Chương 2. Các nguyên lý chuyển đổi vμ khuếch đại
2.3. Chuyển đổi quang học
2.3.2. Các phương pháp khuếch đại quang
Các máy đo kết hợp đòn bẩy quang đều dựa trên nguyên tắc tự chuẩn ánh sáng mà nội dung của nó gồm 3 điểm chính sau:
• Khi chùm sáng đi từ nguồn S đặt tại tiêu điểm F của thấu kính tới gương phẳng đặt vuông góc với quang trục sẽ được phản xạ trở lại và hội tụ tại S' trùng S.
• Nếu nguồn S nằm trên tiêu điểm của thấu kính và lệch quang trục một đoạn SF = b thì chùm phản xạ sẽ hội tụ trên tiêu diện và đối xứng S: S'F=b.
• Nếu nguồn S nằm trên tiêu điểm F của thấu kính. Khi ta xoay g−ơng phản xạ đi một góc α thì chùm phản xạ sẽ hội tụ tại S' cách F đoạn t=f.tg2α và góc của tia tới và tia phản xạ lệch nhau 2α.
Đại biểu cho loại máy ứng dụng nguyên tắc này là Micrôliúc, ốptimét, ốptimét siêu cấp... Trên Hình 2-25 là sơ đồ của micrôliúc.
Nguyên tắc làm việc của máy nh− sau: Khi đo trục đo di động với chuyển dịch Δs sẽ làm đòn bẩy quay đi góc α, gương phẳng 4 được gắn cứng với hệ thống đòn cũng sẽ xoay đi góc ϕ . Vạch chỉ thị khắc trên kính chuẩn 2 đ−ợc vật kính 3 tạo ảnh trên màn ảnh 5. Khi g−ơng phẳng xoay đi góc ϕ sẽ làm tia phản xạ lệch đi góc 2ϕ và làm vạch chỉ thị dịch đi trên bảng chia đoạn t = f.tg2ϕ = r4. 2ϕ.
r4
b) 1
2
3
4 5
7 6
r1 r2
ϕ r3 S
t S
a)
ϕ 2ϕ
S- Nguồn sáng 1 - Tô quang 2- KÝnh chuÈn 3- VËt kÝnh 4- G−ơng quay 6- Đòn cong 7- Đòn bẩy
5- Màn (bảng chia) (b) ảnh bản chia
Hình 2-25. Sơ đồ khuếch đại của micrôliúc.
s K t
= Δ Hệ số khuếch đại đòn - quang là:
Trong đó Δs là dịch chuyển đầu đo : ϕ ϕ rtg
r tg r r r
S r 3
2 1 3
2
1 × ≈ ×
= Δ
3 2 1 4
r r r r × K = 2 =
Th−ờng dùng K =1000x với phạn vi A=±0,08mm. Ng−ời ta không dùng phạm vi đo lớn hơn vì khi α tăng thì sai số sơ đồ sẽ tăng nhanh.
Hình 2-26a là sơ đồ ốp ti mét, loại đầu đo quang có độ chính xác khá cao và
đ−ợc dùng phổ biến. Đầu đo đ−ợc chế tạo riêng, có thể lắp lẫn dùng đo chiều dài theo chiều đứng hoặc ngang.
Theo nguyên tắc tự chuẩn ánh sáng, khi trục đo di chuyển Δs g−ơng phẳng số 2 bị quay đi góc α tia phản xạ sẽ quay đi góc 2α - điểm hội tụ (ảnh nguồn sáng) sẽ dịch đi khoảng t = f.tg2α. Người ta bố trí nguồn sáng như Hình 2-26b. Trên đó có kính chuẩn số 4 một nửa trên khắc bảng chia, nửa d−ới khắc vạch chỉ thị. Chắn sáng 3 sẽ làm cho nguồn 5 chỉ chiếu sáng nửa trên bảng chia, coi nh− ở đó có nguồn S1 phát sáng. S1 nằm trên tiêu diện của thấu kính. Theo nguyên tắc tự chuẩn
ảnh của nó sẽ là S1 đối xứng qua x-x. Bảng chia được tạo ảnh xuống nửa dưới của kính chuẩn. Khi gương quay đi góc α như Hình 2-26c ảnh sẽ dịch đến làm cho ảnh bảng chia dịch đi một đoạn t = f.tg2α. Hệ số khuếch đại tính bằng:
'
S1 S1"
α α tg a
tg f S K t
. 2
= .
= Δ
a f Khi α nhá (Δs bÐ) tgα ≈α ta cã K = 2
S
a f t
1
2 2
4 3
4
y TK
y
y
x
f S S
x Xd
S S'
S Z S"' a)
b)
c) S
α 90°
2α
2α x
2
1
1
1 1 α
x
y
Hình 2-26. Sơ đồ nguyên lý khuếch đại của ốptimét.
