Способ определения геометрических размеров микропроволоки

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения геометрических параметров микропроволоки. Целью изобретения является повышение точности при расширении диапазона измеряемых размеров. В поле зрения оптического блока 5 наблюдают увеличенное изображение микропроволоки 1, затем включают звуковой генератор 4, возбуждают с помощью электровозбудителя 3 колебания исследуемого отрезка проволоки, плавно изменяют частоту звукового генератора 4 в заданном диапазоне возбуждающих частот, с помощью оптического блока 5 фиксируют моменты резонанса колебаний проволоки в условиях напряжений , близких к пределу упругости , определяют значение резонансной частоты с помощью частотомера, уменьшают натяжение микропроволоки 1 на фиксированную величину, вновь определяют значение резонансных частот и по величине сдвига резонансных частот судят о диаметре проволоки. Маюсимальная чувствительность к изменению диаметра микропроволоки наблюдается при значениях натяжения, близких к предельному. 3 ил. (Я

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК щ) G 01 H 13/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21-) 4707574/28 (22) 20.06,89 (46) 07.05,92, Бюл. М 17 (71) Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете им. Н,Г.Чернышевского (72) Д,А.Усанов, О.Н.Куренкова и А.В,Скрипаль (53) 534.081 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

11 344690, кл, G 01 В 17/00, 1967, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ МИКРОПРОВОЛОКИ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения геометрических параметров микропроволоки, Целью изобретения является повышение точности при расширении диапазона измеряемых размеров. В поле зрения оптического блока 5 наблю„„SU„„1732179 А 1

2 дают увеличенное изображение микропроволоки 1, затем включают звуковой генератор 4, возбуждают с помощью электровозбудителя 3. колебания ис-, следуемого отрезка проволоки, плавно изменяют частоту звукового генератора

4 в заланном диапазоне возбуждающих частот, с помощью оптического блока 5 фиксируют моменты резонанса колебаний проволоки в условиях напряжений, близких к пределу упругости, определяют значение резонансной частоты с помощью частотомера, уменьшают натяжение микропроволоки 1 на фиксированную величину, вновь определяют значение резонансных частот и по величине сдвига резонансных частот судят .о диаметре проволоки, Мак" симальная чувствительност.ь к изменению диаметра микропроволоки наблюдается при значениях натяжения, близких к предельному. 3 ил.

1732179

1О

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения геометрических размеров микропроволоки, Известен оптический способ контроля диаметра микропроволоки, который осуществляется следующим образом, Между источником монохроматического параллельного потока света и выпуклой сферической дифракционной решеткой устанавливают параллельно ее штрихам контролируемую микропроволоку, направляют поток света на дифракционную решетку, регистрируют отраженные от штрихов решетки равноотстоящие лучи и по количеству затененных лучей судят о диаметре микропроволоки.

Однако этот способ имеет ряд существенных недостатков — достоверность и точность контроля диаметра микропроволоки зависит от точной установки микропроволоки параллельно штрихам дифракционной решетки. Кроме того, определение диаметра по количеству затененных лучей вносит дополнительные погрешности, Известны также способ и устройство для бесконтактного измерения диаметра изделий в форме волокна .

В первом способе световой луч смещается на изделии параллельно самому себе практически перпендикулярно направлению излучения, Ро известной скорости перемещения луча и времени, в течение которого наблюдается перекрытие луча, рассчитывают диаметр изделия. Во втором способе парал- лельный световой пучок падает на датчик образов и между датчиком и источником излучения помещают объект, диаметр которого определяют по его тени, падающей на датчик, Точность определения диаметра в этбм случае определяется точностью совмещения фокуса коллиматорной линзы с положением источника излучения и расположением исследуемого объекта и датчика образов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения линейного веса движущейся нити, заключающийся в том, что нить располагают на двух опорах, в одной из которых возбуждают механические колебания, В качестве задатчика частоты колебаний опоры используют измеритель резонансных колебаний. Ппределяют частоту собственных колебаний нити, натянутой под действием силы F, и определяют линейный вес нити по частоте колебаний на выходе измерителя, Основным недостатком способа является низкая чувствительность, что не позволяет применять данный способ для измерения линейного веса нитей малого диаметра и тем более для определения геометрических размеров микропроволоки.

