Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

“ Согласовано”

Директор ВНИИМС

Асташенков А.И.

“ ___ “ __________ “

“ Утверждаю”

Проректор по

научной работе

проф. Кожитов Л.В.

“ ___ “ __________ “

Методика контроля отклонения от плоскостности пластин

МОСКВА, 2000

Настоящая методика предназначена для контроля отклонения от плоскостности поверхности стеклянных пластин по ГОСТ 2923-75, а также пластин с зеркально отраженной поверхностью из других материалов с диаметром не менее 8 мм. и отклонением от плоскостности от 0,1 до 0,5 интерференционной полосы с применением интерферометра, построенного по схеме Физо.

1. Нормы погрешности измерений

Погрешность измерений по данной методике должна соответствовать паспорту на прибор и свидетельству о его поверке:

1. При исключенной систематической погрешности случайная погрешность результата из п = 10 измерений при доверительной вероятности р = 0,95 составляет не более, интерференционных полос..………………………………………………………………………. 0,02

2. Систематическая погрешность интерферометра, интерференционных полос………..0,05

2. Средства измерений и вспомогательные устройства

При выполнении измерений применяется интерферометр, предназначенный для бесконтактного контроля отклонения от плоскостности поверхности пластин диаметром до 120 мм.

Оптическая часть интерферометра выполнена по схеме Физо, рис.1

В качестве источника монохроматического света могут служить гелий-неоновый оптический квантовый генератор с длиной волны лазерного излучения = 0,632 мкм. или газоразрядная спектральная ртутная лампа с используемой длиной волны излучения = 0,546 мкм.

Свет от источника излучения 1, через конденсор 2, зеркало 3 и сменный интерференционный фильтр 4 ( используется для выделения полосы излучения ртутной лампы с длиной волны = 0,546 мкм.) попадает на диафрагму 5, которая является точечным источником света, расположенным в фокусе объектива 10.

Выходящий из объектива параллельный пучок света проходит через образцовую пластину 11, класса 1, диаметром 120 мм, имеющую скос 1,5 на верхней нерабочей поверхности, воздушный клиновидный зазор, образованный рабочими поверхностями пластин образцовой 11 и контролируемой 12 и падает на нижнюю нерабочую поверхность пластины 12. Отраженные от трех указанных поверхностей лучи идут в обратном направлении и полупрозрачным зеркалом 9 вводятся в объектив 6 (или 7 ), который строит три изображения входной диафрагмы 5, т.е. три выходных зрачка оптической системы интерферометра. Лучи, отраженные от верхней поверхности пластины 11, благодаря скосу, убираются из общего отраженного пучка. Объектив 6 с обозначенным на барабане коэффициентом увеличения 1,2x обеспечивает поле зрения диаметром 90 мм. Объектив 7, обозначенный 0,84х обеспечивает поле зрением диаметром 125 мм.

Для получения интерференционной картины в воздушном клиновидном зазоре нужно совместить интерферирующие пучки, отраженные от рабочих поверхностей пластин 11 и 12, что достигается совмещением соответствующих выходных зрачков.

В приборе предусмотрен предметный столик, на котором располагается контролируемая пластина 12. Столик может перемещаться в вертикальном направлении, регулируя величину воздушного зазора, а также наклонятся вокруг двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей с помощью регулировочных винтов. Наклоны столика, а следовательно и рабочей поверхности пластины 12 необходимы для совмещения выходных зрачков интерферометра и таким образом получения интерференционной картины, а также для изменения положения ребра и величины угла клиновидного зазора для регулировки наклона и ширины полос в интерференционной картине. В случае идеально плоских поверхностей, образующих клиновидный воздушный зазор, в поле зрения прибора наблюдается интерференционная картина прямолинейных полос равной толщины, параллельных ребру воздушного клина. Если одна или обе из этих поверхностей имеют отклонения от плоскостности, то интерференционные полосы искривляются.

