Измерения геометрических размеров объекта с помощью оптического микроскопа

Для измерения геометрических размеров в микроскопах используют окуляр-микрометр и винтовой окуляр-микрометр. Окуляр-микрометр представляет собой окуляр с мерной шкалой. Изображение объектов под микроскопом измеряется окуляр-микрометром в делениях его шкалы. Поворотом окуляра, в который вложен окуляр-микрометр, и перемещением препаратоводителя на столике микроскопа, совмещают шкалу окуляр-микрометра с измеряемым объектом по направлению измерения. Определяют количество делений окуляр-микрометра, приходящееся на длину (ширину) объекта.

Винтовой окуляр-микрометр представляет собой сочетание микрометрической шкалы с микрометрической винтовой парой. Внешний вид показан на рис.3а. В фокальной плоскости окулярного микрометра расположена неподвижная шкала из 8 делений. В этой же плоскости расположено подвижное перекрестие с жестко связанным с ним указателем - двойной риской (см. рис.3б).

Наблюдая в окуляр и вращая барабан по часовой стрелке, подводят центр перекрестия до совмещения с краем измеряемого объекта и делают первый отсчет по шкалам окуляр-микрометра по положению рисок. При вращении винта перекрестие перемещается в поле зрения по изображению объекта, а двойная риска одновременно движется по шкале целых делений. Поверхность барабана разделена на 100 делений, соответственно, поворот барабана на одно такое деление перемещает перекрестие на 0,01 от деления шкалы, видимой в окуляре. Полный отсчёт окулярного микрометра, складывается из отсчётов целых по шкале в окуляре и сотых по барабану винта. По шкале в поле зрения отсчитывают полные мм, а по шкале барабана - сотые доли мм. Таким образом подводят перекрестие до совмещения его центра с изображением второго края измеряемого объекта и делают второй отсчет по шкалам микрометра. Вычисляют разность отсчетов, которая является величиной изображения объекта.

Рис.3. Винтовой окуляр-микрометр: а- внешний вид; б – шкала и подвижная сетка с перекрестием в поле зрения окулярного микрометра

б

а

Поскольку цена деления шкалы окуляр-микрометра зависит от увеличения микроскопа, которое может меняться при смене линз, то необходимо производить калибровку шкалы при том увеличении, при котором будут проводиться измерения. Калибровка производится путем сопоставления окулярной шкалы с эталонной, расположенной на объект-микрометре (рис.4).

Для этого на предметный столик микроскопа, вместо препарата помещают объект-микрометр, находит его шкалу и совмещают ее со шкалой окуляр-микрометра (рис.5).

 

с.4. Объект-микрометр отраженного света с ценой деления шкалы 0.01 мм

Рис.4. Объект-микрометр отраженного света с ценой деления шкалы 0.01 мм

 

 

Процедура калибровки, следующая:

1. Определяют сколько делений окуляр-микрометра приходится на какое-то определенное, возможно большее, число делений объект-микрометра.

2. Высчитывают цену деления окуляр-микрометра: L = (N·S)/n, где

L- Цена деления окуляр-микрометра

N- Число делений объект-микрометра

S- Цена одного деления объект-микрометра (см. маркировку)

n- Число делений окуляр-микрометра, совпадающих с числом делений объект-микрометра

Лабораторная работа№1

Исследование преобразователя Холла

Цель работы - изучение принципа действия, применения и основных характеристик датчиков Холла; исследование характеристики преобразования датчика; определение основных параметров датчика.

1.1. Объект испытаний

Датчик холла

1.2. Теоретические сведения

1.2.1. Эффект Холла

Согласно теории электромагнетизма на заряд q, движущийся со скоростью v в магнитном поле, действует сила Лоренца где В—индукция магнитного поля. Движущиеся в магнитном поле электрические заряды под воздействием силы Лоренца изменяют свою траекторию.

Рис.1.1. Возникновение разности потенциалов на чувствительном элементе датчика Холла в магнитном поле.

