующих случаях:

– если допуск на точность обработки детали приближается к пределу точности механических методов обработки;

– при калибровке или проверке станков;

– в случае необходимости компенсации систематических отклонений в работе станка;

– при достаточно большой длине хода движущихся деталей станка.

В качестве примера, когда требуется измерять большие расстояния, можно привести фрезерные станки с перемещением суппорта на 42,7 м, которые используются в авиационной промышленности для обработки лонжеронов.

Предельное значение измеряемой длины определяется когерентностью лазерного излучения. Интерференционные полосы начинают размываться по мере приближения разности оптических путей к длине когерентности лазера. Отсюда следует, что предельное измеряемое расстояние

S < c/Δγ,

где Δγ – ширина линии лазера со стабилизированной частотой.

Обычно стабильность частоты промышленных лазеров со стабилизацией частоты находится в пределах 105–106 Гц. Поэтому допустимая разность оптических путей по порядку величины составляет 300–3000 м. На практике допустимые расстояния оказываются несколько меньшими. Возможность применения лазеров в заводских условиях зависит от контроля свойств окружающей среды. В условиях обычного станочного цеха изменения параметров воздушной среды будут приводить к «смазыванию» интерференционных полос на расстояниях свыше 30–60 м. При использовании лазеров для геодезических и сейсмологических целей измеряемая длина в условиях применения вакуумированных светопроводов достигает 1 км. К числу других факторов, ограничивающих измеряемое расстояние, относятся возможность точного определения температуры исследуемого объекта и параметров окружающей среды и необходимость корреляции полученного результата с целью приведения его к исходным условиям.

Методы измерения расстояний, основанные на лазерной интерферометрии, пригодны для применения в различных областях промышленности, поскольку размеры и требования к точности современных механизмов и станочного парка достигли такого уровня, который не может быть обеспечен обычными линейными механическими измерительными устройствами. В обычных устройствах применяются линейные шкалы с выгравированными на них делениями, магнитные датчики и линейные кодирующие блоки. Для проверки регулировки механизма необходимы измерительные устройства, точность которых значительно выше точности исследуемого механизма. Обычные методы измерения не обладают такой степенью точности. Нередко возникают сомнения в том, действительно ли применяемый метод контроля точнее проверяемого механизма. Требования, предъявляемые к точности современных механизмов деталей, таковы, что точность проверочной аппаратуры должна составлять миллионные доли от измеряемой величины. Погрешность измерения возрастает, в частности, в тех случаях, когда детали механизмов перемещаются на большие расстояния. Лазерная интерферометрия позволяет повысить точность измерений во многих практически важных случаях.

Методы лазерной интерферометрии нашли применение в различных областях промышленности.

Точная установка зажимных приспособлений при изготовлении деталей авиационных двигателей. Применение лазеров обеспечивает значительное сокращение необходимого времени.

Контроль движения деталей станков, обеспечивающий автоматическую компенсацию погрешностей, связанных с износом.

Ускорение установочных операций. На одном из участков лазерный интерферометр используется при ручной настройке процесса обработки, проводимого под контролем ЭВМ. Задача состоит в том, чтобы просверлить в алюминиевой плите длиной 1,2 м, имеющей температуру окружающей среды 20 °С, с высокой степенью точности отверстия на расстоянии 101,6 см одно от другого. Автоматический учет температуры обрабатываемой детали и коэффициентов расширения этой детали и конструкций станка обеспечивает на расстоянии 101,6 см точность, равную 13 мкм. Программа управляющей ЭВМ допускает проведение указанных операций вручную. Оператор намечает режущим инструментом положение одного из отверстий, устанавливает интерферометр на нуль, затем отводит режущий инструмент и вручную перемещает станочный стол в положение, соответствующее следующему отверстию. Требуемая степень точности может быть обеспечена путем определения положения отверстий при помощи интерферометра.

