Подготовка микроскопа к работе

Лабораторная работа № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛАССА ОБРАБОТКИ РАЗЛИЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ ДВОЙНОГО МИКРОСКОПА МИС-11

Оборудование: 1. Двойной микроскоп МИС-11.

2. Набор исследуемых образцов.

3. Осветитель.

Цель работы: Овладеть методикой определения класса чистоты исследуемой поверхности.

ТЕОРИЯ

В основе явления интерференции лежат волновые свойства света. Интерференционная картина - это результат сложения двух волн от когерентных источников, когда в одних местах наблюдается усиление света, а в других - ослабление, при этом колебания вектора лежат в одной плоскости.

Явление интерференции положено в основу принципа действия двойного микроскопа МИС-11. Двойной микроскоп МИС-11 предназначается для проверки качества наружных поверхностей деталей путем измерения высоты неровностей микропрофиля в пределах 0,8 - 40 мкм по методу академика В. П. Линника.

Общее увеличение прибора с окулярным

винтовым микрометром 88,158,269,517^Х

Линейное поле зрения 1,8; 1; 0,6; 0,3 мм

Цена деления шкалы барабана окулярного

винтового микрометра 0,01 мм

Пределы перемещения предметного столика в двух

взаимно-перепендикулярных направлениях 0 - 10 мм

Цена деления шкал барабанов

микрометрических винтов столика 0,01 мм

Источник света - лампа накаливания

Питание - через РНШ от сети переменного тока 95 В.

Принцип действия МИС-11

Двойной микроскоп представляет собой систему двух микроскопов - наблюдательного и проецирующего. Предметные точки объективов обоих микроскопов совмещены: оси микроскопов составляют 90°, причем биссектриса этого угла совпадает с нормалью к измеряемой поверхности.

Если освещенная щель S проецируется микроскопом на поверхность Р₁, имеющую ступеньку Р₂ высотой h (направление падения лучей показано стрелками), то изображение щели S займет на поверхности Р₁ положение S₁', на ступеньке Р₂ – положение S₂' (рис. 1,а).

а б

Рис. 1

В поле зрения наблюдательного микроскопа изображение щели будет подобно показанному на рис. 1,б. Величина b смещения изображения S₂" по отношению к изображению S₁" служит мерой высоты ступеньки h.

Принципиальная оптическая схема микроскопа показана на рис. 2а, где А₁ – проецирующий микроскоп; А₂ – наблюдательный микроскоп; 2 – угол 90° между осями микроскопов; Р₁ – измеряемая поверхность; О₁ и О₂ – объективы микроскопов (одинаковые); предметные точки объективов совпадают между собой и с измеряемой поверхностью Р₁; S – узкая освещенная щель, лежащая перпендикулярно к плоскости рисунка на оси А₁; К – окулярный микрометр. Лучи, отраженные от поверхностей Р₁ и Р₂ в точках S₁' и S₂', являются когерентными и, следовательно, при наложении будут давать интерференционную картину.

Nbsp;   а б

Рис. 2

Объектив О₁ создает изображение S₁' щели S на измеряемой поверхности Р₁ в виде узкой светящейся линии, перпендикулярной к плоскости рисунка. Объектив О₂ создает в плоскости окуляра К изображение S₁", а также узкого участка поверхности Р₁, на котором располагается изображение щели S₁'. Например, на измеряемой поверхности имеется ступенька Р₂ высотой h, часть пучка света, отраженная от поверхности ступеньки Р₂, кажется выходящей из светящейся линии S₂'. В поле зрения окулярного микрометра изображение S₂" сместится относительно изображения S₁" в плоскости рисунка на величину b (рис. 1 б).

b = N m, (1)

где b – расстояние между S₁¢¢ S₂¢¢ (рис. 1б);

m – расстояние между S₁¢ S₂¢ (рис. 2б);

N – увеличение объектива О₂.

Из рис. 2, б видно, что

Cos 45°= , (2)

откуда

b = N h. (3)

Величина b смещения изображения S пропорциональна высоте ступеньки h. Если на измеряемой поверхности имеются впадины или выступы, каждая неровность вызывает искривление изображения щели, пропорциональное величине неровности и соответствующее её направлению. При этом увеличение размеров (в плоскости окуляра) по глубине равно N , а вдоль профиля равно N (увеличению объектива микроскопа).

Таким образом, измерив высоту изображения профиля b поверхности, можно вычислить реальную высоту профиля по формуле:

h = . (4)

Пределы величин, измеряемых с помощью двойного микроскопа, ограничиваются, с одной стороны, его разрешающей силой, с другой - глубиной изображения микроскопа. Как известно, оба фактора обуславливаются, главным образом, апертурой применяемых объективов. Поэтому для применения различных высот неровностей следует пользоваться разными объективами.