Если в магнитное поле поместить пластину с током, направление которого перпендикулярно вектору магнитной индукции, то под действием силы Лоренца движущиеся заряды будут отклоняться от направления тока, и на противоположных гранях пластины будут скапливаться заряды разных знаков. Накапливание зарядов будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца. В результате, на соответствующих сторонах пластины появится разность потенциалов — ЭДС (напряжение Холла), что показано на рис.1.2.

Величина ЭДС Холла определяется формулой или , где d—ширина пластины, q—заряд частицы-носителя, n—концентрация носителей,I—ток, протекающий через пластину, K—коэффициент, зависящий от материала пластины и её размеров.

Из приведённого соотношения следует, что измеряемый милливольтметром сигнал пропорционален магнитной индукции МП и плотности электрического тока, протекающего в пластине. Следовательно, характеристика преобразования датчиков Холла линейна (как правило, в пределах 1%) практически во всём диапазоне измерений.

Поскольку напряжённость и магнитная индукция МП—векторные величины, показания датчика зависят от ориентации пластины относительно направления МП, а также от неравномерности самого МП. Для того, чтобы полнее охарактеризовать МП, необходимо представить его параметры в трёх пространственных координатах.

Так как напряжение Холла пропорционально величине индукции магнитного поля, то эффект широко используется для измерения параметров магнитных полей. По величине и знаку напряжения в магнитном поле с известными параметрами определяют концентрацию и знак носителей тока.

Датчики Холла (ДХ)

При снижении концентрации носителей ЭДС Холла возрастает, поэтому в качестве материала для датчиков Холла предпочтительно использование таких полупроводников, как кремний и арсенид галлия, так как они обладают относительно невысокой концентрацией собственных носителей заряда. Напряжение Холла, создаваемого на пластине полупроводника (чувствительного элемента), как правило, требует усиления, поэтому датчики Холла, кроме чувствительного элемента, содержат схемы усиления в интегральном исполнении. Датчики также могут содержать схемы обработки сигналов и схемы компенсации нежелательных эффектов, например, тензоэффекта, влияющие на метрологические характеристики. Все эти схемы выполняются на одном кристалле и смонтированы в одном корпусе.

Рис.1.2.Внешний вид и типичные размеры датчиков Холла

Датчики Холла являются основой многих типов датчиков, таких как датчики линейного или углового перемещения, датчики магнитного поля, датчики тока, датчики расхода и др. Удобство бесконтактного срабатывания (полное отсутствие механического износа), низкая стоимость, простота использования делают их незаменимыми в приборостроении, автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности. Внешний вид и размеры некоторых датчиков Холла показаны на рис.1.3.

Преимущества датчиков Холла: электрический сигнал на выходе, малые размеры, простота использования.

Типы датчиков Холла

ДХ является преобразователем величины индукции магнитного поля в электрическое напряжение.

В зависимости от вида передаточной функции (ПФ) датчики разделяются на линейные и цифровые (см. рис. 1.3).

Рис.1.3. Передаточные характеристики датчиков Холла: а -линейного, б - логического

 

Линейные датчики магнитного поля на эффекте Холла состоят из полупроводникового элемента Холла, стабилизатора питания, дифференциального усилителя и выходного каскада. При отсутствии магнитного поля выходное напряжение датчика должно быть равно нулю, поэтому требуется дифференциальный усилитель, устраняющей дрейф 0 при отсутствии сигнала с чувствительного элемента. Выходное напряжение этих датчиков находится в линейной зависимости от величины вектора магнитной индукции. За пределами рабочей области датчик входит в насыщение. При отсутствии внешнего магнитного поля напряжение на выходе равно половине напряжения питания.

В отличие от линейных датчиков магнитного поля, выход логических приборов, в зависимости от величины приложенного магнитного поля, принимает всего два состояния: высокий или низкий уровень. Отсюда происходит их альтернативное наименование—магнитоуправляемые коммутаторы. Обычно они применяются для определения наличия какого-либо ферромагнитного объекта в поле «зрения» датчика.