Метод непосредственного (прямого) измерения

Метод непосредственного измерения наиболее удобный способ поверки и калибровки КМД, учитывая то обстоятельство, что в настоящее время появились высокоточные измерительные средства с большими диапазонами измерений и с цифровым отсчетом.

Для непосредственного измерения КМД в настоящее время применяют бесконтактные лазерные интерферометры и инкрементные фотоэлектрические компараторы.

Интерференционные приборы являются наиболее естественными и точными средствами измерений, так как основаны на передаче размера единицы длины через длину световой волны.

Абсолютный интерференционный метод позволяет с помощью специальных бесконтактных лазерных интерферометров производить измерение мер непосредственно в длинах волн. Современные лазерные интерферометры снабжены устройством для компенсации ошибок от воздействия окружающей среды: изменений температуры, изменения давления воздуха и влажности. Однако более надежным при точных измерениях является соблюдение нормальных условий применения в помещении, в котором производятся измерения (термоконстантные помещения).

При абсолютном интерференционном методе измерений длина измеряемой меры определяется непосредственно по числу полуволн однородного (монохроматического) света, соответствующему данному размеру. Трудностью таких измерений являлось подсчет большого числа интерференционных полос. Полосы отсчитывают от базы, в качестве которой служит поверхность стеклянной пластины, к которой притерта измеряемая мера, до свободной поверхности поверяемой меры.

Однако в современных лазерных интерферометрах подсчет полос автоматизирован и осуществляется компьютером или микропроцессором, снабженных реверсивным счетчиком полос.

Абсолютный интерференционный метод основан на сравнении длины измеряемой меры с длиной волны света. Достоинство эталона – длины волны света – состоит в том, что он легко воспроизводится и не изменяется со временем.

Абсолютный интерференционный метод применяют, главным образом, для поверки КМД класса К в сертифицированных метрологических центрах.

При таких точных измерениях не только соблюдаю нормальные условия окружающей среды, но также измеряют температуру воздуха, поверяемой меры и измерительного приспособления (стойки) с точностью 0,1–0,2 ^оС с помощью платиновых термометров сопротивления, а также влажность и давление воздуха и вносят компенсационные поправки в результат измерения. Однако в системе компенсации заложена некоторая неопределенность. Формулы, по которым рассчитываются компенсационные поправки, не всегда соответствуют физической сущности возникающих ошибок. Некоторые формулы являются эмпирическими. Таким образ, нет уверенности, что поправки вычислены правильно.

Размер КМД при нормальных условиях определяется расстоянием между двумя поверхностями, из которых одна является свободной измерительной поверхностью меры, а вторая плоской поверхностью вспомогательной пластины (например, стеклянная пластина), к которой мера притерта другой своей измерительной поверхностью. Следует отметить, что такой метод вносит некоторую погрешность, потому что поверхность стеклянной пластины, к которой притерта мера и собственно притертая поверхность меры не идентичны. Но, по-видимому, эта погрешность не велика.

Нормальными условиями поверки являются: температура +20 °С, давление 101 325 н/м², отсутствие внешних сил, изменя­ющих длину меры (кроме силы тяжести и силы сцепления меж­ду мерой и вспомогательной пластиной). КМД до 100 мм поверяют в вертикальном положении, КМД длиной свыше 100 мм поверяют в горизонтальном положении при установке меры узкой нерабочей поверхностью на две опоры, расположенные на расстоянии 0,21 ℓ (ℓ – длина меры) от ее концов (точки Эйри).

Точность измерения длины мер до 100 мм с помощью бесконтактного лазерного интерферометра с компенсацией ошибок от изменений внешних условий составляет:

U = ±(0,015 + 0,5·ℓ) мкм, где ℓ в м.

Производители КМД и в современной заводской практике обычно не используют бесконтактный лазерный интерферометр, а поверку и калибровку КМД производят преимущественно с помощью инкрементных фотоэлектрических приборов с цифровым отсчетом (компараторов) путем сравнения поверяемой меры с образцовой КМД с мерой более высокого класса К.

Для непосредственного измерения КМД (рис. 2.1.5) применяют специальные компараторы, снабженные инкрементными оптоэлектронными измерительными головками и микропроцессорным блоком или компьютером с цифровым отсчетом.

Компараторы измеряют меры во всем диапазоне измерения головки, например, 25 мм путем сравнения их размера с одной образцовой КМД (эталоном). Это удобно и выгодно иметь один эталон при поверке целого набора КМД. Такие компараторы выпускает, например, фирма Tesa (Швейцария).

Рис. 2.1.5 Непосредственное измерение КМД на высокоточном компараторе

Подобные компараторы основаны на дифференциальном методе измерения. Эталон и поверяемая мера по очереди измеряются с двух сторон двумя преобразователями. Поверяемая мера и эталон установлены рядом на столике стойки и поочередно перемещаются в измерительную позицию под щупы преобразователей.

Один преобразователь установлен под столиком и контактирует с нижней поверхностью меры или эталона, второй установлен в стойке и контактирует с верхней поверхностью меры или эталона. Нижний преобразователь имеет диапазон измерений 1,0 мм, верхний – 25 мм. Дискретность отсчета – 0,01 или 0,005 мкм.

Столик с поверяемой мерой и эталоном перемещаются под щупами по программе или вручную. Измерительные щупы преобразователей арретируются электродвигателем или вакуумом. Измерительное усилие нижнего щупа 0,63 Н, верхнего – 1,0 Н создается с помощью электродвигателя.

Компаратор снабжен устройством для измерения температуры воздуха и материала, состоящим из нескольких высокоточных платиновых датчиков температуры. Один закрепляется на поверяемой мере другой на стойке и т.д. Результаты измерения температуры поступают в электронный блок и вносятся поправки в результаты измерения длины в зависимости от отклонений температуры воздуха и КМД от нормальной. Точность измерения температуры составляет 0,1–0,2 ^оС.

Результаты измерения и компенсационные поправки обрабатываются в микропроцессорном блоке и высвечиваются на цифровом дисплее с дискретностью 0,01 мкм.

Поверяемую меру измеряют в пяти точках: в середине и по углам, отступая на 2 мм от края. Срединную длину поверяе­мой меры определяют как алгебраическую сумму срединной длины образцовой меры (указанной в свидетельстве) и разности показаний прибора при измерении этих мер в средних точках.

Отклонение от плоскопараллельности поверяемой концевой ме­ры принимают равным наибольшему по абсолютному значению отклонению длины меры в одном из углов относительно ее сре­динной длины (рис. 2.2).

Точность измерения длины мер до 100 мм на компараторе с двумя инкрементными фотоэлектрическими преобразователями с компенсацией ошибок от изменений температуры составляет:

Повторяемость – 0,015 мкм.

Погрешность измерения

U = ±(0,015 + 0,5·ℓ) мкм,

где ℓ в м.