К выполнению лабораторной работы по курсу

Саратовский государственный технический университет

ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ОПТИМЕТР:

ЕГО СХЕМА И ПРИМЕНЕНИЕ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы по курсу

«Метрология, стандартизация и сертификация»

для студентов всех форм обучения

Саратов 2008

Цель работы: изучение принципа работы, метрологических показателей, конструкции вертикального оптиметра и область его применения; расчёт погрешности схемы прибора; освоение методики настройки и измерения на вертикальном оптиметре.

ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА

Одним из распространенных оптико-механических приборов является вертикальный оптиметр.

Вертикальный оптиметр типа ОВО-I модели ИКВ показан на рис.1 . Он предназначен для относительного измерения линейных размеров деталей с высокой точностью. Штатив прибора имеет массивное чугунное основание 1, на котором установлена винтовая колонна 2 и регулируемый столик 9. Вдоль колонны перемещается кронштейн 3 с помощью гайки 5, в котором установлена трубка оптиметра 6, являющаяся основной частью прибора. Кронштейн фиксируется на колонне стопорным винтом 4, а трубка оптиметра в кронштейне 3 ¾ винтом 7. Грубую установку измерительного наконечника трубки оптиметра относительно столика 9 осуществляют вращением кольца 5, а точную – продольным перемещением столика при помощи гайки 11, которая связана с ним. Положение столика по высоте фиксируется стопорным винтом 12.

Для установки плоскости подвижного столика перпендикулярно оси измерительного наконечника служат регулировочные гайки 10, которые фиксируются стопорными винтами 13. При выполнении работы гайки 10 вращать не следует, так как установка столика производится заранее.

Работа вертикального оптиметра основана на принципе автоколлимации и оптического рычага. Автоколлимационными называются системы, проецирующие изображение шкалы при помощи зеркала в плоскость самой шкалы. Принцип автоколлимации – способность объектива (рис. 2а) превращать пучок лучей, исходящих из точек M, N, расположенных во фронтальной плоскости 2, на фокусном расстоянии F в параллельные лучи. Параллельные лучи, попадая на плоскость зеркала 3, отражаются от него и собираются в ту же точку М или N.

Принцип оптического рычага заключается в следующем: если зеркало 3 отклонить на некоторый угол α (рис. 2б), то направление отраженных лучей изменится на угол 2α, в результате чего изображение точки М переместится в точку В на расстояние t.

Конструктивно автоколлимационная система оптиметров выполнена в виде оптиметровой трубки (рис.3), являющейся основной частью

прибора.

Рис.3 Трубка оптиметра

Для удобства измерения трубка оптиметра имеет Г-образную форму, и в ее оптическую систему введена призма 8 полного внутреннего отражения. Шкала, служащая для произведения отсчета, нанесена на пластинке 4. Эта шкала освещается при помощи зеркала 7 и призмы 5. Пластинка со шкалой помещена во фронтальной плоскости объектива 9, за которым находится плоское поворотное зеркало 10, опирающееся на измерительный стержень 6.

Пучок света от постоянного источника при помощи шарнирно закрепленного зеркала 7 направляется в призму 5. Лучи света, отражаясь от грани этой призмы, проходят через прозрачную стеклянную пластинку 4, на которой нанесена шкала. Лучи света от шкалы, проходя через призму 8, изменяют свое направление на 90º и, пройдя через объектив 9, параллельным пучком падают на поворотное зеркало 10. Отразившись от зеркала, световой поток дает автоколлимационное обратное изображение шкалы в правой части окулярной сетки, на которой нанесен указатель. Изображение отраженной шкалы рассматривается глазом через окуляр 3.

Зеркало 10 прижимается к измерительному стержню пружиной 2, которая создает измерительное усилие. Изменение положения измерительного стержня 6 приводит к изменению положения поворотного зеркала 10 (поворачивается на угол α).

В трубке оптиметра фокусное расстояние F = 200 мм, длина механического рычага С = 5 мм, что обеспечивает передаточное отношение S =

= 2F/C = 2 × 200/5 = 80. Шкала оптиметра имеет число делений n = 200 с интервалом делений a = 0,08 мм. Цена деления С = a/S = 0,001 мм. Окуляр дает 12-кратное увеличение. Видимый интервал деления шкалы составляет α′ = a × 12 = 0,08 × 12 = 0,96 мм. Пределы измерений по шкале: ±C × n/2 = ±(0,001×200)/2 = ±0,1 мм.

Метрологические показатели прибора ОВО-I:

- цена деления шкалы равна 0,001 мм (1 мкм);

- пределы измерения по шкале ±0,1 мм ( ±100 мкм);

- пределы измерения прибора в целом 0…250 мм;

- предельная погрешность прибора ±0,0004 мм.

РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ СХЕМЫ ВЕРТИКАЛЬНОГО ОПТИМЕТРА

Погрешность схемы трубки оптиметра является систематической погрешностью прибора. Она возникает вследствие того, что зависимость между величинами смещения шкалы и смещения измерительного стержня не является, строго говоря, линейной. Определим эту зависимость в аналитическом виде.

Смещение t светящейся точки в фокальной плоскости объектива (рис. 2б) связано с углом наклона a зеркала 10 зависимостью:

, (1)

где F – фокусное расстояние объектива, мкм;

. (2)

Учитывая, что , получаем:

, (3)

где h – смещение измерительного стержня;

С – расстояние от оси поворотного зеркала до оси измерительного стержня.

Выражение (3) сделаем более удобным для анализа, учтя известное приближенное равенство:

, (4)

где Х – мало, получим:

. (5)

Подставим в (5) численные значения: h=200 мм; С=5 мм, получим зависимость:

. (6)

Первый член (6) – линейная часть зависимости - соответствует прибору, не имеющему систематической погрешности. Второй член (6) – нелинейная часть зависимости - представляет собой погрешность схемы. Как видно из (6), её величина пропорциональна 3-й степени величины смещения измерительного наконечника. Оценим величину смещения на конце шкалы (h=0,1 мм) в делениях шкалы. Смещение шкалы в окуляре прибора Н связано со смещением шкалы t в фокальной плоскости зависимостью:

, (7)

где 12,0 – увеличение окуляра;

α′ = 0,96 мм – видимая линия (интервал) делений шкалы оптиметра.

Для смещения измерительного стержня h = 0,1 мм

Н = 12,0(8+0,00032) = 100,0004 деления.

Таким образом, погрешность схемы прибора составляет величину 0,0004 деления на конце шкалы, т.е. наибольшая величина этой составляющей погрешности прибора равна 4 × 10^{-6 мм.}