Измерения уровня вибрации зданий. В одном из случаев строители получили временную диаграмму колебаний высотного здания в г. Сан-Франциско в направлении с севера на юг с помощью расположенного на земле лазерного интерферометра и уголкового отражателя, размещенного на 42-м этаже. Результаты таких измерений позволяют определить энергетический спектр вибраций здания.

Измерение деформаций земной коры. Так, например: 25-метровые интерферометры, установленные вблизи от разлома земной коры в окрестностях Бейкерсфилда (шт. Калифорния), позволяют измерить относительное перемещение коры, составляющее 10-7/сут и возникающее в результате движения разлома.

Высокоточные измерения. Использование лазерных интерферометров в качестве отсчетных устройств измерительных система значительно повышает точность данных систем и позволят проводить измерения с относительной погрешностью 10-6.

3.4 Лазерный измеритель скорости

Такие устройства очень удобны для измерения скорости твердых тел, имеющих шероховатую поверхность. В устройствах используется так называемая пятнистая картина (спекл-структура), возникающая при диффузном отражении лазерного пучка от шероховатой поверхности. При наблюдении такого отражения освещенная площадка кажется испещренной мелкими световыми пятнами. Это явление обусловлено дифракцией и интерференцией в пучке когерентного излучения. Отраженное от небольших неоднородностей, имеющихся на поверхности тела, излучение интерферирует и может привести к возникновению областей с высокой локальной интенсивностью. Эти области представляются наблюдателю в виде ярких пятен. Подобные эффекты аддитивной интерференции возникают нестационарно и при освещении поверхности обычными некогерентными источниками света, но возникающая картина хаотически изменяется за время, малое по сравнению с временным разрешения человеческого зрения. Поэтому поверхность, освещенная обычным источником света, кажется равномерно освещенной, тогда как поверхность, освещенная когерентным лазерным излучением, имеет гранулированную, пятнистую структуру.

Если отражающая поверхность движется относительно наблюдателя, то в движение приходит и указанная пятнистая картина. При этом вся картина перемещается как единое целое. Видимая скорость перемещения пятен равна удвоенной скорости относительного движения отражающей поверхности.

Если заменить глаз человека фотоприемником с малой апертурой, то при перемещении одного светового пятна через апертуру на выходе приемника будет возникать импульсный сигнал. Этот факт лежит в основе метода измерения скорости движущейся поверхности. Количественные измерения можно проводить с помощью аппаратуры, схема которой приведена на рисунке 3.9. На этом рисунке световые пятна схематически изображены в виде иррегулярного распределения отраженного света с яркими боковыми лепестками. Перед фотоприемником помещается дифракционная решетка. Прохождение светлого пятна дифракционной картины по этой решетке приводит к возникновению серии импульсов на выходе приемника. Частота следования указанных импульсов равна

f=2V/d,

где V–скорость движения поверхности;

d – период решетки.

Рисунок 3.9 – Схема измерения скорости перемещения объекта

В процессе измерения через решетку проходит большое число пятен, каждое из которых инициирует серию импульсов. Фазы импульсов каждой серии распределены хаотически, но частота следования импульсов одинакова для всех серий. Поэтому для определения скорости движения поверхности достаточно лишь измерить центральную частоту выходного сигнала фотоприем­ника.

Приборы, использующие описанный принцип измерения скорости с помощью оптической дифракции, могут служить неконтактными датчиками, которые пригодны для применения на поверхностях произвольного цвета и любой структуры. Согласно оценкам, точность измерения скорости в интервале
15–300 м/мин составляет 0,1 %. Измерители скорости данного типа успешно опробованы с различными материалами, в числе которых были алюминий, черненая и полированная сталь, медная проволока, газетная бумага, прозрачные и непрозрачные пластики, листва, песок и грунт. Их можно использовать для измерения скорости транспортных средств с точностью, более высокой, чем при использовании специального измерительного колеса. Особенно удобны такие измерители для обслуживания автоматических обрабатывающих линий, на которых требуется обеспечить непрерывное измерение скорости перемещения или же длины изделий. Они находят применение также для контроля скорости полосы металла на станах для проката стали и алюминия.

