WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 |
В.К.Кирилловский ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ Часть I Санкт-Петербург 2002 3 ВВЕДЕНИЕ.

РОЛЬ ИЗМЕРЕНИЙ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ ЖИЗНИ Повышение качества промышленной продукции есть надежный путь более полного удовлетворения потребностей народного хозяйства, ускорения научно-технического прогресса. В связи с этим постоянно возрастают требования к соблюдению метрологических правил и норм, направленных на повышение уровня измерений, их точности, надежности и производительности. От точности и своевременности измерительной информации зависит правильность принимаемых решений. От качества измерений зависят современные технологии и научные исследования, учет и экономия материальных ресурсов, техническая, экологическая и медицинская диагностика, крупные научные открытия.

В современных условиях в большинстве практических применений оптимальность измерений определяется предельно достижимой точностью при минимальных затратах. Уровень точности определяется критерием целесообразности. Неоправданное превышение необходимой точности обычно резко удорожает измерения. Недостаточная точность приводит к браку в производстве, ошибочным результатам и решениям.

Технический прогресс отраслей промышленности и развитие науки требует непрерывного повышения точности измерений физических величин. Для обеспечения единства этих измерений метрология должна непрерывно совершенствовать эталоны единиц и создавать все более точную измерительную аппаратуру, используемую как в качестве образцовых средств, так и при научных исследованиях. Поэтому задачей метрологии является также использование новейших достижений науки для создания средств измерений высшей точности. Средства измерений высшей точности применяются для получения значений универсальных физических констант, наиболее достоверные значения которых затем необходимы в технике точных измерений.

Современные оптические приборы играют важную роль в народном хозяйстве, служат основой научно-технического прогресса. Оптические и оптико-физические методы измерения и приборы как наиболее точные применяются во многих областях науки и производства – в большинстве современных высоких технологий, в ядерной и космической технике, лазерных технологиях, в машиностроении и приборостроении для контроля наиболее точных деталей точных деталей, при сборке прецизионных узлов, для научных исследований в области физики, химии, медицины, биологии и т. д.

Оптические измерения – техническая наука, основным содержанием которой является измерение и контроль конструктивных параметров оптических элементов и систем, а также измерение физических характеристик изучаемых объектов с помощью оптических методов и оптических приборов. Главная особенность оптических измерений заключается в том, что они имеют высокую точность и наглядность. Оптические измерения относятся в измерениям высшей точности, которая соизмерима с длиной световой волны (ср = 0.555 мкм). Поэтому, например, и в машиностроении, и в приборостроении оптические измерения применяются там, где необходимы предельно высокие точности. Так, концевые меры изготавливаются и аттестуются с применением интерферометрии, причем достигаемая точность находится на уровне ср/20, так что погрешность не превышает 0.03 мкм.

С другой стороны, научные исследования, а также разработки в области высоких технологий требуют проведения измерений с наивысшими точностями, которые нередко находятся на пределе теоретически предсказанных возможностей.

Единство измерений и их требуемое качество контролируются и обеспечиваются государственными и ведомственными метрологическими службами.

В оптическом приборостроении производство современных оптических приборов, отвечающих требованиям высоких технологий, должно быть обеспечено высокоточными методами и аппаратурой оптических измерений и контроля. Современное оптическое приборостроение характеризуется увеличением объемов выпуска оптической продукции, совершенствованием ее технических характеристик, а также необходимостью создания и производства новых классов приборов и систем.

К оптике нового класса могут быть отнесены, например, оптические системы космических телескопов, высококачественные объективы исследовательских микроскопов, объективы оптических приборов для технологий микроэлектроники, оптические системы устройств записи и воспроизведения информации, оптические системы для лазерных технологий. Эти группы оптических систем могут соответствовать своему назначению прежде всего при условии достижения предельно высоких оптических характеристик качества изображения, когда волновой фронт, сформированный оптической системой, не имеет отклонений свыше нескольких сотых долей длины световой волны от формы, соответствующей идеальному качеству изображения (чаще всего - сферической). При этом по концентрации энергии изображение, построенное реальной оптической системой, должно лишь на несколько процентов отличаться от идеального, то есть предсказанного теорией дифракции.

Выполнение этих задач невозможно без совершенствования и развития методов и средств контроля и аттестации оптической продукции, применения высокоточных измерений параметров и характеристик оптических систем и их элементов; возможностями этих средств сейчас во многом определяется успешное развитие оптической промышленности и аппаратуры.

Значительную и все возрастающую роль играют оптические измерения также и в большинстве областей естественно-научных и научнотехнических исследований, в технической, медицинской и биологической практике.

Успешная работа современного исследователя в оптической измерительной лаборатории зависит не только от хорошей оснащенности современными приборами, но и от знания и применения теоретических и технических аспектов современных оптических измерений, их возможностей и перспектив.