Оптическая система прибора показана на рис. 3.

Рис. 3.

Лампа 1 через светофильтр 2 посредством конденсора освещает щель 4, которая находится в фокальной плоскости системы дополнительных линз 5 и изображается объективом 6 в его предметной плоскости, совмещаемой с измеряемой поверхностью. Объектив 7 с дополнительной линзой 8 дает изображение участка измеряемой поверхности и расположенного на нем изображения щели в плоскости сетки 9 окуляра 10.

Микроскоп имеет массивное основание 11 (рис. 4), на котором установлена колонка 12. На колонке с помощью подвижного кронштейна 13 укреплен держатель 14 тубусов: проектирующего микроскопа 15 и наблюдательного микроскопа 16. В нижнюю часть каждого тубуса ввинчиваются объективы 6 и 7.

В верхней части проектирующего микроскопа установлен патрон с лампой 1 (рис. 3), который при регулировке освещения можно передвигать и в нужном положении зажимать винтом 17 (рис. 4). Лампа осветителя питается через трансформатор, находящийся внутри прибора. Накал лампы регулируется ручкой 18. В верхней части наблюдательного микроскопа установлен окулярный винтовой микрометр для визуальных измерений.

Перемещая гайку 20 по резьбе колонки, можно установить держатель 14 тубусов вместе с микроскопами на любой высоте и в нужном положении закрепить винтом 21. Для фокусировки микроскопов на объект служат барашек 22 грубой подачи и барабан 23 микрометрического механизма.

Для установки и перемещения изучаемых объектов прибор имеет предметный столик 24, который вместе с объективом в двух взаимноперпендикулярных направлениях с помощью микрометрических винтов 25 поворачивается вокруг вертикальной оси и фокусируется стопорным винтом 26.

Для измерения поверхностей различных классов чистоты к прибору прилагаются пары сменных объективов: 6-7, 28, 29, 30. Все объективы рассчитаны на длину тубуса "бесконечность".

Подготовка микроскопа к работе

Перед началом измерения:

1. Поместите на столик микроскопа проверяемую деталь (образец №10). При этом измеряемая поверхность должна быть установлена параллельно плоскости столика, следы от обработки - параллельно плоскости, проходящие через оси микроскопов, т.е. перпендикулярно к изображению щели.

2. В тубусы проецирующего и наблюдательного микроскопов уже ввинчены объективы с F = 13,89 мм. Смена объективов производится только преподавателем или лаборантом.

3. Осветите измерительную поверхность внешним источником, осветителем ОТП. Вращая барашки 22 (рис. 4) грубой подачи и барабана 23 микрометрического механизма, наблюдательный микроскоп сфокусируйте так, чтобы резко изображенный участок поверхности оказался в середине поля зрения. Следить за тем, чтобы объективы не касались детали, что может привести к порче объективов.

Рис. 4

4. Щель S проецирующего микроскопа освещается лампой 1 (рис. 3) с помощью ручки 18. Для чего подайте на вход прибора напряжение 95 В через РНШ. Приведите винтом 32 (рис. 4) изображение щели в центр поля зрения наблюдательного микроскопа и с помощью гайки 33 сфокусируйте на измеряемую поверхность. Совместите винтом 32 резкий край изображения щели с участком резкого изображения поверхности (второй край изображения щели при работе с сильными объективами виден размытым). Если при этом нарушается фокусировка микроскопа на щель, восстановите её с помощью гайки 33. После этого снова точно совместите винтом 32 резкий край щели с участком резкого изображения поверхности.

Вид правильно установленного поля зрения показан на рис. 5

Рис. 5

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ

Определение класса чистоты исследуемой поверхности

Чистота поверхности характеризуется высотой неровностей R_z.

Микроскоп позволяет определить высоту неровностей R_z измерением с помощью окулярного микрометра.

Для определения класса чистоты поверхности по найденным величинам R_z следует пользоваться табл. 1.

Таблица 1

Обозначение класса чистоты	Высота неровностей Rz, мкм	Погрешность показаний
4	40-20
5	20-10
6	10-6,3
7	6,3-3,2
8	3,2-1,6

На рис.6,а и 6,б схематически изображен вид поля зрения наблюдательного микроскопа при измерении неровностей поверхностей. Здесь условно показано деформированное изображение щели с резким верхним краем. Направление перемещения нитей окулярного микроскопа отмечено стрелками.

а б

Рис. 6

Обработанная поверхность оценивается "классом чистоты", который, в свою очередь, характеризуется высотой неровностей R_z. Для определения величины R_z, соответствующей измеряемой поверхности, выбирают пять наибольших неровностей в пределах поля зрения микроскопа, измеряют высоту каждой из выбранных неровностей от вершины гребня до дна впадины и вычисляют среднее арифметическое значение этих высот.

R_z = , (5)

где h₁,h₂,…,h₅ – высоты соответствующих неровностей.

Высота измеряемой неровности определяется формулой (4).

Для определения высоты изображения b, соответствующего высоте h измеряемой неровности, горизонтальную нить окулярного микроскопа вращением барабана 35 (рис. 4) последовательно совместите сначала с верхним краем изображения неровности (рис. 6,а), а затем с нижним (рис. 6,б). При каждой наводке производите соответственно отсчеты по барабану 35 (рис. 4). Разность отсчетов дает величину (множитель обусловлен тем обстоятельством, что направление перемещения нитей и измеряемый отрезок составляет угол 45°).

Для определения величины N (увеличение объектива) следует пользоваться табл. 2.

Таблица 2

Фокусное расстояние объектива, мм	Увеличение объектива
25,0	5,9
13,9	10,5
8,2	17,9
4,3	34,5

Найденные величины b и N подставляют в формулу (6) для вычисления соответствующей высоты неровности h:

h = = = , (6)

где а – разность отсчетов по барабану окулярного микрометра;

N – увеличение объектива.

Вычислив по формуле (6) значение пяти наибольших высот неровностей, по формуле (5) определяют величину R_z и по табл. 1 определяют класс чистоты.

Выполнение работы

1. Подключите РНШ к микроскопу и подайте напряжение 95 В.

2. Подготовьте микроскоп к работе. После того, как преподаватель проверил готовность микроскопа, приступите к п.3

3. Выберите пять наибольших неровностей (рис. 6) .

4. В пределах поля зрения микроскопа с помощью винта 25 (рис. 4), cовместите нить окуляра 10 с первым верхним гребнем неровности (рис. 6,а). Зафиксируйте количество делений по барабану 35 (рис. 4). Результаты внесите в табл. 3.

5. Совместите нить окуляра 10 с первым дном впадины (рис. 6.б) и зафиксируйте количество делений по барабану 35. Результаты внесите в табл. 3.

Внимание: Перекрестие нити окуляра 10 с вершиной (впадиной) устанавливают точно на вершину (впадину), т.к. от этого зависит точность измерения.

6. Проведите подобные измерения ещё для 4-х выбранных неровностей. Результаты внесите в табл. 3.

7. Измерения п.п. 3, 6 повторите ещё два раза в других местах поверхности.

8. Определите величину а - разность отсчетов по барабану окулярного микрометра 35, полученных при последовательном совмещении нитей с вершиной и впадиной неровности. Для каждой неровности результат внесите в табл. 4.

9. Определите для данного объектива с F = 13,89 мм по табл. 2 увеличение объектива N. Результат внесите в табл. 4.

10. Вычислите высоту неровности по формуле: h = ,

где а – разность отсчетов по барабану окулярного микрометра, (а_в – а_н);

N – увеличение объектива.

11. По значениям высот пяти измеренных неровностей вычислите величину R_z по формуле:

R_z = ,

где h₁,h₂,…,h₅ - высоты соответствующих неровностей.

12. Аналогичные вычисления произведите для остальных 10-ти неровностей, результаты внесите в табл. 4.

13. Определите среднее значение величины R_z, результаты внесите в табл. 4.

14. Вычислите погрешность.

15. Зная среднее значение R_z, определите класс чистоты поверхности образца №10 по табл. 1.

Таблица 3

Номер измерения	№ гребня
Отсчет по барабану
	Верх, ав мкм
Низ, ан мкм
	Верх, ав мкм
Низ, ан мкм
	Верх, ав мкм
Низ, ан мкм

Таблица 4

№

а1, мкм

a2, мкм

a3, мкм

a4, мкм

a5, мкм

N

h1, мкм

h2, мкм

h3, мкм

h4, мкм

h5, мкм

Rz мкм

Rz ср мкм

Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип действия МИС –11.

2. В чем заключается явление интерференции?

3. Какие источники называются когерентными?

4. В чем состоит условие максимумов и минимумов света при интерференции когерентных лучей?

5. По какой формуле вычисляется высота неровности?

6. По какой формуле вычисляется величина R_z?

Библиографический список

1. Гаджаев Н. М. "Оптика" М., "Высшая школа", 1997.

2. Ландсберг Г. С. "Оптика" М., 1957.

3. Фриш С. Э. "Курс общей физики" Том 3 Физматгиз, 1962.

4. Трофимова Т. И. "Курс физики" М., "Высшая школа", 1998.

5. Инструкция к двойному микроскопу МИС-11.