В последнем случае к воздуху в прокатном цехе предъявляются дополнительные требования. Воздух на всей длине оптической трассы должен быть достаточно чистым, а поверхность металла свободной от излишков жидкости. Последнее требование можно удовлетворить путем сдува жидкости с облучаемого участка поверхности воздушной струей. Необходимо также учесть, что точность измерения может снизиться в том случае, когда ускорения поверхности настолько велики, что скорость ее движения существенно изменяется за время прохождения мимо дифракционной решетки.

3.5 Измерение размеров изделий

Существует много способов применения лазеров для измерения размеров обрабатываемых деталей и готовых изделий. Ряд возможных способов измерения рассмотрен в предыдущих разделах. В данном разделе рассмотрено несколько способов измерения размеров готовых изделий и проведено сравнение лежащих в их основе принципов. Способы применения лазерного излучения для измерения габаритов изделий весьма разно­образны. В силу огромного разнообразия видов изготовляемой продукции и различия требований, предъявляемых при их контроле, невозможно дать описание какой-то обобщенной системы. Лазеры предполагается использовать для обследования самых разных видов продукции. Сюда относятся измерения толщины пластика, резины и металла; контроль размеров поршневых колец, головок цилиндров двигателей, свеч зажигания, компонент системы инжекции топлива и пружин дроссельной системы в автомобильной промышленности; измерения диаметра стеклянных трубопроводов, топливных элементов и боеприпасов; контроль формы роликовых подшипников и толкателей клапанов двигателей внутреннего сгорания, а также обследование пищевых продуктов (например, печенья и мармелада). Приведенный список не исчерпывает всех областей применения, а лишь иллюстрирует широкие возможности лазерных измерительных систем. Естественно, что конкретный способ применения лазерной системы в производстве какого-либо продукта зависит от характера производственного процесса и от требований, предъявляемых к этому продукту.

В принципе существуют три основных метода измерения размеров:

– метод измерения, основанный на прерывании лазерного пучка пересекающим его предметом;

– метод измерения, основанный на сравнении размеров(положение поверхности изделия определяют относительно измерительной головки);

– метод измерения, основанный на использовании явления дифракции (рассмотрен в предыдущих разделах в связи с методами измерения диаметра волокон и проволоки).

Первый из перечисленных методов заключается в том, что обследуемый объект помещается на пути пучка, которым этот объект сканируется. Регистрация пучка осуществляется фотоприемником. Выходной сигнал приемника отсутствует на протяжении промежутка времени, в течение которого пучок прерывается объектом. В одном из вариантов системы прерывание светового сигнала приводит к формированию хронирующего сигнала. Цифровой отсчет, соответствующий интервалу времени между хронирующими сигналами в моменты пересечения пучка краями объекта, непосредственно связан с размерами объекта. Устройства такого типа позволяют определять размеры быстродвижущихся деталей или непрерывно изготовляемой продукции, не требуя при этом строгой фиксации измеряемого объекта. Результаты измерения могут использоваться для контроля производственного процесса с помощью системы обратной связи. Небольшая модификация системы позволяет применять ее для обследования профиля объекта (путем сканирования пучка вдоль объекта) или определения степени его сферичности (путем вращения объекта в пучке).

Данный метод наиболее прост для применения и интерпретации результатов. Поскольку пространственный профиль лазерного пучка неравномерный, требуется калибровка. Края пучка не имеют резко очерченной границы, и поэтому сигнал приемника постепенно спадает во времени, когда пучок пересекает край объекта.