Trong các máy đo áp dụng nguyên tắc tự chuẩn ánh sáng ng−ời ta tăng số khuếch đại bằng cách cho tia sáng phản xạ nhiều lần giữa hai mặt phản xạ (gọi là nhân quang) thì góc lệch của tia phản xạ ló và tia tới sẽ rất lớn:
δ = 2n.α Trong đó:
δ là góc của tia tới và tia ló.
n- số lần phản xạ.
α - Góc lệch của g−ơng quay.
Đó là nguyên tắc làm việc của ốptimét siêu cấp th−ờng thì chỉ dùng n = 2 (xem H×nh 2-27).
ánh sáng từ nguồn S, qua tụ quang 1, chiếu sáng bảng chia số 2 - qua vật kính 3 chùm sáng song song đ−ợc phản xạ 3 lần trên hai mặt phản xạ số 4 và số 6, qua 3 và 7 băng chia đ−ợc tạo ảnh lên kính chuẩn số 8, trên đó có khắc vạch chuẩn. Qua thị kính 9 ta nhìn thấy ảnh bảng chia và vật chỉ thị là vạch chuẩn trên kÝnh chuÈn sè 8.
Hình 2-27. Sơ đồ của ốptimét siêu cấp với n=2.
α 2α 2α
1 S
2
3
5 6
7 8 9
0
4 a
f1
f
Khi trục đo số 5 di chuyển ΔS, g−ơng phản xạ 4 sẽ quay đi góc α, tia phản xạ sẽ lệch đi một góc 4α và ảnh của bảng chia trên kính chuẩn 8 sẽ dịch đi một
đoạn t = f2.tg4α. Hệ số khuếch đại tính tương tự như ốp ti mét:
a f tg
a tg f s
K t 2 4 2
.
4 ≈
= ×
= Δ
α
α
Th−ờng có thể dùng K = 284 5
355
4x =
lần. Với hệ số phóng đại của thị kính ΓTK = 18x ta có tỷ số truyền tổng cộng (hệ số khuếch đại toàn máy):
K = 284 ×18 = 5112; th−êng K = 5000.
Hành trình máy càng lớn (Δs lớn) góc α càng lớn sai số chỉ thị của máy càng tăng. Qui định ΔCT= ±0,15μm với Δs = 0 ữ ±40μm và ΔCT <±0,25μm với Δs=0÷ ±80μm.
b. Ph−ơng pháp chiếu hình
Hình 2-28 là sơ đồ nguyên tắc bộ phận quang của các máy loại chiếu hình.
Khi hệ quang đ−ợc chiếu sáng, nhờ hệ quang mà chi tiết đo y đ−ợc tạo ảnh và khuếch đại thành y' ở trên màn ảnh. Đo biến thiên của ảnh có thể xác định đ−ợc biến thiên kích th−ớc chi tiết.
f2
t
S
Chi tiết y đ−ợc đặt giữa tụ quang và vật kính, ta nhận đ−ợc ảnh thực trái chiều của y là y' ở trên màn M, hệ số khuếch đại ảnh là:
S S y y' '
= β =
Độ khuếch đại của máy phụ thuộc cả vào khoảng cách của người quan sát tới màn ảnh.
qs L
= 250 Γ
Trong đó: 250mm là khoảng nhìn bình thường.
L là khoảng cách từ người quan sát đến màn ảnh.
Độ khuếch đại chung của máy là: ΓC = βìΓqs NÕu L = 250 th× Γ = β.
Th−ờng Γ = 10, 20, 50, 100 và 200x ngoài ra trong máy chiếu th−ờng còn thay đổi đ−ợc độ khuếch đại bằng các vật kính thay thế.
H'
S
K
H M
F' y' y F
-x -f
-s s'
f' x'
Hình 2-28. Nguyên lý quang của các máy chiếu hình.
ảnh chi tiết trên màn ảnh có thể được xác định bằng các phương pháp sau:
• So sánh trực tiếp ảnh của chi tiết với bản vẽ thiết kế có vẽ cả phạm vi dung sai. Nếu kích th−ớc ảnh nằm trong vùng dung sai của bản vẽ thiết kế thì kích thước xem là đạt yêu cầu. Tất nhiên bản vẽ thiết kế phải có cùng hệ số khuếch đại với máy chiếu hình.
• So sánh với bản vẽ thiết kế. Sai lệch giữa ảnh và bản vẽ có thể xác
định đ−ợc nhờ các cơ cấu đọc số khi di chuyển bản chi tiết để ảnh và bản vẽ trùng lại.
• Xác định kích thước chi tiết bằng cách đo ảnh của nó hiện trên màn
ảnh bằng th−ớc thuỷ tinh hoặc th−ớc kim loại. Cũng bằng cách này người ta có thể kiểm tra lại độ khuếch đại thực của máy chế tạo.
c. Ph−ơng pháp giao thoa
Phần các chuyển đổi đã trình bày nguyên tắc ứng dụng hiện t−ợng giao thoa qua bản mỏng vào đo lường kích thước. Dưới đây sẽ nêu một số sơ đồ nguyên tắc ứng dụng.
Hình 2-29 là sơ đồ máy giao thoa đòn cấu tạo bằng cách kết hợp một bộ truyền đòn (có tỷ số truyền nhỏ hơn 1) và chuyển đổi quang.
δ
1 2 3
4
S2 S1
S1 S2
l
L
Hình 2-29. Sơ đồ khuếch đại của máy giao thoa.
Máy gồm có tấm kính cố định 4, tấm kính động 3 gắn trên đòn bẩy số 2.
Khi trục đo di chuyển một l−ợng δ làm đòn bẩy 2 quay đi một góc β làm thay đổi góc nêm α giữa 2 tấm kính 3 và 4 - do đó khoảng vân b =
α λ
2 sẽ thay đổi làm thay đổi độ mau th−a của ảnh giao thoa trên tiết diện quan sát. Đếm số vân khi
điều chỉnh với kích th−ớc mẫu và kích th−ớc kiểm tra có thể suy ra biến thiên kÝch th−íc δ.
)2 ( 1 2 λ
δ n n
L
l −
=
Trong đó: n1 - số vân ứng với điều chỉnh kích thước mẫu;
n2- Số vân ứng với chi tiết kiểm tra;
l- chiều dài tiết diện quan sát ảnh giao thoa.
Hình 2-30 là sơ đồ kính hiển vi giao thoa Maikenxơn dùng đo những độ dài rất chính xác nh− mẫu góc, mẫu chuẩn, mẫu đo.
ở đây, 2 g−ơng phản xạ M1 và M2 đ−ợc bố trí sao cho ảnh của M2 là R phải song song với M1 và cách M1 một khoảng t bé. Dùng nguồn đơn sắc, trong ống hòm 0 ta sẽ quan sát đ−ợc các vân giao thoa cùng độ nghiêng có dạng vòng tròn
đồng tâm. Khi điều chỉnh M2 cho R dịch dần lại M1 thì các vân tròn sẽ thu hẹp dần và mất hút ở tâm. Cứ mỗi vân biến đi sẽ ứng với một biến thiên chiều dày t=2
λ. Nếu ta xoay M1 tạo với R một góc nhỏ, ở ống nhòm 0 sẽ quan sát đ−ợc các vân giao thoa cùng độ dày.
M
R A A'
S
0 M
Hình 2-30. Sơ đồ kính hiển vi giao thoa Maikenxơn.
Trong khi đo chiều dài mẫu L ta để chi tiết vào vị trí của M1(một nửa). Di chuyển M2 cho R cắt mặt A của chi tiết, khi dùng ánh sáng trắng ta sẽ thấy tại nơi 2 mặt cắt nhau (cạnh nêm không khí) xuất hiện vân đen. Ta chỉnh cho vân đen trùng vạch chuẩn. Sau đó tắt ánh sáng trắng và bật nguồn đỏ da cam, quan sát các vân cùng độ nghiêng. Di chuyển M2 cho R tiến về phía A’ và tạo với A’ góc nhỏ.
Đến mức lại có vân tối xuất hiện và trùng vạch chuẩn (A x R) của kính ngắm, ta đếm đ−ợc số vân cùng độ nghiêng mà khoảng cách AA’ là
2
λ và do đó
có thể suy ra khoảng cách AA' = 2 mλ . t
1
2
G1
G2
1 2
3
4 5
6 8 9
M2
10 13
11 12
M1
14 15 16
7
Hình 2-31. Sơ đồ kính hiển vi đo độ nhám.
Cũng trên nguyên tắc này người ta thiết kế ra các loại kính hiển vi đo độ nhám nh− sơ đồ Hình 2-31.
Trong đó mặt phản xạ M2 là mặt chi tiết cần kiểm tra độ nhám, M1 là mặt phản xạ mẫu. M1 và M2 đ−ợc bố trí sao cho ảnh của M1 và M2 tạo với nhau một góc nhỏ, qua thị kính 17 quan sát đ−ợc ảnh giao thoa có các vân nhấp nhô theo dạng nhấp nhô
bề mặt (phần chuyển đổi đã trình bày). Trên thị kính có panme đo ta đo đ−ợc độ cong của các vân và khoảng cách giữa các vân. Chiều cao nhấp nhô thực tế là:
2 xλ b Rz = a
Trong đó: RZ chiều cao nhấp nhô tính theo μm a độ cong của vân.
b- khoảng vân.