Теоретические основы и методические указания к выполнению самостоятельной работы по курсу физические основы измерений
Подождите немного. Документ загружается.
121
Рисунок 7.10 Апертурная диафрагма объектива микроскопа
Входной люк системы – есть изображение апертурной диафрагмы
D
вх
, расположенной в пространстве предметов перед оптической системой
Q и видимой под наименьшим углом 2и из центра предмета С; выходной
люк – изображение апертурной диафрагмы D
вых
, образуемое системой Q в
пространстве изображений и видимое под углом 2и' из центра
изображения предмета С'.
Поле зрения оптической системы – пространство или плоскость,
которая изображается оптической системой прибора. Чем сложнее
оптическая система, тем меньше света она пропускает. Потери света
достигают 80%, что связано с отражением и преломлением света на
полированных поверхностях оптических деталей и поглощением при
прохождении через оптические детали. Основные потери возникают при
отражении на поверхности раздела, когда среда имеет наибольшие
разности показателей преломления. С целью увеличения прозрачности
поверхностей производится «просветление» - покрытие тонкими
просветляющими пленками.
7.5 Отчетные устройства
В измерительных приборах для измерения геометрических величин
широкое распространение имеют оптические отсчетные устройства с
прямым отсчетом.
122
В устройстве прямого отсчета в поле зрения видны шкала, индекс
или марка. Отсчет производится по положению индекса без совмещения со
штрихом шкалы с оценкой доли деления на глаз. При этом оптическая
система применяется только для увеличения видимых размеров шкалы.
Используя физиологические свойства глаза видеть с расстояния
наилучшего видения 250 мм две раздельные точки с расстоянием 0,075 мм
для оценки долей интервала оптимальное видимое расстояние между
штрихами шкалы принято равным 1 – 1,5 мм при толщине штрихов и
марки 0,1 – 0,15 мм, т. е. 0,1 ширины интервала.
На рис. 7.11 показано поле зрения отсчетного устройства
измерительной машины (ИЗМ). Измеряемый размер определяется суммой
отсчетов сотен миллиметров по двойному штриху дециметровой шкалы,
десятков, единиц и десятых долей – по сантиметровой шкале, сотых и
тысячных – по шкале оптиметра с учетом знака.
Рисунок 7.11 Поле зрения отсчетного микроскопа измерительной машины
На рис. 7.12 показана трансверсальная сетка катетометра с прямым
отсчетом. Штрих 162 прошел нулевой биссектор, а штрих 165 еще не
дошел до нулевого биссектора (находится сверху поля зрения шкалы).
Отсчетом будет 162 мм плюс размер отрезка от.штриха 162 до нулевого
штриха. В этом отрезке число десятых долей миллиметра соответствует 0,2
мм (два деления десятых долей). Сотые и тысячные доли отсчитываются
по горизонтали, где миллиметровый штрих шкалы расположен по
середине биссектора (между четвертым и пятым делениями сетки), что
соответствует 0,044 мм. Окончательный отсчет 162,244 мм.
123
Рисунок 7.12 Трансверсальная сетка катетометра
Микрометр окулярный винтовой (рис. 7.13) основан на сочетании
микровинта 3 с оптическим устройством – окуляром и сетками.
В фокальной плоскости окуляра 1 помещены две сетки:
неподвижная 4 со шкалой, имеющей деления от 0 до 8, и подвижная –
визирная 2 с перекрестием и биссектором. Перемещение подвижной сетки,
производимое микровинтом, оценивается по отсчетной шкале
неподвижной сетки 4. Миллиметры отсчитываются по шкале, а десятые и
сотые – по барабану микровинта 3. Микрометры устанавливают так, чтобы
фокальная плоскость объектива микроскопа 5 совпала с серединой зазора
между подвижной и неподвижной сетками.
Рисунок 7.13 Микрометр окулярный винтовой
В спиральных окулярных микрометрах (рис. 7.14) в фокальной
плоскости окуляра 1 находится неподвижная шкала 3 с делениями от 0 до
10 через 0,1 мм и подвижная – 4 с нанесенной десятивитковой
биссекторной спиралью Архимеда с шагом 0,1 мм и круговой шкалой в сто
делений – от 0 до 100. При вращении мажовичка 2 поворачивается
124
подвижная шкала. При этом один оборот подвижной шкалы вызывает
смещение спирали вдоль неподвижной шкалы на один шаг, т. е. на 0,1 мм.
Цена деления круговой шкалы 0,001 мм.
Рисунок 7.14 Спиральный окулярный микрометр
Для снятия отсчета вращением маховичка 2 совмещают штрих
шкалы 3 с серединой ближайшей двойной линии спиральной шкалы 4. Так
как двойная спираль выполнена на одном диске с круговой шкалой, то
операция совмещения позволяет определить точное положение
миллиметрового штриха между делениями десятых долей миллиметра
шкалы 3.
Спиральный микрометр является частью отсчетных устройств
универсальных длиномеров, микроскопов и других измерительных
приборов.
Оптический микрометр с плоскопараллельной пластиной показан
на рис. 7.15. В нем использовано известное свойство плоскопараллельной
пластины смещать изображение при изменении угла наклона главного
пучка лучей. Штрихи основной миллиметровой шкалы 8 проецируются в
фокальную плоскость f
0К
окуляра 6, совмещенную с неподвижной 5 и
подвижной 4 сетками.
125
На неподвижной сетке нанесено десять биссекторных штрихов
0 – 10 продольной шкалы 7 десятых долей миллиметра с ценой деления 0,1
мм и указатель 9, а на подвижной сетке – круговая шкала 10 (100 делений)
тысячных долей миллиметра с ценой деления 0,001 мм и оцифрованная
через сотую. Изображение основной шкалы и шкал сеток рассматривают в
окуляр или на экране. Для отсчета дробных долей миллиметра
изображение штриха основной шкалы смещают на величину х в
симметричное расположение относительно ближайшего биссектора шкалы
десятых долей миллиметра. Это смещение осуществляют наклоном
плоскопараллельной пластины 3 (поворотом вокруг оси О) посредством
рычага 2 при вращении торцевого кулачка 1. По шкале 7 снимают отсчет
десятых долей, а по шкале 10 – отсчет сотых и тысячных долей
миллиметра.
Рисунок 7.15 Схема оптического микрометра
Оптические микрометры используются в универсальных
микроскопах УИМ – 23 и УИМ – 24, вертикальном длинномере ИЗВ – 3 и
других приборах.
Оптические клиновые микрометры основаны на использовании
свойства двух тонких клиньев с одинаковыми малыми углами,
установленных на некотором расстоянии l друг от друга с противоположно
расположенными основаниями, смещать главный луч пучка при смещении
клина параллельно друг другу. На рис.7.16 первый клин I оптического
126
микрометра неподвижный, а второй – II смещен вдоль оптической оси
объектива на величину l. Это смещение клина вызывает перемещение
проецируемого из плоскости предметов штриха из точки А в А
1
на
величину с.
При малом угле α угол отклонения пучка лучей с достаточной
точностью можно принять равным β = α • (n – 1), где n – показатель
преломления стекла, из которого сделан клин.
Угол β также имеет малое значение, поэтому с = lβ, тогда
с = l α • (n – 1).
Клиновые устройства применяются в гониометрах ГС-5 и ГС-10 и
при интерференционных измерениях.
Рисунок 7.16 Оптический клиновой микрометр
Оптический линзовый микрометр (компенсатор) применяют в
автоколлиматорах в качестве отсчетного устройства.
Рисунок 7.17 Оптический линзовый микрометр
127
Принцип действия показан на рис.4.17. Микрометр состоит из
длиннофокусной линзы L. При перемещении линзы в направлении,
перпендикулярном к оси на расстояние l, изображение штрихов, идущих из
пространства предметов, смещается на величину S'S'' = S'/f'·l, где
f' – фокусное расстояние линзы; S' – заднее фокусное расстояние.
7.6 Оптический рычаг, коллимация и автоколимация
Принцип действия оптического рычага поясняется на рис. 7.18.
Принимая в качестве плеч рычага узловые точки оптической системы,
определяем масштаб оптического рычага: М=у'/у = а'/а, где у –
перемещение точки А в точку А
1
, у' – перемещение изображения точки A'
после ее прохождения через оптическую систему в точку А'
1
; a и а' –
соответственно малые и большие плечи оптического рычага.
Большое плечо оптического рычага можно увеличить при
сохранении небольших габаритных размеров оптической системы и
использовании схемы многократного отражения. По закону отражения
луч, отраженный от зеркала, имеет угол поворота, вдвое больший угла
поворота зеркала.
Оптический рычаг используется в схемах оптикаторов и др.
Рисунок 7.18 Принципиальная схема оптического рычага
Зрительная труба применяется для наблюдения далеко
расположенных предметов и при угловых измерениях. Оптическая схема
зрительной трубы, показанная на рис.7.19, состоит из объектива 1, окуляра
3 и стеклянной пластинки 2. Задний фокус объектива F'
1
и передний фокус
128
окуляра F
2
совмещены. В их общей фокальной плоскости установлена
стеклянная пластинка 2, на которой нанесены сетка и перекрестие. В эту
плоскость из пространства предметов объектив 1 проецирует
действительное изображение бесконечно удаленного предмета. Если в
объектив падает параллельный пучок лучей, то и из окуляра выходит
параллельный пучок.
Такая оптическая система называется телескопической. Если
параллельный пучок лучей падает под некоторым углом со к оптической
оси, то по выходе из окуляра пучок к оптической оси направляется под
углом ω'.
Рисунок 7.19 Оптическая схема зрительной трубы
Отношение Г = tg ω'/ tg ω называется увеличением телескопической
системы.
Относительные отверстия зрительных труб D/f' лежат в пределах от
1:5 до 1:15, а фокусные расстояния нередко достигают 1000 мм.
Зрительные трубы применяются в отсчетных устройствах
автоколлиматоров и гониометров.
Коллиматор – оптическая система для искусственного создания
бесконечно удаленной точки визирования. Оптическая система
коллиматора (рис. 7.20) состоит из объектива 1 и марки 2, помещенной в
фокальной плоскости объектива. Марка выполняется с узкой щелью или
малым круглым отверстием. Если перед коллиматором установить соосно
зрительную трубу, то в поле зрения окуляра трубы будет видно резкое
129
изображение марки. Это изображение остается неподвижным при любых
продольных перемещениях марки или трубы, если оптические оси
остаются параллельными. Поворот коллиматора или зрительной трубы
вызывает смещение изображения марки пропорциональное углу поворота.
Рисунок 7.20 Оптическая схема коллиматора
Автоколлимация – свойство объектива собирать параллельно
направленные лучи в фокусе объектива и превращать пучок лучей,
исходящих из источника света, расположенного в фокусе объектива, в
пучок параллельных лучей. При этом возможны три случая
автоколлимации.
Рисунок 7.21 Автоколлимационные схемы
1. Источник света совпадает с фокусом объектива 1,
расположенного на оптической оси (рис. 7.21 а). Пучок параллельных
лучей, выходящий из точки О, преобразуется объективом в параллельный
130
пучок, который отразившись от зеркальной поверхности 2,
перпендикулярной к оси объектива, возвращается в т. О.
2. Источник света находится в фокальной плоскости
коллимационного объектива 1 и смещен на расстояние у от фокуса (рис.
7.21 б). Один из лучей (центральный) от источника света пойдет по
побочной оптической оси, а остальные лучи после преломления –
параллельно этой оси. Выйдя из объектива и встретив на своем пути
зеркало 2, расположенное под углом 90° к главной оптической оси, лучи
отразятся от него и пойдут обратно параллельным пучком и,
преломившись вторично в объективе, сойдутся в точке О', симметричной
точке О. Тогда у = f 'tg γ.
3. Источник света расположен в фокусе объектива (рис. 7.21 в), а
зеркало наклонено под углом α к главной оптической оси. Лучи после
отражения пойдут под углом 2α к главной оптической оси и после
преломления в объективе соберутся в точке О', отстоящей от
первоначальной на расстоянии у = f'tg 2α, где f' – фокусное расстояние
объектива.
7.7 Основные положения физической оптики в применении к
оптико – механическим приборам
При сложении двух волн одинаковой частоты возникает явление
интерференции, состоящее в том, что в одних местах наблюдается
усиление волн, а в других – ослабление. Устойчивую по времени и
контрастную картину обеспечивают когерентные волны, т.е. волны с
одинаковой частотой и постоянной разностью фаз. Источники света, у
которых разность фаз испытывает быстрое беспорядочное изменение,
называются некогерентными.