Сравнительное измерение размеров заключается в определении положения края объекта относительно измерительной головки. Используя две головки, каждая из которых определяет положение различных сторон плоского слоя прессуемого материала, можно определить толщину этого материала. Если измеряемые изделия движутся на ленточном или роликовом транспортере, то в качестве опорного уровня можно использовать положение ленты. Такой метод измерения применяется в тех случаях, когда требуемый размер можно определить из результатов измерений положения поверхности.

Дифракционные методы измерения обладают большой гибкостью и отличаются высокой точностью, однако они не обладают универсальной применимостью по отношению к изделиям всевозможных типов. В частности, необходимо разработать систему, которая позволяла бы измерять объекты с небольшими размерами (например, щели). Большие объекты измерять труднее, чем объекты малых размеров, поэтому полный диапазон измеряемых размеров оказывается ограниченным.

В таблице 3.4 приведены паспортные данные промышленных лазерных систем, предназначенных для контроля размеров. Несмотря на то, что конкретные условия применения методов измерения размеров для контроля тех или иных деталей или изделий варьируются в зависимости от формы или размеров этих изделий, а также в соответствии с требованиями, которые предъявляются к той или иной операции, изложенные в данном разделе общие принципы могут быть применимы для широкого класса процессов автоматического контроля в промышленности. Преимущество описанных в данном разделе методов лазерных измерений заключается в том, что они являются дистанционными и неконтактными и дают возможность проводить измерения быстро и с высокой точностью.

Таблица 3.4Параметры лазерных систем контроля размеров

  Метод изме­рения Минимальное разрешение, мкм Точность, % Максимальный размер, см   Типичная об­ласть приме­нения  
Сканирующий пучок   Сравнительное измерение   Дифракционный         0,025   0,12       0,12 (мкм)         0,25 Диаметр прута, профиль тянутых изделий   Толщина листовой продукции   Диаметр проволоки, ширина малых зазоров  

3.6 Измерение степени чистоты обработки поверхности

В данном разделе рассмотрен метод обследования поверхности, который удобен для обнаружения имеющихся на этой поверхности дефектов. Метод основан на том, что дефекты поверхности рассеивают падающий на них свет.

Различные дефекты поверхности (царапины, раковины, небольшие бугорки и т. п.) отражают свет иначе, чем идеальные участки поверхности. Рассеянный дефектами свет можно регистрировать обычным фотоприемником. Применение указанного метода осложняется наличием отраженного фонового излучения и излучения, рассеянного от других участков поверхности. На практике очень трудно различить свет, рассеянный от дефекта, и свет, равномерно рассеянный во всех направлениях в результате общей шероховатости поверхности.

Один из методов решения данной проблемы заключается в освещении поверхности наклонным пучком света и использовании пространственной фильтрации для подавления зеркально отраженной компоненты света. Схема измерения приведена на рисунке 3.10. Пространственный фильтр представляет собой диафрагму с непрозрачной центральной частью, которая пропускает лишь рассеянное излучение и подавляет центральный дифракционный максимум, обусловленный зеркально отраженной компонентой.

На рисунке 3.11 представлены экспериментальные результаты обследования поверхности стальной, пластины с чистотой обработки 0,2 мкм. На поверхности пластины алмазным резцом нанесены царапины шириной ~10 мкм и длиной 5 мм. Царапины направлены перпендикулярно плоскости падения светового пучка; следует отметить, что интенсивность рассеянного света не очень сильно зависит от ориентации царапин. Приведенные результаты относятся к углу падения 88°, который соответствует в данных условиях максимальной интенсивности рассеянного сигнала. С помощью этой системы можно четко различать сильно и слабо исцарапанные поверхности.