Отклонение N от плоскостности определяется отношением искривления а полосы к ее ширине b, т.е. N = a / b полос. Измерение элементов интерференционной картины ( а и b ) производится окулярным микрометром 8.

3. Метод измерений

Сущность метода измерений

Определение величины отклонения от плоскостности контролируемой поверхности производится бесконтактным интерференционным методом на интерферометре типа Физо путем сравнения этой поверхности с образцовой поверхностью интерферометра. В полученной интерференционной картине измеряют ее элементы: искривление а и ширину полос b и по их отношению определяют параметр отклонения от плоскостности N = a / b полос.

При оценке результатов измерений учитывается систематическая погрешность интерферометра возникающая вследствие отклонения от плоскостности образцовой поверхности сравнения и остаточных аберраций оптической системы прибора.

Схема оптическая

1 - источник излучения, 2 - конденсор, 3 - зеркало, 4 - сменные фильтры, 5 - диафрагма, 6,7 - сменные объективы, 8 - окулярный микрометр, 9 - полупрозрачное зеркало, 10 - объектив, 11 - пластина образцовая со скосом, 12 - пластина поверяемая.

рис.1

4. Требования безопасности, охраны окружающей среды

При выполнении измерений отклонения от плоскостности рабочих поверхностей пластин соблюдают следующие требования:

Корпус интерферометра должен быть надежно заземлен.

Запрещается работать на интерферометре при открытых крышках.

Замену источников излучения производить при отключенном от сети интерферометре.

Интерферометр не должен подвергаться механическим воздействиям, влияющим на стабильность интерференционной картины. Видимое смещение интерференционной картины не допускается.

5. Требования к квалификации операторов

При выполнении измерений на интерферометрах, построенных по схеме Физо, и обработке результатов измерений допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие специальное обучение и имеющие соответствующую квалификационную группу по электробезопасности и знакомые с правилами эксплуатации интерферометра.

6.Условия измерений

При выполнении измерений, согласно ГОСТ 8.215-76, соблюдают следующие условия:

Температура помещения, в котором проводят измерения, должна быть 203оС.

Скорость изменения температуры не должна превышать 0,5о в час.

Относительная влажность воздуха при 293 К (20о С),%………...65 15.

Атмосферное давление, кПа……………….…………………….100 4.

7. Подготовка к выполнению измерений

При подготовке к выполнению измерений, согласно техническому описанию на прибор, проводят следующие работы:

Контролируемые объекты должны быть выдержаны не менее 10 часов в помещении, где проводят измерения

Рабочие поверхности образцовой пластины интерферометра и контролируемых объектов промывают с помощью фланелевой салфетки, смоченной в спирте (ГОСТ 18300-87) и протирают чистой салфеткой хлопчатобумажной или батистовой (ГОСТ-29298-92). Для удаления пылинок рабочие поверхности обдувают распылителем.

После выполнения п. 7.2. образцовую пластину со скосом устанавливают в интерферометр и перед измерениями выдерживают ее в приборе 60 мин. со включенным источником света.

Контролируемые объекты устанавливают на столик интерферометра рабочей поверхностью вверх.

Время выдержки перед измерениями на рабочем месте для объектов с диаметром до 80 мм не менее 30 минут, с диаметром до 100 мм не менее 40 мин, с диаметром до 120 мм. не менее 60 мин.

8. Выполнение измерений

При выполнении измерений выполняют следующие операции:

Столик интерферометра приводят в нижнее положение и на него устанавливают контролируемое изделие рабочей поверхностью кверху.

Столик поднимают до получения малого (порядка 0,5 мм) зазора между рабочими поверхностями пластин интерферометра и контролируемой.

С помощью регулировочных винтов столика совмещают выходные зрачки в пучках отраженных от сравниваемых поверхностей и получают интерференционную картину.

