2.1 Вимірювання лінійних та кутових розмірів

Вимірювання лінійних та кутових розмірів займають значне місце в різних галузях науки та техніки, зокрема, в машинобудуванні та приладобудуванні, де вимірювання цих величин займають до 80 % від всіх вимі­рювань в цих галузях.

Останнім часом під впливом інтенсивного розвитку інтегральних схем, мікропроцесорних пристроїв відбулось корінне оновлення та значне урізноманітнення техніки, що застосовується при вимірюваннях лінійних та кутових розмірів. Сьогодні, завдяки прогресу в конструюванні приладів, можуть бути реалізовані такі методи вимірювань, які ще декілька років тому здавалися неймовірними. Нові апаратні рішення ведуть до появи нових різновидів методів вимірювань. Донедавна для вимірювань геометричних розмірів застосовували здебільшого прилади, що працюють за аналоговим принципом. Сьогодні в зв'язку зі значним прогресом в галузі первинних вимірювальних перетворювачів та винятковими можливостями цифрової вимірювальної техніки на перший план виходять цифрові засоби вимірювань цих величин, їх основні переваги: можливість автоматизації вимірювального процесу та автоматичної обробки результатів вимірювань, неперервний запис результатів вимірювань тощо. Тому, розглядаючи засоби та методи вимірювань геометричних розмірів, зупинимось тільки на електричних засобах, зокрема з цифровим виходом, не забуваючи про те, що основною ланкою засобів вимірювань геометричних розмірів є первинний вимірювальний перетворювач.

Основні електричні методи та відповідні засоби вимірювань лінійних та кутових розмірів залежно від наявності чи відсутності механічного контакту між досліджуваним об'єктом та засобом вимірювань поділяють на контактні та безконтактні, а залежно від принципу вимірювального перетворення методи поділяють на електромеханічні, електрофізичні та спектрометричні (хвильові).

Електромеханічні методи залежно від виду первинного перетво­рювача поділяють на резистивні, індуктивні, ємнісні, оптоелектронні, обкочування тощо.

Електрофізичні методи вимірювань основані на використанні від­мінності в фізичних властивостях речовин, що знаходяться на різних сторонах границь вимірюваного розміру. Для вимірювань лінійних та кутових розмірів використовують методи та прилади, основані на відмінностях електричних, магнітних, теплових та інших властивостей. Відповідно електрофізичні методи поділяються на електромагнітні, ємнісні, кондуктометричні тощо. Найпоширенішими з електромагнітних є вихрострумові та резонансні методи.

Спектрометричні методи та відповідні засоби вимірювань залежно від довжини хвилі випромінювання, що використовується при вимірюванні, поділяють на звукові, ультразвукові, радіохвильові, надвисокочастотні, оптичні (лазерні). Залежно від фізичних явищ, які використовуються при вимірюванні, спектрометричні методи класифікують на локаційні, інтерферометричні, рефрактометричні тощо.

Електромеханічні методи широко застосовуються для вимірювань розмірів деталей та шорсткості поверхні (контактні штанген­циркулі, мікрометри, профілометри), для вимірювань рівня (поплавкові та буйкові рівнеміри). Для вимірювань відстаней, пройдених транспортними засобами, широко використовують спосіб обкочування.

В контактних мікрометрах та профілометрах координати досліджуваного об'єкта попередньо перетворюються в лінійне переміщення голкоподібного щупа, а згодом в електричний сигнал за допомогою індуктивних, взаємоіндуктивних чи ємнісних перетворювачів.

Рисунок - 2.1 Принципова схема ємнісного профілометра

Рис. 2.1 пояснює принцип дії вимірювача малих розмірів на основі ємнісного перетворювача, який є елементом LС-контуру кварцового генератора. Ємнісний перетворювач має нерухомий електрод 1, напилений на полірований скляний стержень 2, та рухомий електрод З, механічно з'єднаний з голкоподібним щупом 4, закріпленим в корпусі за допомогою плоских пружин 5. Ємнісний перетворювач за допомогою кабелю з'єднаний з кварцовим генератором, вихідна частота якого є функцією ємності між рухомим та нерухомим електродами. Частота та частота від опорного генератора частоти подаються на вхід змішувача, вихідна частота якого . Виміряна частотоміром частота відповідатиме значенню вимірюваного розміру.

Враховуючи, що

, (2.1

а при (2.2)

(2.3)

матимемо

. (2.4)

За наведеною схемою будуються мікрометри з порогом чутливості в частки мкм та діапазоном вимірювань 0,1....1 мм. Такий мікрометр може використовуватись для вимірювань параметрів шорсткості. Однак у цьому випадку можуть виникати значні похибки через деяку нелінійність в перетворенні реального профілю шорсткуватої поверхні в лінійне переміщення щупа. Виникають також похибки через відривання щупа в деяких точках профілю поверхні та внаслідок деформації (пружної та пластичної) досліджуваної поверхні під дією сили з боку щупа. Ці похибки визначаються зусиллям, що створюється щупом. Це зусилля загалом не є сталим і може змінюватись залежно від інерційності перетворювача, радіуса щупа, властивостей матеріалу та характеру профілю досліджуваної поверхні. В цьому відношенні пере­вагу має віброконтактний метод, оснований на перетворенні в елек­тричний сигнал коливань вібруючого щупа.

Віброконтактний метод дає змогу здійснювати вимірювання при незначних зусиллях щупа, який тільки періодично торкається досліджуваного об'єкта. Завдяки цьому можна використати тонкі щупи, що дає можливість вимірювати розміри деталей, що легко деформуються, а також об'єктів складної конфігурації.

Подібними за своєю конструкцією та вимірювальним колом є індуктивні мікрометри-профілометри, в яких вимірювальний щуп у своїй верхній частині має закріплений феритовий стержень, котрий при переміщенні штока змінює індуктивність вимірювальної котушки. Котушка, індуктивність якої є функцією вимірюваного переміщення x, становить частотно-залежний елемент LС-генератора. Якщо частота опорного генератора

, (2.5)

а частота вимірювального генератора

, (2.6)

то

. (2.7)

Мікрометри-профілометри з індуктивним первинним перетворювачем дають змогу вимірювати мікронерівності від 0,1 мкм, а верхня границя вимірювань становить звичайно декілька мм.

Здебільшого в приладо- та машинобудуванні необхідно вимірювати не саме значення розміру, яке може досягати десятків см і більше, а лише його відхилення від деякого заданого значення. Ці відхилення звичайно не перевищують часток мм, а отже, названі мікрометри можуть бути застосовані для цих потреб.

Для вимірювань розмірів у діапазоні часток міліметра до декількох сантиметрів застосовують штангенциркуль (рис. 2.2, а) з довгоходовим щупом 1 та ємнісним перетворювачем переміщень. Останній склада­ється з циліндричних зовнішнього 2 та внутрішнього 3 електродів і екрана 4 з електропровідного матеріалу, з'єднаного механічно з вимірю­вальним щупом. При переміщенні екрана ємність вимірювального конденсатора буде змінюватись пропорційно вимірюваному переміщенню. Для виключення впливу довкілля на результат вимірювань передбачений компенсуючий конденсатор, ємність С_k якого дорівнює ємності вимірювального конденсатора при x=0. Приклади електричних вимірювальних кіл такого штангенциркуля наведені на рис. 2.2, б, в.

Рисунок - 2.2 Ємнісний штангенциркуль та приклади його

вимірювальних кіл

Електрофізичні методи застосовують звичайно у вимірювачах товщини шару покриттів та тонких листових виробів.