Рисунок 3.10 – Схема измерения чистоты обработки поверхности

Рисунок 3.11 – Результаты измерения с помощью устройства, схема которого приведена на рисунке 3.10

Модифицированная схема измерений позволяет осуществлять сканирование поверхности с целью определения места расположения дефекта. В данном случае пучок гелий-неонового лазера сканируется при помощи осциллирующего зеркала вдоль прямой линии, проходящей по движущейся относительно пучка поверхности. Такую систему можно, например, использовать для обнаружения вкраплений золота на поверхности керамики. Напыленные золотые зерна рассеивают под большими углами значительно больше света, чем остальные участки поверхности. С помощью фотоприемника, позволяющего регистрировать рассеянный под большими углами свет, можно эффективно определять концентрацию и место положения золотых зерен.

Приведенные примеры показывают, как можно применять лазеры при обследовании поверхности с целью обнаружения дефектов. Лазерные системы позволяют существенно экономить время и денежные средства в тех случаях, когда важна высокая степень совершенства поверхности, по сравнению с визуальными методами контроля под микроскопом.

3.7 Система обнаружения дефектов поверхности

В качестве примера рассмотрим систему обнаружения дефектов поверхности, разработанную для 100 процентного контроля боеприпасов малого калибра. Этот пример иллюстрирует возможности методов лазерного контроля в тех случаях, когда трудно обеспечить автоматический контроль обычными средствами, а также те требования, с которыми приходится сталкиваться при выборе лазерной системы. Этот способ может быть применен также для контроля качества поверхности деталей массового производства в тех случаях, когда необходимо обеспечить быстрый контроль, а также для контроля листового материала и небольших точных изделий (например, деталей автомашин).

В описываемой системе рассеяние света и электрооптические элементы используются для обнаружения дефектов на всей поверхности патронных гильз при скорости контроля, превосходящей 1200 гильз/мин. Автоматизация контроля поверхности патронных гильз затрудняется тем, что профиль указанной поверхности имеет несколько скачков, допустима невысокая степень чистоты обработки поверхности и изменения окраски ее отдельных участков. Устройство должно обнаруживать различные типы дефектов, в том числе зубцы, царапины, окалину, трещины в корпусе гильзы, складки металла, морщины и искривления формы гильзы, а также изменения формы дульца и капсюльного гнезда.

Поскольку гильза имеет довольно сложную поверхность, а контроль необходимо провести быстро, желательно использовать оптические методы. Несмотря на большое разнообразие поверхностных дефектов, все они могут быть обнаружены по отклонению распределения рассеянного света от нормального. С помощью цилиндрической оптики пучок гелий-неонового лазера трансформируется в линию, которая автоматически следит за вращающейся гильзой, укрепленной на периферии механического манипулятора револьверного типа. Свет, рассеянный от различных зон поверхности гильзы, собирается с помощью волоконно-оптических элементов и передается на используемые в качестве приемников фотоумножители. Затем частотные спектры принятых сигналов сравниваются со спектрами сигналов, получаемых в результате рассеяния на поверхностных дефектах заданного типа (например, зубцах или царапинах), и поступают на мини-ЭВМ для принятия решения о приемлемости или же недопустимости результатов механической обработки. На каждой ступени контроля держатели захватывают и вращают гильзу. Во время вращения освещается вся поверхность гильзы. Рассеянный свет собирается совокупностью оптических волокон, которые расположены вне оси зеркально отраженного пучка. Частотный спектр отраженного света сравнива­ется с эталонным спектром сигнала для анализируемого дефекта. Большая величина отношения сигнал/шум для рассеянного на дефектах излучения позволяет использовать в цифровых устройствах селекции сигнала простые пороговые схемы для выработки сигнала о принятии или отбраковке изделия. Сигнал отбраковки приводит в действие исполнительный механизм, изымающий бракованную гильзу. С помощью этой системы можно обследовать до 1200 гильз/мин.

4 Воспроизведение единиц физических величин и передача их
размеров

4.1 Понятие о единстве измерений

При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Понятие "единство измерений" довольно емкое. Оно охватывает важнейшие задачи метрологии: унификацию единиц физических величин (ФВ), разработку систем воспроизведения величин и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью и ряд других вопросов. Единство должно обеспечиваться при любой точности, необходимой науке и технике. На достижение и поддержание на должном уровне единства измерений направлена деятельность государственных и ведомственных метрологических служб, проводимая в соответствии с установленными правилами, требованиями и нормами. На государственном уровне деятельность по обеспечению единства измерений регламентируется стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) или нормативными документами органов метрологической службы.