Целью изобретения является увеличение точности при расширении диапазона измерений, Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения геометрических размеров микропроволоки, заключающемуся в том, что закрепляют проволоку с возможностью изменений ее натяжения, возбуждают в ней колебания, осуществляют натяжение, микропроволоки до максимально допустимых значений, изменяют частоту колебаний, определяют резонансные частаты в условиях максимально допустимых натяжений, уменьшают натяжение микропроволоки на фиксированную величину, определяют резонансные часто-. ты после уменьшения натяжения микропроволоки и по величине сдвига резонансных частот определяют ее размеры, Нахождение резонансных частот в условиях максимально допустимых натяжений определяют высокую чувствительность и, соответственно, высокую точность определения геометрических размеров микропроволоки. Это связано с тем, что в области максимально допустимых натяжений, величина сдвига резонансной частоты значительно больше, чем в области малых натяжений при равной (фиксированной) величине изменения натяжения, Поэтому определение диаметра микропроволоки

<> по величине частотного сдвига в области максимальных натяжений осуществляется с большой точностью, Именно установление аномально высокой чувствительности к изменению диаметра при натяжениях, близких к предельным, позволяет достичь цель изобретения.

Экспериментально исследована зависимость величины сдвига резонансных частот от величи ны натяжения микропроволоки при одинаковых условиях возбуждения колебаний. Для иллюстрации приведены полученные исследуемого отрезка микропроволоки

1, осуществляют натяжение микропроволоки до максимально допустимых знаS чений плавно меняют частоту звуковоI го генератора 4 с помощью оптического устройства 5, например, по наблюдению изменения спекл-картин, фиксируют моменты резонанса колебаний проволоки в условиях напряжений, близких к пределу упругости, определяют значение резонансной частоты с помощью частотомера 6, Затем уменьшают натяжение проволоки на фиксированную величину, вновь определяют значение резонансных частот и по величине сдвига резонансных частот определяют геометрические размеры исследуемого отрезка проволоки, 20 Пример. Определяли диаметры микропроволок из различных сплавов и материалов. Исследуемые участки проволоки закреплялй, как описано выше, на рабочей поверхности электро2 возбудителя, выполненного в виде столбика пьезокерамических пластин

ЦТС-19, Частоты колебаний электровозбудителя задавали генератором низкочастотных сигналов ГЗ-36/1 и измеряли частотомером 43-33. Для наблюдения увеличенного изображения исследуемого участка проволоки использовали полуавтоматический теле, визионный микрометр УИЭ.РЛП ХШМ1,182, 003.10. Диапазон возбуждаемых час35 тот, задаваемых низкочастотным генератором,1500 Гц - 10 кГц. При одинаковых условиях возбуждения колебаний по сдвигу резонансных частот при изменении натяжения микропрово46 локи определялись диаметры нескольких образцов из различных материалов и сплавов, Диаметр микропроволоки может быть рассчитан иэ следующего выражения

Ц2 у(2

m з.

hF

D=a где m, m "2 F×

5 1 7321 7-9 зависимости сдвига резонансных частот для образцов микропроволоки из вольфрама D = 0,59 мм и сплава

Х20НВОВИ D = 0,025 мм. Полученная зависимость носит кусочно-Линейный характер, При экспериментальном исследовании зависимости частотного сдвига от величины натяжения микро проволоки пределы максимальных на)пряжений были ограничены разрывом микропроволоки, а минимальные значения величины натяжения определялись по исчезновению соответствующего резонанса при фиксированной амплитуде возбуждающих колебаний.

На фиг,1 и 2 приведены зависимости величины сдвига частот от натяжения на фиг,3 - схема устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство для определения размеров микропроволоки 1 содержит источник 2 света, электровозбудитель 3, . например, в виде пьезокерамического столбика, низкочастотный генератор

4 сигналов, оптическое устройство 5 для наблюдения увеличенного изображения микропроволоки, частотомер 6, Исследуемый отрезок микропроволоки 1 закреплен на рабочей поверхности электровозбудителя 3 с возможностью изменять натяжение проволоки, например, путем жесткого закрепления одного конца проволоки и шарнирного закрепления второго конца. В простейшем случае натяжение проволоки легко регулировать, подвешивая к шарнирно закрепленному концу грузы различного веса.

Исследуемый отрезок микропроволоки

1 расположен в поле зрения оптического устройства 5, с помощью которого наблюдают резонансы колебаний.

Источник 2 света может входить в опти ческое устройство или располагаться сбоку от исследуемого отрезка микропроволоки. 1. Рядом с электровозбудителем установлены звуковой генератор 4 и частотомер 6.

Способ-осуществляется следующим Я образом, Закрепляют микропроволоку с возможностью изменения ее натяжения, в поле зрения оптического устройства 5 наблюдают увеличенное изображение ., микропроволоки, затем включают звуковой генератор 4, возбуждают с помощью электровозбудителя 3 колебания, l — вес груза, определяющего натяжение проволоки при 2-м и 1-м измерениях резонансной частоты, - сдвиг резонансной частоты при изменении нагрузки от т до m Ä р, (2

= — — (-"-)

7. 17

К = 1, 2, 3...;

1 - длина образца микропроволоки, g - ускорение свободного падения;

p — плотность материала микропроволок, Данное выражение получено в результате решения уравнения изгибных колебаний проволоки, растянутой фик. сированным усилием.

