Оптические методы и средства измерений.

Оптические средства позволяют преобразовать информацию, доставляемую видимым светом или излучением соседних длин волн (инфракрасных или ультрафиолетовых). Оптические методы основаны на использовании оптических средств извлечения измерительной информации об исследуемом объекте или на использовании оптического сигнала для кодирования измерительной информации. Представляют одновременно волновую и корпускулярную природу. В волновом аспекте – это электромагнитные колебания, излучаемые при электронных переходах в атомах источника с одного уровня на другой. Волны распространяются в вакууме со скоростью света. В веществе эта скорость меньше на величину отношения к показателю преломления. Важнейшие показатели – длина волны, частота. Световая монохроматическая волна создается взаимоортогональными и синусоидально изменяющимися во времени и пространстве электрическими и магнитными полями перпендикулярно направлению ее распространения. В корпускулярном аспекте свет рассматривают, когда речь идет о взаимодействии с веществом. Тип освобожденных световым излучением носителей заряда зависит от природы освещенного материала. Освобождение носителей под действием светового излучения наз фотоэлектрическим эффектом. На нем построено действие большинства оптических датчиков средств измерения. В зависимости от явлений, проходящих в освещенном объекте, фотоэффект проявляется в различных формах – внешний фотоэффект, различные виды внутреннего фотоэффекта.

На рисунке 1 изображены области оптического излучения. В качестве основных принципов светотехнических измерений, которые положены в основу измерения и построения средств измерения, величин оптического излучения, рассматривают физиологические и физические принципы. Физиологические принципы относятся к диапазону длин волн от 370 до 770 нм, то есть в соответствии с физиологическим распределением чувствительности глаза. Ввиду того, что сетчатка состоит из различных рецепторных элементов (колбочки для дневного зрения и палочки для ночного), спектральная чувствительность к длине волны излучения различна. Максимальная спектральная чувствительность глаза при дневном зрении соответствует длине волны в 555 нм, а спектральная чувствительность при сумеречном зрении составляет 507 нм (рисунок 2). Кроме чувствительности глаза в качестве физиологических принципов принимаются адаптация, цветовое ощущение, одновременный цветовой контраст.

Явление адаптации заключается в том, что различные отраженные поверхности, которые кажутся одинаково светлыми адаптированному к свету глазу различаются по яркости. Если она принимает значение ниже 3Кд/м² цветовое восприятие исчезает. Поверхности, окрашенные в цвета коротковолнового диапазона (зеленый, синий, фиолетовый), кажутся светлее, чем поверхности, окрашенные в цвета длинноволнового диапазона (желтый, оранжевый, красный). Критерием различимости светлого и темного является контрастная чувствительность. При наблюдении двух расположенных рядом полей, имеющих различные яркости они только тогда воспринимаются, когда их разность достигает пороговой величины.

В диапазоне 0,6-60*10³ Кд/м² значение контрастной чувствительности остается постоянным. инерция зрительного восприятия характерна тем, что глаз воспринимает кратковременные периодические импульсы или световые стимулы. При чередовании световых стимулов возникает мерцание. При частоте превышающей граничную (20Гц) возникает восприятие постоянной яркости, которое не меняется при дальнейшем возрастании частоты. Ощущение яркости – два одинаковых пучка, падающих на соседние участки сетчатки, вызывают различное ощущение яркости. Субъективно яркость наибольшая при центральном положении пучка. Она имеет тенденцию к уменьшению с увеличением расстояния от оси глаза. Цветовое ощущение – два одинаковых монохроматических пучка, падающие на соседние участки сетчатки, вызывают различные цветовые ощущения. Цветовые ощущения зависят от длины наблюдения. Одновременный цветовой контраст – контраст, который проявляется когда светлый объект на темном фоне кажется еще светлее, а один и тот же цвет имеет различные оттенки в зависимости от цвета окружающего его фона.

Визуальные средства измерения условно подразделяются на 2 группы по способу измерения: в пространстве предметов; в плоскости увеличенного изображения.

Отдельную группу составляют средства измерения по пространственному спектру объекта (по дифракционной картине).

1. Измерения в пространстве предметов. Сюда относятся микроскопы и компараторы. Измерительная шкала большой длины. По шкале производится отсчет при перемещении объекта или измерительного микроскопа с сеткой или маркой. Измерение производится по одной, двум или трем координатам.

1 – установочный микроскоп;

1 2 2 – измерительный микроскоп;

3 – объект измерения;

4 – шкала.

4

3

При измерении размеров на таких микроскопах для обеспечения точности принципиальную роль имеет соблюдение принципа Аббе: оси контролируемого объекта и измерительной шкалы должны лежать на одной прямой.

Горизонтальные компараторы предназначены для измерения линейных размеров методом сравнения с образцовой шкалой. Точность средств измерений зависит от параметров эталонной шкалы, условий наблюдения, способа наводки и типа измерительной марки. Точность существенно зависит также от увеличения микроскопа, остроты зрения, точности подачи. К приборам этой группы относятся: микроскопы и компараторы БМИ, микроскопы УИ (21,23,29), компараторы ИЗА (2,7,8). В современных исполнениях приборы автоматизированы и компьютеризированы. Кроме измерения линейных размеров визуальные оптические методы широко используются для измерений отклонений формы и взаимного расположения (измерение плоскостности).

2. Измерения в пространстве изображения. В плоскость измеряемого изображения вводится и штриховая мера.