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.

Воспроизведение единицы физической величины – это совокупность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей в стране точностью посредством государственного эталона или исходного образцового СИ. Различают воспроизведение основной и производной единиц.

Воспроизведение основной единицы — это воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру ФВ в соответствии с определением единицы. Оно осуществляется с помощью государственных первичных эталонов. Например, единица массы – 1 кг (точно) воспроизведена в виде платиноиридиевой гири, хранимой в Международном бюро мер и весов в качестве международного эталона килограмма. Розданные другим странам эталоны имеют номинальное значение 1 кг. На основании последних международных сличений (1979) платиноиридиевая гиря, входящая в состав Государственного эталона РФ, имеет массу 1,000000087 кг.

Воспроизведение производной единицы – это определение значения физической величины в указанных единицах на основании косвенных измерений других величин, функционально связанных с измеряемой. Так, воспроизведение единицы силы – Ньютона – осуществляется на основании известного уравнения механики F = mg.

Передача размера единицы – это приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке или калибровке. Размер единицы передается «сверху вниз» – от более точных СИ к менее точным.

Хранение единицы – совокупность операций, обеспечивающая неизменность во времени размера единицы, присущего данному СИ. Хранение эталона единицы ФВ предполагает проведение взаимосвязанных операций, позволяющих поддерживать метрологические характеристики эталона в установленных пределах. При хранении первичного эталона выполняются регулярные его исследования, включая сличения с национальными эталонами других стран с це- лью повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования методов передачи ее размера.

4.2 Эталоны единиц физических величин

Эталон — средство измерений (или комплекс СИ), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливает ГОСТ 8.057-80 ГСИ «Эталоны единиц физических величин. Основные положения».

Перечень эталонов не повторяет перечня ФВ. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие ФВ, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица ФВ воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других ФВ.

Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются физической величиной, единица которой воспроизводится и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени, при этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела к идее создания «естественных» эталонов различных величин, основанных на физических постоянных.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.

Сличаемость – возможность обеспечения сличения с эталоном других СИ, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличений.

Различают следующие виды эталонов:

– первичный – обеспечивает воспроизведение и хранение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же величины) точностью. Первичные эталоны – это уникальные СИ, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений;

– специальный – обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью не осуществима, и служит для этих условий первичным эталоном;

– государственный – это первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны. Утверждение проводит главный метрологический орган страны. Государственные эталоны создаются, хранятся и применяются центральными метрологическими научными институтами страны. Точность воспроизведения единицы должна соответствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потребностям науки и техники. В состав государственных эталонов включаются СИ, с помощью которых воспроизводят и (или) хранят единицу ФВ, контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого или хранимого размера единицы, осуществляют передачу размера единицы. Государственные эталоны подлежат периодическим сличениями с государственными эталонами других стран;

– вторичный – хранит размер единицы, полученной путем сличения с первичным эталоном соответствующей ФВ. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а так же для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. В состав вторичных эталонов включаются СИ, с помощью которых хранят единицу ФВ, контролируют условия хранения и передают размер единицы.

По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на следующие:

– эталон-копия – предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Он создается в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного или специального эталона от преждевременного износа. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому он не всегда является его физической копией;

– эталон сравнения – применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом;

– эталон-свидетель – предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время эталон килограмма имеет только эталон-свидетель. Его основное назначение – обеспечивать возможность контроля постоянства основного эталона;

– рабочий эталон – применяется для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Это самые распространенные эталоны. С целью повышения точности измерений ФВ рабочие эталоны применяются во многих территориальных метрологических органах и лабораториях министерств и ведомств.