Дисциплина "Оптические измерения" относится к базисным дисциплинам содержания образовательных программ по направлению подготовки "Оптотехника". Цель изучения дисциплины – освоение обучающимися теоретических, практических и метрологических основ классических и современных оптических измерений.

СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ МЕТРОЛОГИЕЙ И НАУКОЙ О ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ В познании материального мира важную роль играют количественные оценки, позволяющие раскрывать действующие в природе закономерности, учитывать ресурсы, определять качественные стороны явлений, производимой продукции и других сторон человеческой деятельности.

В обиходном смысле различного рода оценивание (например - оценивание знаний учащихся в баллах и т.д.) часто относят к измерениям.

Однако в научно-техническом смысле к измерениям предъявляются строго определенные требования.

Измерение Измерением называется совокупность операций по нахождению количественного значения физической величины опытным путем, заключающихся в сравнении измеряемой величины с ее единицей с помощью технического средства, хранящего единицу физической величины.

Физическая величина есть характеристика объекта, качественно общая для данной группы объектов, но количественно индивидуальная для каждого объекта.

Физическая величина выражается с использованием шкалы соотношений, которая имеет ряд отметок (делений), количественно определяющих свойства или состояния измеряемых объектов, и нулевую отметку.

Размер величины – количественное содержание в данном объекте свойства или состояния, соответствующего понятию данной физической величины.

Значение величины – это оценка данной физической величины через некоторое число принятых единиц этой физической величины [11].

Результат измерения обычно содержит числовое значение измеряемой физической величины. Наряду с величиной, предметами измерения могут стать параметр, коэффициент и характеристика.

Параметр - величина, характеризующая какое-либо свойство или состояние процесса, явления, объекта или устройства.

Коэффициент - величина, характеризующая отношение параметров.

Характеристика есть функциональная зависимость, описывающая количественные признаки данного предмета или явления.

Изучение и оптимизация измерений являются предметами науки метрологии.

Метрология Метрология - это область технической физики, являющаяся научной основой измерительной техники.

Задачи метрологии:

- обеспечение единства и правильности измерения физических величин;

- оценка достоверности результатов измерения;

- разработка новых методов и средств измерений;

- определение значений универсальных физических констант.

Единство измерений Единством измерений называют такое состояние измерений, при котором:

— их результаты выражены в узаконенных единицах;

— погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

Единицей физической величины служит физическая величина фиксированного размера, условно принятая для сравнения с ней однородных величин, которой присвоено числовое значение равное (единице).

Единство измерений обеспечивается унификацией единиц физических величин. В нашей стране действует международная система единиц SI, на основе которой введен ГОСТ 8.417-81.

Правильный размер каждой единицы определяется соответствующим государственным эталоном, воспроизводящим данную единицу физической величины с наивысшей точностью и передающим единицу рабочим средствам измерений через систему образцовых средств измерений.

Метрологическая суть измерения Метрологическая суть измерения состоит в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой физической величины с ее единицей, хранимой применяемым средством измерения; размер единицы физической величины передан средству измерения от нормативно утвержденного эталона или образцового средства измерений.

Цель измерения Цель измерения состоит в определении значения измеряемой величины с известной погрешностью.

Оценивание Оценивание обычно отличается от измерения в строгом смысле отсутствием технического средства, хранящего единицу измеряемой величины (связанную с эталоном), и неопределенностью в оценке погрешности полученного значения оцениваемой величины.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ Для выполнения измерения необходимо иметь:

— метод измерения, — средство измерений, — методику измерения.

Метод измерения Методом измерения называют совокупность приемов использования принципов и средств измерения.

Принцип измерения Под принципом измерения понимается научная основа измерения, то есть комплекс знаний о совокупности физических явлений и технических достижений, на которых основаны данные измерения.

Средства измерения Средствами измерения являются измерительные установки, включающие функционально объединенные измерительные меры, приборы и измерительные преобразователи.

Методика измерений Методикой измерений называют установленную совокупность операций, условий и правил, выполнение которых при измерении обеспечивает получение результатов измерений согласно данному методу.

Условия измерения Правила применения средств измерений, при соблюдении которых величины, влияющие на точность и выполнимость измерений, находятся в допустимых пределах.





ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ Оптические методы измерений основаны на использовании оптических средств извлечения измерительной информации об исследуемом объекте, или, как говорят, на использовании оптического сигнала для кодирования измерительной информации.

Так, в измерительном микроскопе информацию о геометрических координатах измеряемого объекта содержит распределение освещенности в оптическом изображении объекта. Интерферометр позволяет судить о малых деформациях отполированной поверхности по изменениям формы (фазовой структуры) исследуемого волнового фронта оптического излучения, которые преобразуются интерферометром в изменения конфигурации интерференционных полос, зависящие от распределения освещенности в интерференционной картине.

Как необходимые признаки измерения могут быть названы:

— Принцип метода и его теоретические основы, указывающие на возможности и принципиальные ограничения метода.

— Математический аппарат для получения результата измерения, включающего значения измеряемой величины и погрешности ее определения.

— Сведения об объекте измерения, его математическое и физическое описание (модель).

— Функциональная схема измерительной установки, требования к ее характеристикам и параметрам ее элементов.

— Требования к условиям проведения измерения.

— Методика измерения, включающая указания по установке объекта, настройке установки, выполнению измерительных наблюдений и считыванию данных, их обработке и получению результата измерения.

Известные многочисленные методы оптических измерений подразделяются на прямые и косвенные.

Прямое измерение Измерение, проводимое прямым методом, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно из данных измерительного эксперимента. Прямые измерения позволяют непосредственно получить искомое значение физической величины.

Пример. Метод измерения радиусов кривизны сферической оптической поверхности с помощью автоколлимационного микроскопа (рис.1) [1].

Для определения радиуса кривизны наводят автоколлимационный микроскоп последовательно на центр кривизны измеряемой оптической поверхности, а затем на вершину этой поверхности. Для этого совмещают рабочую точку 7 автоколлимационного микроскопа с центром кривизны, получая отсчет продольного положения микроскопа m1, а затем с точкой на вершине поверхности, получая отсчет продольного положения микроскопа m2. Величину радиуса кривизны определяют, пользуясь выражением:

R = m2 – m1.

Основное достоинство прямых методов – их простота.

Рис. 1. Измерение радиуса кривизны сферической оптической поверхности с помощью автоколлимационного микроскопа (1 – лампа, 2 – конденсор, 3 – тест – объект, 4 – точечная диафрагма, 5 – светоделитель, 6 – объектив автоколлимационного микроскопа, 7 – рабочая точка автоколлимационного микроскопа, 8 – деталь с измеряемой сферической поверхностью, 9 – автоколлимационное изображение тест-объекта, 10 – окуляр, 11 – приемник изображения (здесь - глаз), 12 - отсчетное устройство для определения координат взаимного расположения детали и микроскопа) Косвенное измерение При косвенном измерении искомое значение физической величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной определенной математической зависимостью. Числовое значение искомой величины находится путем расчета после подстановки в формулу найденных величин Q=(X,Y,Z).

Рис. 2. Общий вид кольцевого сферометра (1 – рычаг управления стержнем контактного измерительного устройства;

2 – окуляр-микрометр; 3 – блок питания; 4 – фиксатор измеряемой детали) Итак, косвенные измерения позволяют определить искомую величину путем вычислений по известным формулам, в которые входят результаты прямых измерений.

Пример. Метод измерения радиусов кривизны сферической оптической поверхности с помощью кольцевого сферометра (рис. 2, 3)[1].

Рис. 3. Принцип измерения радиуса кривизны при помощи кольцевого сферометра (1 – измеряемая деталь со сферической поверхностью, 1а - деталь с плоской поверхностью, 2 – измерительный стержень сферометра с оптической шкалой, 3 и 4 – объектив и окуляр отсчетного микроскопа, 5 – глаз наблюдателя, 6 и 7 – опорное кольцо) На опорное кольцо устанавливают поочередно опорную плоскую оптическую поверхность (деталь 1), а затем измеряемую сферическую деталь (деталь 2). Для определения радиуса кривизны измеряют стрелку прогиба h0 сферической поверхности, установленной на опорное кольцо, как разность отсчетов m1 и m2:

h0= m2 – m1.

Искомый радиус кривизны вычисляют по формуле:

r = R K 2 / 2h0 + h0 /2= (RK 2 +h02)/2h0, где RK – радиус кольцевого ножа.

Косвенные методы применяются в тех случаях, когда прямые измерения эксплуатационно нецелесообразны или недостаточно точны. В практике оптических измерений косвенные измерения встречаются гораздо чаще, чем прямые. Погрешности могут возникать из-за неточности формул, применяемых для расчета.

Совокупные измерения Одни и те же величины измеряют прямым или косвенным методом несколько раз, при этом от одного измерения к другому меняют сочетание измеряемых величин. Искомые значения величин находят решением системы уравнений, связывающих измеренные и искомые величины.

Совокупные измерения позволяют, при необходимости, обойтись без аттестованного эталона. Например – абсолютные методы измерения ошибок оптических поверхностей, когда три пробные стекла последовательно накладывают друг на друга в разных сочетаниях [7].

Pages:     || 2 | 3 | 4 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.