Этими же регулировочными винтами устанавливают пять-шесть полос в поле зрения прибора таким образом, чтобы направление полос было перпендикулярно выбранному диаметральному направлению, например, I-I, рис.2 и чтобы одна из интерференционных полос проходила через центр пластин (на боковой стороне контролируемой пластины отмечают направление диаметра).

Одну из нитей АВ перекрестия окулярного микрометра располагают таким образом, чтобы она проходила через середину концов центральной полосы.

С помощью окулярного микрометра измеряют изгиб а и ширину b интерференционной полосы (рис.2) в делениях шкалы окулярного микрометра и вычисляют отклонение от плоскостности.

стеклянный пластина отклонение плоскостность

Интерференционная картина для нахождения общего отклонения от плоскостности

рис. 2

Выполняют 10 подобных измерений и вычисляют среднее отклонение от плоскостности NI-I в направлении 1-1 контролируемой поверхности.

Отклонение от плоскостности N определяют по формуле

(1)

Где - среднее арифметическое значение изгиба интерференционной полосы в делениях шкалы отсчетного устройства;

(2)

- среднее арифметическое значение ширины интерференционной полосы в делениях шкалы отсчетного устройства.

(3)

Подобным же образом определяют отклонение от плоскостности во втором направлении II - II ( см. рис.2), перпендикулярном направлению I-I, установив интерференционные полосы перпендикулярно направлению II-II.

Знак отклонения от плоскостности, плюс (если “бугор”) или минус (если “яма”), определяют по расположению интерференционных полос относительно ребра клиновидного воздушного зазора.

Если при измерении отклонения от плоскостности в направлении I-I выпуклость интерференционных полос направлена в сторону ребра воздушного клина, то контролируемая поверхность вогнутая ( знак минус); если в противоположную сторону, то выпуклая ( знак плюс).

При измерении отклонения от плоскостности в направлении II-II знаки меняются на обратные.

Положение ребра воздушного клина определяется по расширению или сужению интерференционных полос при легком нажатии на края А,В при измерении в направлении I-I или на края С,D при измерении в направлении II-II. Ребро воздушного клина располагается в месте нажима, если нажимать на край верхней образцовой пластины снизу вверх или на край контролируемой поверхности сверху вниз. Если при этом полосы сужаются, то ребро клина расположено в стороне, противоположной от места нажима.

Если нажимать на край верхней образцовой пластины сверху вниз или на край контролируемой поверхности снизу вверх и при этом полосы расширяются, то ребро воздушного клина располагается в противоположной стороне от места нажима; если полосы сужаются, ребро клина расположено в месте нажима.

Одновременно в каждом из диаметральных направлений определяют местное отклонение от плоскостности.N (рис.3)

Интерференционная картина для нахождения местного отклонения от плоскостности

рис.3

Одну из нитей АВ перекрестия отсчетного устройства располагают так, чтобы она проходила через середину концов центральной интерференционной (темной) полосы и измеряют местный изгиб полосы.

Местное отклонение от плоскостности определяют по формуле

N = (4)

Где - местный изгиб полосы ( среднее значение);

- ширина полосы ( среднее значение).

9. Обработка результатов измерений

Обработку результатов измерений выполняют согласно(8) и ГОСТ 8.207-76.

По результатам измерений в каждом направлении ( I-I и II-II) вычисляют средние значения параметра отклонения от плоскостности:

и (5)

Из полученных в п.9.1. результатов исключают систематическую погрешность интерферометра, указанную в свидетельстве о поверке прибора.

и (6)

Большая по абсолютному значению величина параметров или указывает направление I-I или II-II, результаты измерений в котором характеризуют отклонение от плоскостности контролируемой поверхности.

Для измерений параметров отклонения от плоскостности в направлении I-I вычисляют среднее квадратическое отклонение результата:

(7)

Вычисляют случайную погрешность I-I результата измерений в направлении I-I.

(8)

где t = 2,26 - коэффициент Стьюдента при п =10 и р = 0,9.