Способы выражения погрешностей эталонов устанавливает ГОСТ 8.381-80 ГСИ «Эталоны. Способы выражения погрешностей». Погрешности государственных первичных и специальных эталонов характеризуются неисключенной систематической погрешностью, случайной погрешностью и нестабильностью. Неисключенная систематическая погрешность описывается границами, в которых она находится. Случайная погрешность определяется средним квадратическим отклонением (СКО) результата измерений при воспроизведении единицы с указанием числа независимых измерений. Нестабильность эталона задается изменением размера единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, за определенный промежуток времени.

Оценки погрешностей вторичных эталонов характеризуются отклонением размеров хранимых ими единиц от размера единицы, воспроизводимой первичным эталоном. Для вторичного эталона указывается суммарная погрешность, включающая случайные погрешности сличаемых эталонов и погрешности передачи размеров единицы от первичного (или более точного) эталона, а также нестабильность самого вторичного эталона. Суммарная погрешность вторичного эталона характеризуется либо СКО результата измерений при его сличении с первичным эталоном или вышестоящим по поверочной схеме вторичным эталоном, либо доверительной границей погрешности с доверительной вероятностью 0,99.

Передача размеров единиц ФВ от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам осуществляется с помощью рабочих эталонов. До недавнего времени в нашей стране вместо термина «рабочие эталоны» использовался термин «образцовые средства измерений», который в большинстве других стран не применяется.

Рабочие эталоны при необходимости подразделяются на разряды 1, 2 и т.д., определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой. Для различных видов измерений уста­навливается, исходя из требований практики, различное число разрядов рабочих эталонов, определяемых стандартами на поверочные схемы для данного вида измерений.

4.3 Поверочные схемы

Обеспечение правильной передачи размера единиц ФВ во всех звеньях метрологической цепи осуществляется посредством поверочных схем. Поверочная схема — это нормативный документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим СИ с указанием методов и погрешности, и утвержден в установленном порядке. Основные положения о поверочных схема приведены в ГОСТ 8.061-80 ГСИ «Поверочные схемы. Содержание и построение». Поверочные схемы делятся на государственные, ведомственные и локальные.

Государственная поверочная схема распространяется на все СИ данной ФВ, имеющиеся в стране. Она разрабатывается в виде государственного стандарта, состоящего из чертежа поверочной схемы и текстовой части, содержащей пояснения к чертежу.

Ведомственная поверочная схема распространяется на СИ данных физических величин, подлежащие ведомственной поверке.

Локальная поверочная схема распространяется на СИ данных физических величин, подлежащие поверке в отдельном органе метрологической службы.

Ведомственные поверочные схемы не должны противоречить государственным поверочным схемам для СИ одних и тех же физических величин. Они могут быть составлены при отсутствии государственной поверочной схемы. В них допускается указывать конкретные типы (экземпляры) СИ. Ведомственная и локальная поверочные схемы оформляют в виде чертежа, элементы которого приведены на рисунке 4.1.

Поверочная схема устанавливает передачу размера единиц одной или нескольких взаимосвязанных величин. Она должна включать не менее двух ступеней передачи размера. Поверочную схему для СИ одной и той же величины, существенно отличающихся по диапазонам измерений, условиям применения и методам поверки, а также для СИ нескольких ФВ допускается подразделять на части. На чертежах поверочной схемы должны быть указаны:

– наименования СИ и методов поверки;

– номинальные значения ФВ или их диапазоны;

– допускаемые значения погрешностей СИ;

– допускаемые значения погрешностей методов поверки.