В выражении присутствуют величины тп и m, определяющие осевое усилие, и формула приведена лишь для иллюстрации связи диаметра микропроволоки со сдвигом частоты, происходящим при изменении усилия, при этом само изменение усилия нет необходимости измерять каждый раз. Оно может быть один раз выбрано и определено, затем по сдвигу частоты при этом фиксированном усилии определяется диаметр (с использованием предварительно проведенной калибровки, например установления угла наклона ривой, приведенной на графиках (фиг, 1 и 2), По сдвигу, частоты был определен диаметр проволоки из вольфрама дли.ной 1 = 0,12 м при изменении нагрузки or 0,4 до 0,3 кг. Для резонансной частоты 3300 Гц (К = 3) сдвиг частоты равен 460 Гц, соответственно, диаметр проволоки 59,1 10 м. При определении gF с точностью 10 Гц относительная погрешность измерений

1,14, При изменении нагрузки от

0,38 до 0,34 кг точность определения диаметра на той же резонансной частоте падает до 5,253, Таким образом,наибольшая точность измерений достигается при нагрузках, близких к предельным, При изменении нагрузки на 0,01 кг в диапазоне 0,4

0,3 кг соответствующий сдвиг частоты растет от 40 до 48 Гц. Предлагаемым способом был опререлен диаметр проволок из сплава Х20Н80 ВИ ГОСТ 880377 при изменении нагрузки от 0,024 до

0,023 кг для одной проволоки (0,О25 кг - предельно допустимая нагрузка), Рля диаметра соответствующего участка проволоки длиной 1 =

0,12 м, равного 1,92 1О м, сдвиг частоты составлял 110 Гц„ для nposo"" локи (резонансная частота 5310 Гц, K = 4) при изменении предельной нагрузки от 0,037 до 0,036 кг сдвиг

32179 8

10 !

50 частоты составлял 50 Гц (соответствующая резонансная частота 5640 Гц при К = 4) при диаметре 36 ° 10 м.

Кроме того, была исследована зависимость сдвига резонансной частоты для образцов микропроволоки в различных ее участках при постоянном натяжении проволоки, Установлено, что максимальный сдвиг частоты равнялся 30 Гц при нагрузке 0,024 кг для проволоки диаметром 0,020 мм из сплава Х20Н80ВИ, что соответствует разности диаметров различных участков QD = 0,2 10 м, Причем макси-6 мальная чувствительность предлагаемого способа к изменению диаметра проволоки наблюдалась при значениях натяжения, близких к предельному.

При одинаковых условиях возбуждения и натяжения проволоки сдвиг частоты при изменении диаметра на 0„005 мм составлял 400 Гц для проволоки из сплава Х20Н80ВИ при нагрузке

0,025 кг °

С помощью предлагаемого способа можно определять изменения диаметра порядка 0,1 мкм, что позволяет контролировать изменение поперечного сечения проволоки, наличие неоднородностей и вкраплений микропроволок.

Определять геометрические размеры микропроволок из различных материалов и сплавов, диаметр которых превышает 1 MKM При изменении диаметра проволоки на 0,1 мкм наблюдаемый сдвиг резонансной частоты превышает

10 Гц.

Таким образом, предлагаемый способ превосходит известный по точности и чувствительности, так как позволяет определять диаметры микропроволок начиная с 1 мкм с максимальной по" грешностью не более 1,1-5,254. Кроме того, предлагаемый. способ отличается простотой реализации, При выводе изображения .на телеэкран применение способа резко повышает производительность определения геометричес- ких размеров микропроволок, формула изобретения

Способ определения геометрических размеров микропроволоки, заключающийся в том, что закрепляют проволоку с возможностью изменения ее натяжения, возбуждают в ней колебания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при расши9 1732179 1О рении диапазона измеряемых размеров жение микропроволоки на фиксированмикропроволоки, осуществляют натя- ную величину, определяют резонансные жение микропроволоки ро максимально частоты после уменьшения натяжения допустимых значений, изменяют частоту микропроволоки и по величине сдвига

5 колебании, определяют резонансные резонансных частот определяют ее частоты в условиях максимально до размеры. пустимых натяжений, уменьшают натяir кто

25 <

1732179

РЛ АФ с@у

oop

3vг. Р.

Составитель 0.Несова

Редактор В,Петраш Техред А,Кравчук КорректоР M Самборская

Заказ 1575 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Уясгород, ул. Гагарина, 101