Записывают результат измерения отклонения от плоскостности N контролируемого объекта

(9)

или в микрометрах:

(10)

где - длина волны источника света.

Если диаметр D2 контролируемой поверхности меньше диаметра D1 образцовой пластины интерферометра, а также, если длина волны 1 источника света, используемого при поверке интерферометра, не равна длине волны 2 источника света, использованного при эксплуатации прибора, следует при введении поправки в результаты измерений приводить систематическую погрешность к условиям измерений в соответствии с п.10.1 и п.10.2.

При измерениях объектов с малыми отклонениями от плоскостности ( порядка 0,1 - 0,2 полосы) следует уточнить случайную погрешность в соответствии с п.10.3.

10. Контроль точности результатов измерений

При оценке величины систематической погрешности результата измерений с введением поправки следует привести систематическую погрешность к условиям измерений, а именно:

Если диаметры образцовой поверхности сравнения D1 интерферометра и контролируемой поверхности D2 не равны (D1 D2), то систематическая погрешность, приведенная к диаметру D2 контролируемой поверхности определяется выражением:

(11)

где - систематическая погрешность интерферометра, указанная в свидетельстве о его поверке.

Если длина волны 1 источника света, применяемого при поверке прибора отличается от длины волны 2 источника света, применяемого при измерении контролируемой поверхности, то систематическую погрешность интерферометра следует привести к условиям измерения согласно выражению:

2 прив = (12)

где - систематическая погрешность интерферометра указанная в свидетельстве о его поверке при длине волны 1.

К случайным погрешностям измерения отклонения от плоскостности помимо погрешности I-I следует отнести погрешность определения систематической погрешности , возникающей при поверке интерферометра, а также погрешноность 0 аттестации образцовой меры ОМП, по которой поверяют интерферометр.

Погрешность 0,005 полос и 0 0,002 полос.

Погрешностью 0 можно пренебречь ввиду ее малости, а погрешность следует учитывать, особенно при измерении объектов с малым отклонением от плоскостности.

Таким образом случайную погрешность измерения следует определять согласно выражению

(13)

11. Оформление результатов измерений

Результаты наблюдений оформляются записью в журнале по форме, представленной в Приложении А с обязательным указанием даты измерений, условий окружающей среды, диаметра контролируемой поверхности, длин волн измерений, применяемых при поверке и при эксплуатации интерферометра.

Результаты измерений и их обработки выдают в виде протокола, подписанного лицом, проводившим измерения, а при необходимости руководителем лаборатории, по форме, представленной в приложении B.

Методику разработали: / Н.С. Козлова /

/ Ж.А. Плохих /

Библиография

ГОСТ 2923 - 75. Плоские стеклянные пластины для интерференционных измерений.

ГОСТ 5.1784 - 73. Плоские стеклянные пластины для интерференционных измерений.

ГОСТ 18300 - 87. Спирт этиловый ректификационный технический. Технические условия.

ГОСТ 29298 - 92. Ткани хлопчатобумажные и смешанные байковые. Общие технические условия.

ГОСТ 8.215 - 76. Пластины плоские стеклянные для интерференционных измерений. Методы и средства поверки.

ГОСТ 8.207 - 76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.

ГОСТ Р 8.563 - 96. Государственная система обеспечения единства измерений. Методики выполнения измерений.

М.Н. Селиванов, А.Э. Фридман, Ж.Ф. Кудрявцева “Качество измерений” - Метрологическая справочная книга, Лениздат 1987 г.

Приложение А

Пример записи и обработки результатов измерений отклонения от плоскостности пластин

1 Исходные данные

1.1 Интерферометр типа __________ №_______________

1.2 Температура в начале измерений, tн,оС____________

1.3 Температура в конце измерений, tк, оС_____________

1.4 Источник излучений ЛГН-203, =0,63 мкм

1.5 Диаметр пластины, мм ___100______

Таблица А1

Направление I-I

	Отсчет по барабану окулярного микрометра в делениях	а= А3 - А2 делений	2в= А4- А1 Делений	Ni = ai/bi	Nизм = аср/вср полосы
	А1	А2	А3	А4			0,12 0,11 0,12 0,13 0,12 0,10 0,10 0,12 0,09 0,11	0,11
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	286,5 286,0 288,0 288,0 291,5 291,0 293,0 290,0 292,0 289,0	465,5 467,0 467,0 466,0 468,5 469,0 467,5 469,0 468,0 467,5	487,0 486,5 489,0 489,0 489,0 487,0 485,0 490,0 484,5 487,0	645,5 647,5 646,5 646,0 646,5 646,0 647,0 646,5 644,5 644,0	21,5 19,5 22,0 23,0 20,5 18,0 17,5 21,0 16,5 19,5	360,0 361,5 356,5 356,0 355,0 354,0 354,0 358,0 352,5 355,0

Среднее = 19 = 356,4 = + 0,11

Направление II-II

	Отсчет по барабану окулярного микрометра в делениях	а= А3 - А2 делений	2в= А4- А1 Делений	Ni = ai/bi	Nизм= аср/вср полосы
	А1	А2	А3	А4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	346,6 346,0 345,5 345,0 345,5 344,0 342,5 341,5 344,5 342,5	435,5 437,0 437,0 436,5 437,0 438,5 436,0 437,5 434,0 436,0	455,5 456,5 457,5 456,0 456,5 457,0 455,0 458,0 456,5 458,0	748,5 746,5 747,5 748,0 747,0 746,5 745,0 744,0 746,0 744,5	20,0 18,5 20,0 20,5 19,5 18,5 19,0 20,5 22,5 22,0	402,0 400,5 402,0 403,0 401,5 402,5 402,5 402,5 401,5 402,0	0,10 0,09 0,10 0,10 0,10 0,09 0,09 0,10 0,11 0,11	- 0,10

Среднее =20,1 = 402,0 = - 0,10

2. Количество наблюдаемых интерференционных полос в поле зрения

в направлении I-I ……………….5,

в направлении II-II ……………….5.

3. Знак отклонения от плоскостности

в направлении I-I ………………”+”, бугор,

в направлении II-II ………………”-”, яма.

4. Систематическая погрешность интерферометра, интерференционной полосы…..0,05

5. Приведенная к диаметру контролируемой пластины

систематическая погрешность, полос:

6. Исключаем приведенную систематическую погрешность прив из результатов измерений и с учетом знака отклонения оот плоскостности.

= 0,11 + (- 0,04) = 0,07.

= - 0,10 + (- 0,04) = - 0,14.

7. Отклонение от плоскостности определяется по наибольшему отклонению одного из диаметральных направлений с учетом систематической погрешности, т.е.

= - 0,14 полосы.

8. Среднее квадратическое отклонение случайной составляющей погрешности

результата измерения отклонения от плоскостности

SII-II = = +

+ = = 0,0023.

9. Случайная погрешность при р = 0,95 и n = 10, t = 2.26

II-II = = 0,0023 2,26 = 0,005 полосы.

10. Суммарная случайная погрешность с учетом = 0,005 полосы

= 0,005 1,44 = 0,007.

11. Таким образом, отклонение от плоскостности

= - 0,14 0,007 полосы, что в микрометрах составляет

= 0,044 0,002 мкм.

Дата ___________________

Подпись __________________

исполнителя

Приложение В

ПРОТОКОЛ

измерений отклонения от плоскостности пластин

№ _________

1.Исходные данные

1.1. Интерферометр типа _________________ №_________

1.2. Предприятие изготовитель _______________________

1.3. Год выпуска _________

1.4. Дата последней поверки _________________________

1.5. Температура окружающей среды:

в начале измерений _______________ , о С

в конце измерений ________________ , оС

1.6. Относительная влажность воздуха __________________, %

2. Характеристики исследуемого образца:

2.1.Материал ________________________________________

2.2.Размеры пластин ___________100___________________, мм

2.3. Источник излучения ЛГН-203, = 0,63 мкм.

2.4.Систематическая погрешность интерферометра, полос - 0,05

3. Количество наблюдаемых интерференционных полос в поле зрения

в направлении I-I ……………….5,

в направлении II-II ……………….5.

4. Знак отклонения от плоскостности

в направлении I-I ………………”+”, бугор,

в направлении II-II ………………”-”, яма.

Таблица В1

Направление I-I

	Отсчет по барабану окулярного микрометра в делениях	а= А3 - А2 делений	2в= А4- А1 делений	Ni = ai/bi	Nизм= аср/вср полосы
	А1	А2	А3	А4			0,12 0,11 0,12 0,13 0,12 0,10 0,10 0,12 0,09 0,11	0,11
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	286,5 286,0 288,0 288,0 291,5 291,0 293,0 290,0 292,0 289,0	465,5 467,0 467,0 466,0 468,5 469,0 467,5 469,0 468,0 467,5	487,0 486,5 489,0 489,0 489,0 487,0 485,0 490,0 484,5 487,0	645,5 647,5 646,5 646,0 646,5 646,0 647,0 646,5 644,5 644,0	21,5 19,5 22,0 23,0 20,5 18,0 17,5 21,0 16,5 19,5	360,0 361,5 356,5 356,0 355,0 354,0 354,0 357,0 352,5 355,0

Среднее =19,3 =356,4 = +0,11

Направление II-II

	Отсчет по барабану окулярного микрометра в делениях	а= А3 - А2 делений	2в= А4- А1 Делений	Ni = ai/bi	Nизм= аср/вср полосы	N, полосы	N, Мкм
	А1	А2	А3	А4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	346,6 346,0 345,5 345,0 345,5 344,0 342,5 341,5 344,5 342,5	435,5 437,0 437,0 436,5 437,0 438,5 436,0 437,5 434,0 436,0	455,5 456,5 457,5 456,0 456,5 457,0 455,0 458,0 456,5 458,0	748,5 746,5 747,5 748,0 747,0 746,5 745,0 744,0 746,0 744,5	20,0 18,5 20,0 20,5 19,5 18,5 19,0 20,5 22,5 22,0	402,0 400,5 402,0 403,0 401,5 402,5 402,5 402,5 401,5 402,0	0,10 0,09 0,10 0,10 0,10 0,09 0,09 0,10 0,11 0,11	- 0,10	- 0,14 0,007	- 0,044 0,002

Среднее =20,1 = 402,0 =-0,10

5. Приведенная к диаметру контролируемой пластины систематическая погрешность, полос:

6. Исключаем приведенную систематическую погрешность прив из результатов измерений и с учетом знака отклонения оот плоскостности.

= 0,11 + (- 0,04) = 0,07.

= - 0,10 + (- 0,04) = - 0,14.

7. Отклонение от плоскостности определяется по наибольшему отклонению одного из диаметральных направлений с учетом систематической погрешности, т.е.

= - 0,14 полосы.

8. Среднее квадратическое отклонение случайной составляющей погрешности

результата измерения отклонения от плоскостности

SII-II = = +

+ = = 0,0023.

9. Случайная погрешность при р = 0,95 и n = 10, t = 2.26

II-II = = 0,0023 2,26 = 0,005 полосы.

10. Суммарная случайная погрешность с учетом = 0,005 полосы

= 0,005 1,44 = 0,007.

11. Таким образом, отклонение от плоскостности

= - 0,14 0,007 полосы, что в микрометрах составляет

= 0,044 0,002 мкм.

Дата ____________________

Подпись ____________________

Исполнителя

Размещено на Allbest.ru

...