а) от эталона 1 к объекту 5 методом3 ; б) от эталона 1 к объектам поверки 5 и 6 методом 3; в) от эталона 1 к объекту поверки 5 методом 3 и 4; г) от эталона 1 к объекту поверки 5 методом 3 и объекту поверки 6 методом 4

Рисунок 4.1 – Поверочные схемы передачи размеров

Правила расчета параметров поверочных схем и оформления чертежей поверочных схем приведены в ГОСТ 8.061-80 ГСИ «Поверочные схемы. Содержание и построение» и в рекомендациях МИ 83–76 «Методика определения параметров поверочных схем».

4.4 Способы поверки средств измерений

Поверка — это операция, заключающаяся в установлении пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и контроля их соответствия предъявляемым требованиям. Основной метрологической характеристикой, определяемой при поверке СИ, является погрешность. Она находится на основании сравнения поверяемого СИ с более точным СИ – рабочим эталоном. Различают поверки: государственную и ведомственную, периодическую и независимую, внеочередную и инспекционную, комплексную, поэлементную и др.

Основные требования к организации и порядку проведения поверки СИ приведены в правилах по метрологии ПР 50.2.006–94 ГСИ. «Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения», а также в рекомендациях МИ 187-86 ГСИ. Критерии достоверности и параметры методик поверки" и МИ 188-86 «ГСИ. Установление значений методик поверки».

Поверка выполняется метрологическими службами, которым дано на это право. Средство измерений, признанное годным к применению, оформляется выдачей свидетельства о поверке, нанесением поверительного клейма или иными способами, устанавливаемыми нормативно-техническими документами.

Меры могут быть поверены путем:

– сличения с более точной мерой посредством компарирующего прибора. Сличение мер с помощью компаратора осуществляется методами противопоставления или замещения. Общим для этих методов поверки СИ является выработка сигнала о наличии разности размеров сравниваемых величин. Если подбором образцовой меры этот сигнал будет сведен к нулю, то реализуется нулевой метод измерения;

– измерения воспроизводимой мерой величины измерительными приборами соответствующего класса точности. В этом случае поверка часто называется градуировкой. Градуировка — нанесение отметок на шкалу, соответствующих показаниям образцового СИ, или же определение по его показаниям уточненных значений величины, соответствующих нанесенным отметкам на шкале рабочего СИ;

– калибровки, когда с более точной мерой сличается лишь одна мера набора или одна из отметок шкалы многозначной меры, а действительные размеры других мер определяются их взаимным сравнением в различных сочетаниях на приборах сравнения и при дальнейшей обработке результатов измерений.

Поверка измерительных приборов проводится методом:

– непосредственного сравнения измеряемых величин и величин, воспроизводимых образцовыми мерами соответствующего класса точности. Значения величин на выходе мер выбираются равными оцифрованным отметкам шкалы прибора. Наибольшая разность между результатами измерения и соответствующими им размерами мер является в этом случае основной погрешностью прибора;

– непосредственного сличения показаний поверяемого и некоторого образцового прибора при измерении одной и той же величины. Основой данного метода служит одновременное измерение одного и того же значения ФВ поверяемым и образцовым СИ. Разность показаний этих приборов равна абсолютной погрешности поверяемого средства измерений.

Существуют и другие методы поверки, которые, однако, используются гораздо реже.

Важным при поверке является выбор оптимального соотношения между допускаемыми погрешностями образцового и поверяемого СИ. Обычно, когда при поверке вводят поправки на показания образцовых средств измерений, это соотношение принимается равным 1:3 (исходя из критерия ничтожно малой погрешности). Если же поправки не вводят, то образцовые СИ выбираются из соотношения 1:5. Соотношение допускаемых погрешностей поверяемых и образцовых СИ устанавливается с учетом принятого метода поверки, характера погрешностей, допускаемых значений; ошибок I и II родов и иногда может значительно отличаться от указанных ранее цифр.

4.5 Стандартные образцы

Для ряда областей измерений и, в первую очередь, для физико-химических измерений чрезвычайно перспективным средством повышения эффективности поверочных работ является

Заказать ✍️ написание учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой
3

Сейчас читают про: